浅谈分割导体的结构与设计及部分国外分割导体的介绍

1.前言

电缆被誉为国民经济建设的血管，是实现我国现代化建设必不可少的要素。

随着我国国民经济的迅猛发展，“十二五”规划中明确指出要加快农村城镇化进程和城乡电网的改造，用户在电缆的选择中越来越趋向于大截面、高压及以上电压等级的电缆。但由于集肤效应的存在，电流趋于在导体表面流动，使得导体载流量不与导体截面呈线性增加，导体截面积越大，集肤效应越明显。在GB/T11017-2002、GB/T18890-2002等标准中明确规定，截面积在800mm2及以上时必须采用分割导体结构（虽然没有明确规定金属导体种类，但是业内基本默认为铜导体），以降低集肤效应对电缆载流量的影响。

2.分割导体的结构与设计

2.1分割导体结构

分割导体顾名思义，一般的分割导体由扇形或瓦楞股块、皱纹纸、半导电尼龙带及中心填充单元组成（本文主要探讨由扇形股块构成的分割导体），中心填充单元位于整个分割导体的中心，其材料一般为绞合铜丝（国内）和实心铜（国外），但由于集肤效应的存在，中心填充单元几乎很少起到传输电流的作用，国内外资料中未见到对大截面分割导体中心填充单元的介绍，如中心填充单元材料、性能、载流量等。扇形股块的以中心填充单元为中心按同一方向成缆，皱纹纸隔离于各个扇形股块之间，半导电尼龙带绕包在分割导体之外，最后外层绕包无纺布。

分割导体的主要形式有四分割、五分割、六分割、七分割等，我国以五分割导体应用最为广泛，如图1所示。GB/T3956-2008中规定分割导体的截面积范围是800mm2-2500mm2，如表1所示，但有的企业已经制造出截面积为3000mm2，甚至3500mm2的分割导体，但该标准中只规定到了2500mm2。我国的GB/T3956-2008是参照IEC60228-2004制定的，随着电缆行业技术的进步，相信会有越来越多的企业有能力生产3000mm2及以上的大截面分割导体，所以会加速相关标准的修订速度，相信未来的相关标准中会增加对于分割导体截面积范围限制，以及相关的参数说明。

图1四种分割导体示意图

表1铜导体结构和直流电阻

2.2分割导体的设计

分割导体的设计思路，首先是计算分割导体实际截面积、设计分割导体股块的构成、计算分割导体直径及单个股块实际截面积、设计单个股块与单丝形状及排序、综合考量分割导体整体结构尺寸、分割导体除了导体外所需原辅材料等，本章节主要介绍分割导体实际截面积设计与股块设计。

2.2.1分割导体截面积设计

普遍方法之一是参照GB/T11017-2002、GB/T18890-2002等标准中20℃的导体电阻值，进而进一步计算出所需导体的截面积。但实际截面积要根据实际情况而定，分割导体实际截面积计算公式如下所示：

S=(K1×K2×K3×ρ×1000)÷R

式中

S——分割导体实际截面积

K1—–金属电阻增值的调整系数（1.0-1.5）

K2—–多根导线绞制的绞合系数（1.0-1.5）

K3—–股块成缆的绞合系数（1.0-1.2）

ρ—–20℃铜导体电阻率（0.017241）

R—–20℃铜导体直流电阻（见表1所示）

从理论上讲，一般情况下分割导体实际截面积与设计截面积相差率不超过5%，大多数电缆企业生产的分割导体实际截面积要略微大于理论截面积，进而使得电缆外径偏大。但如果分割导体截面积超过了2500mm2，那么就要按上述公式反推计算了。

2.2.2分割导体其他参数设计

分割导体直径：D12=4xS/π

填充系数与成缆外径：根据公开资料表明，分层紧压法由圆单线构成的扇形纤芯填充系数η约为86%-94%，

分割导体成缆外径：D22=4xS/（πxη）

此处需注意的是，由于扇形股块在成缆时会产生肉眼不看见反弹现象，所以建议在计算出分割导体成缆外径后再稍微放大一点。

分割导体单个扇形股块截面积：S1=S/N其中N是分割导体扇形股块个数。

分割导体扇形股块单丝直径的计算：相关标准有关于分割导体截面积对应的导体单丝根数的说明，比如截面积为1200mm2的分割导体中单丝根数下限是170根，假设分割导体是五分割，则每个扇形股块的单丝根数应不少于34根，如六分割则不少于28根。如图2所示为一种六分割导体和一种五分割导体。

在分割导体的设计中，要充分考虑生产厂的设备生产能力、产品尺寸范围、绞合系数等实际情况，以免受返工之扰。

图2一种六分割和一种五分割导体示意图

2.3国外分割导体的介绍

我国国内分割导体材料一般都是铜导体，也存在一些如“3000mm2铝分割导体”等实用新型专利，但在实际生产中却未曾见过。《8thInternationalConferenceonInsulatedPowerCables》会议文摘B.10.1中刊登了《最佳导体设计的选择》一文，文中介绍了几种国外铜、铝分割导体，其中铝分割导体截面积最大已达到1600mm2，甚至通过了290/500KvXLPE绝缘电缆的测试，如图3所示，是几种铜、铝绞合及分割导体示意图。左面三个依次是铜绞合导体、铜分割导体、表面经漆包处理的铜分割导体；右面三个依次是铝绞合导体、铝分割导体、表面经漆包处理的铝分割导体，该文中指出，表面经漆包处理的分割导体可以更好的降低集肤效应对导体的影响，更大程度的提高电缆载流量。

图3几种铜、铝绞合及分割导体示意图

《8thInternationalConferenceonInsulatedPowerCables》会议文摘A8.2中介绍了几种分割导体的直流或交流电阻比较，如图4、图5、图6所示。分别介绍了20℃时不同导体截面积的交流电阻、导体损耗、DC与AC之间的导体电阻对比等信息。

图420℃时不同截面铜导体的交流电阻

图5载流量计算：最大电流@50W/m导体损耗

图620℃时DC与AC不同导体截面之间的电阻关系

3.结束语

2012年我国电缆行业总产能已过万亿，成为了世界电缆制造第一大国，但我国电缆行业缺少像上述2.3章节中的国外线缆企业的深度研究，大多还是凭借经验做事。分割导体从本身设计角度讲已经不是陌生的技术了，但很多基础性的研究却没有大的突破，如分割导体中心填充单元是否起到传输电流的作用，如果其传输的电流小到可以忽略，是否可以用价格更加便宜、硬度更好的钢芯代替，如果其可以传输电流，那么分割导体截面与中心填充单元之间的关系又是怎么样的；分割导体压轮、模具的设计如何更加合理；分割导体的结构设计上如何更加有效的降低集肤效应等等。这一系列问题正等着我们去解决、攻关。最后附图一张国外电缆企业的2500mm2490KvXLPE绝缘超高压电力电缆，以供参考。

（远东电缆有限公司电器装备电缆研发部王伊雷）

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