于欽學(xué)， 任文娥， 岳振國， 金金元， 趙 苗， 徐 陽， 鐘力生

（1.西安交通大學(xué)電氣絕緣研究中心，陜西西安710049；2.浙江晨光電纜股份有限公司，浙江平湖324204）

110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜鋁護(hù)套力學(xué)性能的研究

于欽學(xué)1， 任文娥1， 岳振國2， 金金元2， 趙 苗1， 徐 陽1， 鐘力生1

（1.西安交通大學(xué)電氣絕緣研究中心，陜西西安710049；2.浙江晨光電纜股份有限公司，浙江平湖324204）

高壓電力電纜的電氣、機(jī)械等諸多性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全與可靠運(yùn)行。對(duì)110kV高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜不同制造工藝的鋁護(hù)套（如擠鋁、氬弧焊鋁）進(jìn)行力學(xué)性能研究，結(jié)果表明擠壓工藝生產(chǎn)的鋁護(hù)套力學(xué)性能優(yōu)于氬弧焊的，但是氬弧焊的動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗因數(shù)小于擠壓的，氬弧焊有縫處的動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗因數(shù)大于無縫處的。兩種鋁護(hù)套的動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗因數(shù)都在頻率84Hz附近出現(xiàn)峰值。

交聯(lián)聚乙烯電纜；鋁護(hù)套；力學(xué)性能

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，輸變電系統(tǒng)的電壓等級(jí)不斷升高，對(duì)其系統(tǒng)所用的材料、設(shè)備及附件的要求也越來越高，特別是輸送電力電能的主要載體---高壓電力電纜，其絕緣性能、機(jī)械性能、抗老化性能等的優(yōu)劣會(huì)直接影響輸變電系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1，2］，因此，不論是電力系統(tǒng)還是科研院所都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，研究論文也層出不窮。但是，有關(guān)電力電纜鋁護(hù)套不同制造工藝的力學(xué)性能的研究文獻(xiàn)卻比較少，為此，本文主要選擇不同制造工藝的鋁護(hù)套，進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，通過比較，得到了一些有實(shí)際意義的規(guī)律性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通常情況下，高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜鋁護(hù)套的制作工藝有三種［3-5］：擠壓鋁、壓鋁、氬弧焊。壓鋁主要是利用壓鋁機(jī)進(jìn)行和完成，由于其成本高，工藝復(fù)雜，能耗大而很少采用；氬弧焊是由冷軋鋁板卷包成型后，再用氬弧焊接機(jī)焊接而成，工藝流程簡單、能耗低、耗時(shí)少、生產(chǎn)成本低，因此采用較多，不足之處是存在焊縫，需要對(duì)焊接的電纜進(jìn)行浸水和氣密性試驗(yàn)；擠壓鋁是連續(xù)包覆擠壓技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種比較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，其特點(diǎn)是成本低、節(jié)能、效率高、方便安全。

本文主要用材料拉伸機(jī)和DMA/SDTA861e型動(dòng)態(tài)力學(xué)測試儀，對(duì)擠壓鋁和氬弧焊兩種工藝制作的XLPE電纜鋁護(hù)套進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)、動(dòng)態(tài)力學(xué)的性能對(duì)比分析和研究。

1 試樣制備

為了區(qū)分不同的試樣，對(duì)兩種鋁護(hù)套試樣進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，測量樣品尺寸，對(duì)比兩種鋁護(hù)套的性能變化并分析其影響因素。其中：YH為氬弧焊工藝制作的鋁護(hù)套；JL為擠壓工藝制作的鋁護(hù)套。

將兩種（擠鋁、氬弧焊）工藝制造的鋁護(hù)套，切割成如圖1和圖2所示尺寸的試樣，剪切樣品時(shí)不能損傷試樣，要求試樣表面無毛刺等。

圖1 拉伸試驗(yàn)使用的試樣

圖2 動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)使用的試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

（1）縱向抗拉強(qiáng)度與伸長率

強(qiáng)度是指在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力［6，7］，本文采用伸長率來衡量鋁護(hù)套的塑性。鋁護(hù)套（JL、YH）抗拉強(qiáng)度和伸長率的計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 抗拉強(qiáng)度 （單位：N/mm2）

