淺談分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與設(shè)計及部分國外分割導(dǎo)體的介紹
1.前言
電纜被譽為國民經(jīng)濟建設(shè)的血管，是實現(xiàn)我國現(xiàn)代化建設(shè)必不可少的要素。
隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，“十二五”規(guī)劃中明確指出要加快農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程和城鄉(xiāng)電網(wǎng)的改造，用戶在電纜的選擇中越來越趨向于大截面、高壓及以上電壓等級的電纜。但由于集膚效應(yīng)的存在，電流趨于在導(dǎo)體表面流動，使得導(dǎo)體載流量不與導(dǎo)體截面呈線性增加，導(dǎo)體截面積越大，集膚效應(yīng)越明顯。在GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，截面積在800mm2及以上時必須采用分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（雖然沒有明確規(guī)定金屬導(dǎo)體種類，但是業(yè)內(nèi)基本默認(rèn)為銅導(dǎo)體），以降低集膚效應(yīng)對電纜載流量的影響。
2.分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與設(shè)計
2.1 分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
分割導(dǎo)體顧名思義，一般的分割導(dǎo)體由扇形或瓦楞股塊、皺紋紙、半導(dǎo)電尼龍帶及中心填充單元組成（本文主要探討由扇形股塊構(gòu)成的分割導(dǎo)體），中心填充單元位于整個分割導(dǎo)體的中心，其材料一般為絞合銅絲（國內(nèi)）和實心銅（國外），但由于集膚效應(yīng)的存在，中心填充單元幾乎很少起到傳輸電流的作用，國內(nèi)外資料中未見到對大截面分割導(dǎo)體中心填充單元的介紹，如中心填充單元材料、性能、載流量等。扇形股塊的以中心填充單元為中心按同一方向成纜，皺紋紙隔離于各個扇形股塊之間，半導(dǎo)電尼龍帶繞包在分割導(dǎo)體之外，最后外層繞包無紡布。
分割導(dǎo)體的主要形式有四分割、五分割、六分割、七分割等，我國以五分割導(dǎo)體應(yīng)用最為廣泛，如圖1所示。GB/T3956-2008中規(guī)定分割導(dǎo)體的截面積范圍是800mm2-2500mm2，如表1所示，但有的企業(yè)已經(jīng)制造出截面積為3000mm2，甚至3500mm2的分割導(dǎo)體，但該標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定到了2500mm2。我國的GB/T3956-2008是參照IEC 60228-2004制定的，隨著電纜行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，相信會有越來越多的企業(yè)有能力生產(chǎn)3000mm2及以上的大截面分割導(dǎo)體，所以會加速相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂速度，相信未來的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中會增加對于分割導(dǎo)體截面積范圍限制，以及相關(guān)的參數(shù)說明。
圖1 四種分割導(dǎo)體示意圖
表1 銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和直流電阻
2.2 分割導(dǎo)體的設(shè)計
分割導(dǎo)體的設(shè)計思路，首先是計算分割導(dǎo)體實際截面積、設(shè)計分割導(dǎo)體股塊的構(gòu)成、計算分割導(dǎo)體直徑及單個股塊實際截面積、設(shè)計單個股塊與單絲形狀及排序、綜合考量分割導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)尺寸、分割導(dǎo)體除了導(dǎo)體外所需原輔材料等，本章節(jié)主要介紹分割導(dǎo)體實際截面積設(shè)計與股塊設(shè)計。
2.2.1分割導(dǎo)體截面積設(shè)計
普遍方法之一是參照GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等標(biāo)準(zhǔn)中20℃的導(dǎo)體電阻值，進(jìn)而進(jìn)一步計算出所需導(dǎo)體的截面積。但實際截面積要根據(jù)實際情況而定，分割導(dǎo)體實際截面積計算公式如下所示：
S=(K1×K2×K3×ρ×1000)÷R
式中
S------分割導(dǎo)體實際截面積
K1-----金屬電阻增值的調(diào)整系數(shù)（1.0-1.5）
