張 靜，胡勝男，何 亮，蔡玉汝，程 林，徐慶文，孟鵬飛，周 凱

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211006；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048；4.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

電纜接頭和電纜終端統(tǒng)稱(chēng)為電纜附件[1]，是電纜線路中必不可少的組成部分，同時(shí)電纜附件也是電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和易發(fā)生故障的部位[2]。電纜終端可以分為戶(hù)外終端、戶(hù)內(nèi)終端和設(shè)備終端[2]。電纜接頭種類(lèi)主要有冷縮、熱縮、澆筑、繞包和預(yù)制型等[3]。冷縮中間接頭所用冷縮管在自然狀態(tài)下內(nèi)徑比電纜本體外徑小，冷縮管出廠時(shí)利用塑料支撐條將其撐開(kāi)，使其內(nèi)徑大于電纜外徑[4-5]。在使用時(shí)，先將冷縮管套于電纜本體外，再將塑料支撐條抽出，冷縮管收縮復(fù)位，并因過(guò)盈配合與電纜本體產(chǎn)生界面壓力，使冷縮管牢固安裝至電纜本體[5-6]。

電纜本體和附件之間的界面壓力會(huì)影響電纜附件的電氣強(qiáng)度，且界面壓力也是決定電纜附件界面密封性以及確保電纜附件長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[7-8]。大量學(xué)者針對(duì)電纜附件界面壓力作了諸多研究。文獻(xiàn)[9]建立了電纜冷縮中間接頭界面結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算模型，獲得了界面壓力的理論計(jì)算方法。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)在電纜安裝和運(yùn)行過(guò)程中，電纜終端絕緣界面壓力隨著電壓的增大而增大。文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析3根不同運(yùn)行年限電纜的電氣性能和力學(xué)性能，研究了老化電纜的絕緣層彈性模量變化對(duì)界面壓力的影響。文獻(xiàn)[12]針對(duì)一起電纜故障案例，通過(guò)理論分析和有限元仿真研究了過(guò)盈量和硅橡膠絕緣層厚度對(duì)界面應(yīng)力的影響。

以往研究中，對(duì)于影響電纜附件界面壓力的因素均有討論，雖然有學(xué)者認(rèn)為溫度對(duì)電纜附件界面壓力有影響[13-14]，但是并沒(méi)有學(xué)者針對(duì)電纜附件界面壓力在長(zhǎng)期冷熱負(fù)荷循環(huán)作用下的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

為探究冷熱循環(huán)溫度及老化時(shí)間對(duì)電纜附件界面密封性能的影響，本研究搭建電纜附件冷熱循環(huán)老化平臺(tái)，對(duì)電纜附件開(kāi)展冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)。采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）對(duì)電纜附件界面壓力進(jìn)行分析，并對(duì)電纜附件界面壓力進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電纜附件的抱緊力由附件絕緣材料硅橡膠（silicone rubber,SR）與電纜本體絕緣交聯(lián)聚乙烯（XLPE）的過(guò)盈配合產(chǎn)生，在冷縮電纜附件生產(chǎn)過(guò)程中，使用塑料支撐條使附件處于擴(kuò)張狀態(tài)。在附件安裝過(guò)程中抽出塑料支撐條，SR絕緣緊縮在電纜絕緣表面，SR因處于擴(kuò)張狀態(tài)而產(chǎn)生徑向應(yīng)力F1，及切向應(yīng)力F21和F22。所構(gòu)建的電纜附件界面壓力測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，通過(guò)內(nèi)置壓力傳感器采集電纜接頭的抱緊力。

圖1 界面壓力測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system of interface pressure