表2 伸長率 （單位：%）

縱向拉力與伸長量關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 拉伸力與伸長量關(guān)系曲線

（2）橫向抗拉強(qiáng)度與伸長率

橫向拉力與伸長量關(guān)系曲線如圖4所示?？估瓘?qiáng)度和伸長率計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

圖4 拉伸力與伸長量關(guān)系曲線

表3 抗拉強(qiáng)度 （單位：N/mm2）

表4 伸長率 （單位：%）

（3）試驗(yàn)結(jié)果與討論

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，擠壓鋁試樣的縱向和橫向的抗拉強(qiáng)度都高于氬弧焊的，橫向無焊縫處氬弧焊試樣的伸長率大于擠壓鋁試樣的，但是在焊縫處僅23.23%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓鋁的44.47%，表明擠壓鋁試樣的強(qiáng)度和塑性都優(yōu)于氬弧焊的。

由于氬弧焊鋁護(hù)套在焊接過程中，改變了焊縫周圍的組織，使焊縫周圍的力學(xué)性能尤其屈服強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如無縫處的，所以將直接影響高壓電力電纜鋁護(hù)套承受熱膨脹應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的能力。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)方法與原理

動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)［8-11］采用單懸臂模式，原理如圖5所示。試樣的一端固定，另一端施加一個(gè)變化著的頻率的振動(dòng)。由此測得試樣的模量和損耗因子隨頻率的變化曲線。模量由測得的剛度（是指彈性體抵抗彎曲、拉伸、壓縮等變形的能力）算得，可根據(jù)下式計(jì)算：

圖5 單懸臂模式原理圖

式中：g為由樣品尺寸計(jì)算得到的幾何因子；S為樣品的剛度，剛度和彈性模量是不一樣的。彈性模量是物質(zhì)組分的性質(zhì)；而剛度是固體的性質(zhì)。也就是說，彈性模量是物質(zhì)微觀的性質(zhì)，而剛度是物質(zhì)宏觀的性質(zhì)，樣品的剛度受樣品幾何尺寸變化的影響。其中，F(xiàn)a是力的大小，La是位移振幅。

式中：M′為貯能模量，與彈性的、可回復(fù)的貯能能量成正比（MPa）；M″為能耗模量，與轉(zhuǎn)化成熱的、不可回復(fù)的損耗能量成正比（MPa）；δ為力和位移的相位差，tanδ為動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗因數(shù)（以下簡稱損耗因數(shù)）。對(duì)于完全的彈性材料，無相位差，δ=0°；對(duì)于完全粘性材料，δ=90°。一般的材料，tanδ在0到∞之間，tanδ的值越大表示材料粘性越大，越小則表示材料的彈性越好。這是由于當(dāng)損耗因子tanδ值越大時(shí)，外界對(duì)材料做的功則大部分轉(zhuǎn)化為能耗模量，使得材料的溫度升高，導(dǎo)致材料內(nèi)部價(jià)鍵破壞，加速材料的分解。