K2-----多根導(dǎo)線絞制的絞合系數(shù)（1.0-1.5）
K3-----股塊成纜的絞合系數(shù)（1.0-1.2）
ρ----- 20 ℃ 銅導(dǎo)體電阻率（0.017241）
R-----20 ℃ 銅導(dǎo)體直流電阻（見表1所示）
從理論上講，一般情況下分割導(dǎo)體實際截面積與設(shè)計截面積相差率不超過5%，大多數(shù)電纜企業(yè)生產(chǎn)的分割導(dǎo)體實際截面積要略微大于理論截面積，進(jìn)而使得電纜外徑偏大。但如果分割導(dǎo)體截面積超過了2500mm2，那么就要按上述公式反推計算了。
2.2.2分割導(dǎo)體其他參數(shù)設(shè)計
分割導(dǎo)體直徑：D12=4xS/π
填充系數(shù)與成纜外徑：根據(jù)公開資料表明，分層緊壓法由圓單線構(gòu)成的扇形纖芯填充系數(shù)η約為86%-94%，
分割導(dǎo)體成纜外徑：D22=4xS/（πxη）
此處需注意的是，由于扇形股塊在成纜時會產(chǎn)生肉眼不看見反彈現(xiàn)象，所以建議在計算出分割導(dǎo)體成纜外徑后再稍微放大一點。
分割導(dǎo)體單個扇形股塊截面積：S1=S/N 其中N是分割導(dǎo)體扇形股塊個數(shù)。
分割導(dǎo)體扇形股塊單絲直徑的計算：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)于分割導(dǎo)體截面積對應(yīng)的導(dǎo)體單絲根數(shù)的說明，比如截面積為1200mm2的分割導(dǎo)體中單絲根數(shù)下限是170根，假設(shè)分割導(dǎo)體是五分割，則每個扇形股塊的單絲根數(shù)應(yīng)不少于34根，如六分割則不少于28根。如圖2所示為一種六分割導(dǎo)體和一種五分割導(dǎo)體。
在分割導(dǎo)體的設(shè)計中，要充分考慮生產(chǎn)廠的設(shè)備生產(chǎn)能力、產(chǎn)品尺寸范圍、絞合系數(shù)等實際情況，以免受返工之?dāng)_。
圖2 一種六分割和一種五分割導(dǎo)體示意圖
2.3國外分割導(dǎo)體的介紹
我國國內(nèi)分割導(dǎo)體材料一般都是銅導(dǎo)體，也存在一些如“3000mm2鋁分割導(dǎo)體”等實用新型專利，但在實際生產(chǎn)中卻未曾見過。《8th International Conference on Insulated Power Cables》會議文摘B.10.1中刊登了《最佳導(dǎo)體設(shè)計的選擇》一文，文中介紹了幾種國外銅、鋁分割導(dǎo)體，其中鋁分割導(dǎo)體截面積最大已達(dá)到1600mm2，甚至通過了290/500Kv XLPE絕緣電纜的測試，如圖3所示，是幾種銅、鋁絞合及分割導(dǎo)體示意圖。左面三個依次是銅絞合導(dǎo)體、銅分割導(dǎo)體、表面經(jīng)漆包處理的銅分割導(dǎo)體；右面三個依次是鋁絞合導(dǎo)體、鋁分割導(dǎo)體、表面經(jīng)漆包處理的鋁分割導(dǎo)體，該文中指出，表面經(jīng)漆包處理的分割導(dǎo)體可以更好的降低集膚效應(yīng)對導(dǎo)體的影響，更大程度的提高電纜載流量。
圖3 幾種銅、鋁絞合及分割導(dǎo)體示意圖
《8th International Conference on Insulated Power Cables》會議文摘A8.2中介紹了幾種分割導(dǎo)體的直流或交流電阻比較，如圖4、圖5、圖6所示。分別介紹了20℃時不同導(dǎo)體截面積的交流電阻、導(dǎo)體損耗、DC與AC之間的導(dǎo)體電阻對比等信息。
圖4 20℃時不同截面銅導(dǎo)體的交流電阻
圖5 載流量計算：最大電流@50W/m導(dǎo)體損耗
圖6 20℃時 DC與AC不同導(dǎo)體截面之間的電阻關(guān)系
3.結(jié)束語
2012年我國電纜行業(yè)總產(chǎn)能已過萬億，成為了世界電纜制造第一大國，但我國電纜行業(yè)缺少像上述2.3章節(jié)中的國外線纜企業(yè)的深度研究，大多還是憑借經(jīng)驗做事。分割導(dǎo)體從本身設(shè)計角度講已經(jīng)不是陌生的技術(shù)了，但很多基礎(chǔ)性的研究卻沒有大的突破，如分割導(dǎo)體中心填充單元是否起到傳輸電流的作用，如果其傳輸?shù)碾娏餍〉娇梢院雎�，是否可以用價格更加便宜、硬度更好的鋼芯代替，如果其可以傳輸電流，那么分割導(dǎo)體截面與中心填充單元之間的關(guān)系又是怎么樣的；分割導(dǎo)體壓輪、模具的設(shè)計如何更加合理；分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計上如何更加有效的降低集膚效應(yīng)等等。這一系列問題正等著我們?nèi)ソ鉀Q、攻關(guān)。最后附圖一張國外電纜企業(yè)的2500mm2 490Kv XLPE絕緣超高壓電力電纜，以供參考。
（遠(yuǎn)東電纜有限公司電器裝備電纜研發(fā)部 王伊雷）
