一种10kV-35kV中高压核壳结构稀土铝合金电力电缆及其制备方法与流程

本发明属于电力传输及中高压电缆，具体涉及一种适用于城市配电网改造、园区高压配电、新能源场站集电线路等中高压(10kv-35kv)输配电系统的核壳结构稀土铝合金电力电缆及其制备方法。

背景技术：

1、随着国家配电网升级改造三年行动的深入推进，中高压电缆的存量替换和新增需求巨大。据行业数据，中低压铝合金电缆产业年度产值已达百亿元规模。2026年2月1日，gb/t 31840-2025系列国家标准正式实施，其中gb/t 31840.2-2025适用于6kv～30kv中压铝合金电缆，gb/t 31840.3-2025适用于35kv铝合金芯挤包绝缘电力电缆。南方电网已率先在配电网领域实现10kv铝合金芯电缆的批量工程化应用。

2、当前10kv-35kv中高压电缆主要存在以下技术问题：

3、首先，中高压电缆长期以来几乎全部采用铜导体，成本高、资源消耗大。中高压电缆是城市配网改造和园区配电的主干线路，铜用量巨大。铝芯电缆重量仅为铜芯电缆的40％，同等输送容量下价格约为铜芯电缆的四分之一。然而，现有铝合金电缆产品主要集中于低压(1kv及以下)领域，10kv-35kv中高压铝合金电缆的技术成熟度和产品种类仍显不足，尚未形成规模化替代。

4、其次，铝合金导体应用于中高压电缆时存在局部放电风险。中高压电缆对绝缘系统和屏蔽结构的要求远高于低压电缆。屏蔽层作为电缆内部均匀电场、限制局部放电的关键结构，其厚度、均匀性及尺寸精度若不达标，极易在电场集中处引发局部放电，进而导致绝缘材料老化击穿。现有铝合金电缆产品多沿用铜芯电缆的屏蔽结构设计，缺乏针对铝合金导体特性(如表面粗糙度、膨胀系数差异)的优化设计。

5、第三，现有稀土铝合金电缆的中高压应用存在技术瓶颈。已有35kv及以下电力用稀土铝合金耐火电力电缆的专利公开(如cn120824069b)，其采用稀土铝合金导体配合多层阻燃耐火结构。另有专利公开了含er 0.3-0.6wt％、yb 0.1-0.3wt％的稀土铝合金电缆材料。但上述方案均未涉及核壳结构纳米析出相的强化机制，也未针对中高压电缆的均压屏蔽和局部放电抑制进行系统性设计，更未将核壳结构拓展至35kv电压等级的城市主干环网场景。

6、第四，中高压铝合金电缆的标准体系日趋完善，但高性能产品供给不足。gb/t31840.3-2025已明确规定了额定电压35kv铝合金芯挤包绝缘电力电缆的材料、结构、尺寸和试验要求。符合新国标要求的高性能中高压铝合金电缆具有广阔的市场前景。然而，现有产品在导体强度(通常≤160mpa)、导电率(通常≤60％iacs)、局部放电控制等方面仍无法全面满足电网企业对中高压主干线路的可靠性要求。

7、因此，如何在保证高导电率(≥61.5％iacs)和高强度(≥182mpa)的同时，优化中高压电缆的均压屏蔽结构以有效抑制局部放电(≤5pc)，并将核壳结构稀土铝合金技术从低压领域拓展至10kv-35kv中高压领域，开发出适用于城市配网改造和主干环网的中高压铝合金电力电缆，仍是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种10kv-35kv中高压核壳结构稀土铝合金电力电缆及其制备方法。该电缆采用核壳结构稀土铝合金导体，配合优化的均压屏蔽结构和绝缘系统设计，在实现高强高导、轻量化、低成本的同时，满足中高压电缆对电场均匀性、局部放电抑制(≤5pc)和长期运行可靠性的严格要求，填补核壳结构稀土铝合金在中高压城市主干环网领域的技术空白。

3、(二)技术方案

4、1.电缆结构

5、一种10kv-35kv中高压核壳结构稀土铝合金电力电缆，其特征在于，包括：

6、至少一根由核壳结构稀土铝合金导体构成的缆芯1；设置在所述缆芯外部的导体屏蔽层2；设置在导体屏蔽层外部的交联聚乙烯绝缘层3；设置在绝缘层外部的绝缘屏蔽层4；设置在绝缘屏蔽层外部的金属屏蔽层5；以及最外层的护套层6。