該測(cè)試系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，包括硬件測(cè)量裝置和軟件分析系統(tǒng)。硬件測(cè)量裝置主要包括壓力傳感器、測(cè)量電橋、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、供電模塊。硬件測(cè)量工作流程是壓力傳感器測(cè)量到電纜附件上的應(yīng)變值，以電阻值的形式輸出，然后經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，將電阻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠被單片機(jī)采集的電壓數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)單片機(jī)的串口模式將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。軟件分析系統(tǒng)由內(nèi)置電纜接頭力學(xué)模型及不同條件下的材料參數(shù)的算法程序構(gòu)成，其作用是將由硬件測(cè)量裝置測(cè)得的應(yīng)變結(jié)合附件的力學(xué)模型及材料參數(shù)，計(jì)算出電纜附件的界面壓力。

為探究溫度及老化時(shí)間對(duì)電纜附件界面密封性能的影響，搭建電纜附件冷熱循環(huán)老化平臺(tái)，對(duì)實(shí)際電纜附件進(jìn)行長(zhǎng)期冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)。冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)使用高低溫交變濕熱實(shí)驗(yàn)箱（蘇瑞電子設(shè)備有限公司，RGDJS-800型），通過(guò)控制電纜接頭溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)冷熱循環(huán)。因電纜中間接頭與電纜終端頭絕緣界面的電氣結(jié)構(gòu)與絕緣結(jié)構(gòu)類(lèi)似，故選取蘇州西熔電氣有限公司生產(chǎn)的10 kV 95 mm2單芯戶(hù)內(nèi)冷縮終端頭作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行界面壓力測(cè)試。冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of test system

冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)選擇的壓力傳感器是由Tekscan公司生產(chǎn)的FlexiForce HT201型薄膜式壓力傳感器，如圖3所示，該傳感器適用于高溫場(chǎng)合，能夠在高達(dá)200℃的環(huán)境中測(cè)量壓力。

圖3 FlexiForce HT201型薄膜式壓力傳感器Fig.3 FlexiForce HT201 thin film pressure sensor

實(shí)驗(yàn)時(shí)將薄膜式壓力傳感器貼于電纜附件界面，當(dāng)界面產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，粘貼在其上的薄膜壓力傳感器隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在安裝終端接頭的冷縮管前，將傳感器的感應(yīng)區(qū)域貼附在應(yīng)力錐與電纜主絕緣接觸的位置，即距離外半導(dǎo)電層截?cái)嗵幧戏酱蟾?0 mm處，圖4為薄膜式壓力傳感器安裝位置示意圖。

圖4 壓力傳感器安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of pressure sensor

用膠帶將傳感器末端固定在電纜的外護(hù)套上，然后套上冷縮管并緩慢抽出冷縮管內(nèi)的支撐條，讓薄膜式壓力傳感器盡可能平整地貼附在應(yīng)力錐與主絕緣間的界面上以保證檢測(cè)效果。在界面安裝有薄膜式壓力傳感器的電纜終端如圖5所示。

圖5 界面壓力測(cè)試示意圖Fig.5 Interface pressure test diagram

冷熱負(fù)荷循環(huán)實(shí)驗(yàn)老化溫度設(shè)置為130℃，每24 h為一個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)周期130℃老化8 h，25℃室溫靜置16 h，老化過(guò)程均在圖2所示的烘箱內(nèi)進(jìn)行。每個(gè)循環(huán)周期分別在升溫與冷卻階段待溫度穩(wěn)定后快速多次記錄相應(yīng)界面壓力，并求取平均值，以避免偶然誤差。

2 結(jié)果與分析

對(duì)上述內(nèi)置薄膜式壓力傳感器的電纜終端樣本進(jìn)行54個(gè)周期的冷熱循環(huán)老化。圖6為電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天中，在冷卻階段25℃時(shí)測(cè)得的電纜附件界面壓力值變化曲線。圖7為電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天過(guò)程中，在升溫階段130℃時(shí)測(cè)得的電纜附件界面壓力值變化曲線。

圖6 25℃下電纜附件界面壓力變化規(guī)律Fig.6 Change law of interface pressure of cable accessories at 25℃

圖7 130℃下電纜附件界面壓力變化規(guī)律Fig.7 Change law of interface pressure of cable accessories at 130℃

