磁悬浮交通用特种中压电缆的结构

磁悬浮交通用特种中压电缆的结构
■ 文/ 唐易生编译
上海磁悬浮已于2004年1月以430km/h的速度正式运行，一条30公里长的双轨线路连接着上海浦东国际机场和市区的地铁龙阳路车站，这是高速磁悬浮技术的首次商业应用。上海磁悬浮成功的商业运行有助于推动世界各地的磁悬浮项目，这些项目迄今为止一直处于试验阶段。
磁悬浮电缆是一种全新的电缆，目前实际运行的经验还很少，但随着磁悬浮交通的发展，磁悬浮电缆也会不断得到完善。

产品规范
上海磁悬浮推进系统由一个高达20 kV冲击电压电源供电，电流负载为0.5～2.1kA，频率为50Hz～250Hz。一个电机区的通电时间为2秒。虽然这样的电力负载远远低于中压电缆通常的负载，但长定子电缆还是按20kV中压电缆设计的。除了该项基本要求外，非常特殊的自动化机器人敷设技术提出了前所未有的特殊的系统要求：20kV中压电缆的基本要求；使用机器人的自动化作业；各相线电缆自动弯曲和压接；定子槽中自承式安装原理；通过外护套接地。
从上述系统的基本要求产生了下述电缆要求：外护套具有严密的上、下限公差；高径向弹性性能；光滑的表面；稳定一致的机械性能；高弯曲和成型特性（1.5D弯曲半径）；成型的长期稳定性；自动敷设后长期稳定的电气性能；独特的屏蔽和护套结构。

电缆结构
电缆应是自承式的，因为电缆压入定子槽狭窄的入口后造成的变形，必须在就位后恢复。为了满足这种安装原理的要求，电缆基本上设计成20kV铝芯中压橡皮绝缘电力电缆，导体尺寸300mm2是根据国际标准规定值内推的。
1、导体
电缆采用专门设计的300mm2铝导体，导体的机械性能补偿了电气性能的不足。导体应提供优良一致的弯曲性能，还必须保持由敷设机器人的弯曲和压接装置加工成的形状而不降低电气性能。
在内克森公司的法国朗斯工厂里经过数次试验后终于得出适合的敷设形状、敷设方向、压缩比，尤其是适合的退火工艺。上海项目终使用的导体具有20.3mm外径，这给增加绝缘厚度留下了空间，从而使电缆具有比系统要求更高的电气性能裕度。
2、绝缘
与导体类似，绝缘体系至少有两项重要机械要求支持选用橡皮绝缘：
(1)绝缘代表了几乎35%的电缆截面和73%的电缆弹性体积，鉴于电缆在定子槽中安装的自承式原则，它必须在相对较低的径向力下提供高压缩比；
(2)在弯曲和压接工序中，绝缘对绞合铝导体起了弹性垫的作用，甚至在橡皮回弹力作用下起了某些自愈合作用。
磁悬浮电缆采用的特殊低损耗EPR（乙丙橡胶）绝缘具有优于0.003的介损因数,EPR同时是该中压电力电缆三层绝缘体系中内、外半导电层的基本电缆料。该电缆料用作内、外半导电层时采用内克森公司自己的配方。
3、屏蔽
与普通中压电缆结构不同，磁悬浮电缆无法使用普通的铜屏蔽，因为在弯曲和压接过程中电缆的机械应力会严重损坏屏蔽的形状，从而影响普通由绞合或编织铜丝或实心铜带组成的屏蔽的电气性能。此外，系统对屏蔽电阻不寻常的要求（即金属屏蔽、半导电外护层和半导电滑动涂层具有1～10mΩ/cm的屏蔽电阻范围），要求极其低的铜含量，这是标准金属屏蔽结构无法满足的。
解决方法是采用一种特殊设计的铜编织带呈螺旋状绕包绝缘外的半导电层。这是惟一满足要求的屏蔽结构，经过弯曲和压接工序的极端机械应力后，该屏蔽的电阻几乎没有改变。X光图证明磁悬浮电缆的铜屏蔽和铝导体在第二相严重的弯曲部位具有稳定性。
4、外护套
外护套是磁悬浮电缆的另一个多功能元件，它应满足高电气、机械和化学要求：
● 首先满足高弹性要求，这也是终选择橡皮绝缘的原因之一；
● 护套电流接地要求护套中添加高半导电添加剂；
● 磁悬浮电缆暴露在大气中，因此需耐受许多环境和化学因子影响；
● 护套表面应具有足够的粘结性以便涂覆滑动涂层；
● 护套必须具有阻燃性。
为此，内克森公司研制成功一种阻燃半导电PCP(氯丁橡胶)护套料，它具有如下耐环境和耐化学品功能：阻燃性满足VDE 0472 第804部分要求；耐臭氧满足VDE 0472 第805部分要求；耐油性满足VDE 0472 第803部分要求；通过用户规定的气候模拟加UV曝露试验。
5、滑动涂层
与其它材料不同，滑动涂层仅是敷设过程必需的临时性构件，敷设过程包括电缆放线、弯曲、压接和电缆压入定子槽中。对滑动涂层的长期性能要求是它不会影响磁悬浮电缆的电气和环境性能，解决方法是，采用一种在PCP护套表面具有良好粘接性的特氟纶（Teflon）基半导电涂料。滑动涂层平均厚度为20±10μm, 任意一点厚度为5μm。