7、优选地，所述电缆的额定电压为10kv～35kv，适用于城市配电网改造、园区高压配电、新能源场站集电线路等中高压输配电系统。

8、优选地，所述缆芯由多根核壳结构稀土铝合金单丝绞合而成，绞合节径比控制在10～14倍。

9、进一步地，所述电缆满足以下全部技术要求：

10、导体导电率：≥61.5％iacs；

11、导体抗拉强度：≥182mpa；

12、导体延伸率：≥22％；

13、局部放电量：在1.73u0下≤5pc(满足gb/t 31840-2025要求)；

14、绝缘耐压：在2.5u0交流电压下保持30min不击穿；

15、导体工作温度：长期工作温度≥90℃，短路温度≥250℃；

16、使用寿命：较传统铜芯电缆延长10年以上。

17、2.导体材料

18、所述核壳结构稀土铝合金导体，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：

19、铈(ce)：0.15～0.20％

20、铒(er)：0.08～0.12％

21、镱(yb)：0.05～0.08％

22、锆(zr)：0.15～0.18％

23、铁(fe)：0.10～0.13％

24、余量为铝(al)和不可避免的杂质。

25、进一步地，所述导体的微观组织结构中包含核壳结构纳米析出相和纳米级弥散相：

26、所述核壳结构纳米析出相为al3(re,zr)复合纳米析出相，其包含富稀土元素(ce、er、yb)的内核和富zr的外壳，其中所述内核中稀土元素的原子浓度之和占该析出相内核总原子数的90％以上，所述外壳中zr元素的原子浓度占该析出相外壳总原子数的85％以上；

27、所述纳米级弥散相为被所述核壳结构纳米析出相包裹或钉扎的纳米级al13fe4弥散相，其等效球形平均直径不大于50纳米。

28、进一步地，所述导体的抗拉强度≥182mpa，导电率≥61.5％iacs，延伸率≥22％，300℃强度残留率≥92％，蠕变变形量比铜导体小40％。

29、3.导体屏蔽层

30、所述导体屏蔽层设置在缆芯外部，用于均匀导体表面电场，消除导体绞合产生的表面不平整所引起的电场集中，防止局部放电的发生。

31、优选地，所述导体屏蔽层为半导电交联聚乙烯材料，紧密挤包在导体上，与绝缘层同步交联。

32、优选地，所述导体屏蔽层的厚度为0.6～1.2mm，体积电阻率≤100ω·m。

33、4.交联聚乙烯绝缘层

34、所述交联聚乙烯绝缘层设置在导体屏蔽层外部，是中高压电缆的核心绝缘结构，在10kv～35kv电压等级下保持优异的电气绝缘性能。

35、优选地，所述交联聚乙烯绝缘层的厚度根据额定电压确定：10kv系统绝缘层厚度≥3.4mm，35kv系统绝缘层厚度≥10.5mm。

36、进一步地，所述交联聚乙烯绝缘层满足gb/t 31840—2025对35kv电缆绝缘材料的全部要求。

37、5.绝缘屏蔽层

38、所述绝缘屏蔽层设置在交联聚乙烯绝缘层外部，用于均匀绝缘层表面的电场分布，消除绝缘层与金属屏蔽层之间的界面电场集中。

39、优选地，所述绝缘屏蔽层为半导电交联聚乙烯材料，与绝缘层同步交联，可剥离或不可剥离。

40、优选地，所述绝缘屏蔽层的厚度为0.6～1.2mm，体积电阻率≤100ω·m。

41、6.金属屏蔽层

42、所述金属屏蔽层设置在绝缘屏蔽层外部，用于在系统接地故障时承载故障电流，同时作为电磁屏蔽层抑制外部电磁干扰。

43、优选地，所述金属屏蔽层为铜带绕包屏蔽层或铜丝编织屏蔽层。

44、优选地，所述金属屏蔽层的截面满足系统单相接地故障时的热稳定性要求。

45、7.护套层

46、所述护套层设置在电缆最外层，用于保护电缆内部结构，防止机械损伤和环境侵蚀。

47、优选地，所述护套层为聚氯乙烯(pvc)护套、聚乙烯(pe)护套或低烟无卤阻燃聚烯烃(lszh)护套。

48、进一步地，所述护套层的厚度根据电缆规格确定，35kv系统一般≥3.0mm。

49、8.制备方法

50、一种制备上述10kv-35kv中高压核壳结构稀土铝合金电力电缆的方法，其特征在于，包括导体材料制备和电缆成型两个阶段：

51、(一)导体材料制备阶段

52、步骤1，熔铸：按所述成分配比准备原料，所用纯al纯度≥99.99％，中间合金纯度均≥99.5％，在氩气保护下进行熔炼，浇铸成铸锭；

53、步骤2，差异化双级均匀化处理：将所述铸锭进行第一级均匀化处理，加热至420～425℃保温4.5～5.5小时；然后进行第二级均匀化处理，加热至540～545℃保温8～10小时，出炉空冷；