為了排除測(cè)試過(guò)程中的干擾，更好地反映變化趨勢(shì)，對(duì)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行指數(shù)擬合，得到擬合結(jié)果如圖6和圖7中的平滑曲線所示。從圖6和圖7可以看出，在同一個(gè)冷熱負(fù)荷循環(huán)周期中，130℃時(shí)界面壓力在0.54 MPa左右，高于25℃時(shí)的界面壓力值。從擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷熱循環(huán)老化時(shí)間增加，在25℃時(shí)，前20個(gè)老化周期界面壓力基本不變，而在后34個(gè)老化周期界面壓力從0.5 MPa左右快速下降至0.4 MPa左右，說(shuō)明這時(shí)材料已明顯發(fā)生了應(yīng)力松弛現(xiàn)象。而130℃下隨老化時(shí)間增加，界面壓力始終維持為0.54 MPa左右。

結(jié)合文獻(xiàn)[15]可知，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因可能是：在溫度較高時(shí)，影響界面壓力的主要因素不是材料的彈性模量，而是材料的熱膨脹系數(shù)，因?yàn)楣柘鹉z材料對(duì)熱敏感度較高，所以在130℃下測(cè)得的界面壓力始終維持在較高且不穩(wěn)定的水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將電纜附件剝離與未老化電纜附件進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示，可以看出老化后電纜附件產(chǎn)生了明顯的松弛現(xiàn)象，這也從側(cè)面驗(yàn)證冷熱循環(huán)下硅橡膠材料發(fā)生了應(yīng)力松弛。

為進(jìn)一步驗(yàn)證冷熱循環(huán)下電纜附件界面壓力的松弛規(guī)律，對(duì)老化前后的電纜附件硅橡膠材料進(jìn)行切片，對(duì)樣片進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA），矩形樣本尺寸為6 mm×25 mm，測(cè)量不同溫度下材料的彈性模量，并進(jìn)行電纜附件界面壓力的仿真分析。新電纜附件和冷熱循環(huán)老化54天后的電纜附件的DMA，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 DMA測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of DMA

由圖9可以看出，老化前后的電纜附件硅橡膠材料彈性模量均呈現(xiàn)隨溫度升高而逐漸下降的規(guī)律。電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天后，硅橡膠在25～130℃下的彈性模量均顯著高于未老化試樣。其中，25℃下彈性模量從1.665 MPa增大至1.942 MPa，而130℃下彈性模量則從1.444 MPa增大至1.632 MPa。

對(duì)初始狀態(tài)與老化結(jié)束后的附件（均無(wú)支撐條）進(jìn)行尺寸參數(shù)測(cè)量，附件初始狀態(tài)的內(nèi)徑與厚度以及老化后的內(nèi)徑與厚度見(jiàn)表1。其中r為附件內(nèi)徑；D為附件厚度；d為擴(kuò)徑大小，擴(kuò)徑大小為電纜絕緣半徑（實(shí)測(cè)10.8 mm）減去附件內(nèi)徑；E為彈性模量，彈性模量參考DMA測(cè)量結(jié)果。由表1可以看出，經(jīng)老化后的電纜附件擴(kuò)徑和厚度均減小，擴(kuò)徑由老化前的1.8 mm減小為老化后的0.6 mm，厚度由老化前的9.1 mm減小為8.0 mm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是冷熱循環(huán)下硅橡膠材料因反復(fù)熱脹冷縮而產(chǎn)生的“呼吸效應(yīng)”[16]，文獻(xiàn)[16]研究表明，反復(fù)“呼吸效應(yīng)”會(huì)加快高分子材料的應(yīng)力松弛，這與表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的。此外，還與硅橡膠內(nèi)殘留的交聯(lián)劑以及老化過(guò)程中產(chǎn)生的小分子產(chǎn)物受熱揮發(fā)有關(guān)[17]。