（2）試樣編號(hào)與尺寸

氬弧焊與擠壓鋁試樣的編號(hào)與尺寸如表5、表6所示。

表5 氬弧焊鋁護(hù)套編號(hào)及厚度參數(shù) （單位：mm）

表6 擠壓鋁護(hù)套編號(hào)及厚度參數(shù) （單位：mm）

（3）試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

對(duì)于電纜的金屬鋁護(hù)套而言，tanδ的值越小，則護(hù)套的彈性越好，其延展性也就越好，更有利于保護(hù)內(nèi)部絕緣；相對(duì)而言，如果tanδ的值太大，當(dāng)受外界作用時(shí)，溫度很容易升高，不僅會(huì)損害內(nèi)部絕緣，還會(huì)加速護(hù)套本身的分解。實(shí)驗(yàn)采用單懸臂模式。首先用儀器對(duì)樣品Y1用單懸臂做一條力與位移的變化曲線。設(shè)置溫度25℃，頻率1 Hz，位移從1μm到50μm的變化區(qū)間，35μm的位移大約對(duì)應(yīng)10 N的力。最后選定單懸臂實(shí)驗(yàn)方案為：設(shè)置力為10 N，位移為35μm，溫度為25℃，夾具的長度為20 mm，頻率變化范圍從40 Hz到180 Hz，每1 Hz取一個(gè)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)將主要通過給鋁護(hù)套施加一個(gè)頻率變化的力，測出材料的損耗因數(shù)隨頻率的變化曲線，然后對(duì)比兩種鋁材料護(hù)套的變化曲線，分析其影響因素。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)方案，測得tanδ隨頻率變化曲線如圖6～圖9所示。

從圖6可以看出，有縫氬弧焊試樣的損耗因數(shù)峰值比無縫的大。

從圖7～圖9可以看出，擠壓鋁護(hù)套試樣的損耗因數(shù)峰值均大于氬弧焊鋁護(hù)套試樣的。擠壓鋁、氬弧焊縱向橫向試樣的動(dòng)態(tài)損耗因數(shù)均在84 Hz左右出現(xiàn)最大值。

圖6 氬弧焊橫向有縫與無縫處損耗因數(shù)隨頻率的變化

圖7 氬弧焊橫向無縫與擠鋁橫向試樣的損耗因數(shù)隨頻率的變化

圖8 縱向鋁護(hù)套試樣損耗因數(shù)隨頻率的變化

圖9 橫向鋁護(hù)套試樣損耗因數(shù)隨頻率的變化

3 結(jié) 論

通過研究擠壓與氬弧焊兩種不同生產(chǎn)工藝制備的鋁護(hù)套的力學(xué)性能，可以得出以下結(jié)論：

（1）擠壓縱向和橫向試樣的抗拉強(qiáng)度都高于氬弧焊的，橫向無焊縫處氬弧焊試樣的伸長率大于擠壓鋁的，但是在焊縫處僅23.23%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓鋁試樣的44.47%，表明擠壓鋁試樣的強(qiáng)度和塑性都優(yōu)于氬弧焊的。

（2）雖然氬弧焊橫向鋁護(hù)套試樣有焊縫和無焊縫處的抗拉強(qiáng)度變化不是很大，分別為 59.73 N/mm2、62.68 N/mm2，但伸長率變化很大，分別為23.23%、54.27%。

（3）氬弧焊鋁護(hù)套，有焊縫處的動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗因數(shù)比無縫處的大，這說明焊縫處的延展性沒有無縫處的好，焊縫會(huì)是氬弧焊護(hù)套的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

（4）擠壓鋁試樣的動(dòng)態(tài)損耗因數(shù)明顯比氬弧焊的要大，所有試樣的動(dòng)態(tài)損耗因數(shù)均在84Hz出現(xiàn)最大值。

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Study on M echanical Properties of 110 kV Alum inum Sheath of XLPE Cable

YU Qin-xue1，RENWen-e1，YUE Zhen-guo2，JIN Jin-yuan2，ZHAO Miao1，XU Yang1，ZHONG Li-sheng1
（1.Electric Insulation Research Center，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；2.Zhejiang Chengguang Cable Co.，Ltd.，Pinghu 214251，China）

The electrical，mechanical and other properties of high voltage power cables is directly related to the safe and reliable operation of electric power system.The aluminum sheath of differentmanufacturing process（such as extrusion aluminum，argon arc welding aluminum）about110kV high voltage XLPE power cablewas studed bymeans of Mechanical properties.The results show that the mechanical performance of extruding process aluminum sheath is better than that of argon arc welding，but the dynamic mechanical loss factor of argon arc welding is less than extrusion，and dynamicmechanical loss factor of argon arc welding seam is larger than the seam less.The dynamic mechanical loss factor of two kinds of aluminum sheath appears the peak near frequency 84Hz.

XLPE cable；aluminum sheath；mechanical properties

TM206

A

1672-6901（2014）04-0004-04

2014-01-08

于欽學(xué)（1960-），男，高級(jí)工程師.

作者地址：陜西西安市咸寧西路28號(hào)［710049］.