54、步骤3，热变形加工：将均匀化处理后的铸锭加热至460～500℃，进行热挤压或热轧，制成线坯；

55、步骤4，固溶与时效处理：将所述线坯进行固溶处理，加热至560～565℃保温1.5～2.0小时后水淬(冷却速率≥80℃/min)；然后进行时效处理，加热至242～248℃保温6.5～7.5小时；

56、步骤5，退火处理：将时效处理后的线材进行退火处理，加热至310～330℃保温2.0～3.0小时，随炉冷却；

57、步骤6，冷加工：将退火处理后的线材进行冷拉拔，得到所需规格的核壳结构稀土铝合金单丝。

58、(二)电缆成型阶段

59、步骤7，绞合：将多根核壳结构稀土铝合金单丝按绞合节径比10～14倍绞合成缆芯，紧压系数≥0.92；

60、步骤8，导体屏蔽层挤出：在缆芯外挤包半导电交联聚乙烯导体屏蔽层；

61、步骤9，绝缘层挤出：在导体屏蔽层外挤包交联聚乙烯绝缘层；

62、步骤10，绝缘屏蔽层挤出：在绝缘层外挤包半导电交联聚乙烯绝缘屏蔽层(三层共挤)；

63、步骤11，金属屏蔽层绕包：在绝缘屏蔽层外绕包铜带或编织铜丝金属屏蔽层；

64、步骤12，护套层挤出：在金属屏蔽层外挤包护套层；

65、步骤13，性能检测：按gb/t 31840-2025进行电缆性能检测，包括局部放电试验(在1.73u0下放电量≤5pc)、工频耐压试验等；

66、步骤14，收卷包装：将检测合格的电缆收卷包装。

67、(三)有益效果

68、与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：

69、1.填补中高压核壳结构稀土铝合金电缆技术空白：本发明首次将核壳结构稀土铝合金技术从低压领域拓展至10kv-35kv中高压领域，实现了核壳结构在中高压城市主干环网电缆的突破性应用。

70、2.导体综合性能优异：本发明核壳结构稀土铝合金导体抗拉强度≥182mpa，导电率≥61.5％iacs，300℃强度残留率≥92％。与传统电工铝(抗拉强度120mpa，导电率61.0％iacs)相比，抗拉强度提升50％以上；与现有稀土铝合金(抗拉强度约160mpa)相比，抗拉强度提升14％以上。重量仅为铜导体的30％，综合成本较铜电缆降低50％以上。

71、3.局部放电控制精准：本发明通过优化的三层共挤屏蔽结构(导体屏蔽层+绝缘层+绝缘屏蔽层)，有效均匀电场分布，消除导体绞合表面和绝缘层界面的电场集中。成品电缆在1.73u0下的局部放电量≤5pc，满足gb/t 31840—2025对中高压电缆的严格要求。

72、4.完全符合国家标准体系：本发明的电缆结构、材料、试验方法符合gb/t31840.2-2025(6kv～30kv中压)和gb/t 31840.3-2025(35kv)的要求，可直接应用于国家电网、南方电网的配电网改造工程。

73、5.抗蠕变性能优越：核壳结构纳米析出相有效钉扎位错，蠕变变形量比铜导体小40％，连接点长期运行更可靠，使用寿命较传统铜芯电缆延长10年以上。

74、6.市场前景广阔：南方电网已率先实现10kv铝合金芯电缆的批量工程化应用。国家配网升级改造三年行动持续推进，中高压电缆存量替换空间巨大，本发明电缆适用于城市配网改造、园区高压配电、箱变进出线、10kv-35kv市政地下管线等场景。

75、7.符合“以铝代铜”国家战略：铝芯电缆重量仅为铜芯电缆的40％，同等输送容量下价格约为铜芯电缆的四分之一。本发明可大幅降低中高压电缆建设成本，缓解铜资源短缺压力。