表1 附件尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of accessories

3 冷熱負(fù)荷循環(huán)界面壓力仿真驗(yàn)證

由于電纜附件為圓筒狀對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)[18]，借助仿真軟件搭建硅橡膠附件擴(kuò)徑模型，如圖10所示，在仿真軟件中作1/4圓環(huán)仿真模型，模型邊界條件和網(wǎng)格劃分如圖11所示。參照表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，忽略老化前后硅橡膠的密度及泊松比的變化，取SR材料密度為1.08 g/cm3，泊松比為0.499。邊界1、2施加對(duì)稱(chēng)約束，邊界3施加位移邊界條件。

圖10 電纜附件模型Fig.10 The model of cable accessory

圖11 邊界條件及網(wǎng)格劃分Fig.11 Boundary condition and mesh subdivision

選用仿真軟件內(nèi)置固體力學(xué)場(chǎng)對(duì)老化前后常溫狀態(tài)下的電纜附件進(jìn)行力學(xué)分析[19]，電纜附件界面壓力仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 界面壓力仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of interface pressure

從圖12可以看出，在冷熱負(fù)荷循環(huán)老化54天后，電纜接頭界面壓力由0.376 MPa減小至0.278 MPa。真實(shí)附件測(cè)量界面壓力從約0.5 MPa減小至約0.4 MPa，雖然仿真值與實(shí)測(cè)值有一定誤差，但均可發(fā)現(xiàn)隨老化時(shí)間增加附件界面壓力呈減小趨勢(shì)。上述誤差產(chǎn)生的原因主要為：薄膜壓力傳感器貼在電纜絕緣表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，其壓力-電阻曲線會(huì)發(fā)生偏移，使用該類(lèi)型傳感器測(cè)量曲面壓力的誤差難以通過(guò)校準(zhǔn)消除。此外，仿真的假設(shè)條件是硅橡膠為單一均勻組分，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)往硅橡膠中摻雜白炭黑等成分以增強(qiáng)其各項(xiàng)性能[20]，白炭黑并非均勻分布，這就導(dǎo)致仿真過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)無(wú)法與真實(shí)數(shù)據(jù)完全擬合?？紤]上述影響后，可以認(rèn)定仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相吻合。

綜上，電纜附件在長(zhǎng)期冷熱循環(huán)作用下，一方面會(huì)加速硅橡膠材料發(fā)生應(yīng)力松弛，產(chǎn)生不可恢復(fù)形變，導(dǎo)致縮緊后界面壓力下降；另一方面也會(huì)對(duì)材料彈性模量產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致界面壓力改變。且冷熱循環(huán)作用下，電纜附件恢復(fù)低溫工作時(shí)，應(yīng)力松弛現(xiàn)象更明顯[21-22]。相關(guān)研究表明，低場(chǎng)強(qiáng)下硅橡膠與交聯(lián)聚乙烯界面有較多的電荷聚集[23-24]。因此在現(xiàn)場(chǎng)帶電運(yùn)行過(guò)程中，電纜在低負(fù)荷、低運(yùn)行溫度時(shí)的狀態(tài)值得密切關(guān)注。冷熱循環(huán)老化的老化溫度及老化時(shí)間是導(dǎo)致電纜接頭界面壓力改變的主要因素。

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電纜附件正常工作時(shí)的冷熱循環(huán)狀態(tài)會(huì)加速硅橡膠材料的老化，致使材料發(fā)生應(yīng)力松弛。隨老化時(shí)間延長(zhǎng)、老化溫度升高，電纜附件產(chǎn)生不可恢復(fù)形變，界面壓力下降，界面密封性降低。

（2）實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，導(dǎo)致附件材料應(yīng)力松弛的原因是材料彈性模量和附件擴(kuò)徑率的改變，而產(chǎn)生這一變化的原因是材料反復(fù)熱脹冷縮引起的“呼吸效應(yīng)”。

（3）冷熱循環(huán)狀態(tài)下，電纜附件在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，低溫狀態(tài)的應(yīng)力松弛相較于高溫狀態(tài)更明顯。表明電纜附件在低負(fù)荷、低運(yùn)行溫度的狀態(tài)下更容易檢出故障。