楊代勇，王　朔，楊　明，孫友群，敖　明

(國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春　130021)

電纜外護(hù)套位于電纜最外層，主要起到保護(hù)和絕緣作用，是保護(hù)電纜的第一道防線，其完好與否對(duì)電纜的使用壽命關(guān)系重大。隨著電力電纜使用量增加，在電纜敷設(shè)過(guò)程中，一些電纜外護(hù)套存在開(kāi)裂的現(xiàn)象，影響電纜及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)電纜低溫敷設(shè)過(guò)程中外護(hù)套存在缺陷時(shí)的受力情況進(jìn)行了仿真分析，為電纜敷設(shè)過(guò)程中避免外護(hù)套損壞提供理論依據(jù)，并提出預(yù)防措施。

1　電纜外護(hù)套作用及厚度要求

電纜外護(hù)套作用有兩個(gè)，一是保護(hù)作用，電纜的敷設(shè)環(huán)境經(jīng)常伴有水分、腐蝕性物質(zhì)以及白蟻的侵蝕，外護(hù)套就直接起到對(duì)主絕緣的保護(hù)和密封作用；二是絕緣作用，由于電纜運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體電流的電磁感應(yīng)，在金屬護(hù)層(金屬護(hù)套和銅屏蔽層)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，一旦金屬護(hù)套多點(diǎn)接地，金屬護(hù)套內(nèi)由于感應(yīng)電壓的存在將產(chǎn)生巨大的環(huán)流，不僅嚴(yán)重影響電纜的載流量，甚至可能會(huì)引起火災(zāi)。

為了滿足電纜外護(hù)套的機(jī)械及電氣絕緣性能，電纜外護(hù)套的厚度不宜太薄，也不宜太厚。

規(guī)程[1，4]對(duì)電纜的厚度做了一般要求，若無(wú)其他規(guī)定[1]，擠包護(hù)套厚度TS(mm)應(yīng)按下列公式計(jì)算：

TS=0.035D+1.0

式中D為擠包護(hù)套前電纜的假設(shè)直徑，按上式計(jì)算出的數(shù)值應(yīng)修約到0.1 mm。

2　外護(hù)套開(kāi)裂影響因素

電纜外護(hù)套開(kāi)裂從開(kāi)裂性質(zhì)一般可以分為脆性開(kāi)裂和韌性開(kāi)裂，電纜外護(hù)套在低溫環(huán)境下受到?jīng)_擊造成的開(kāi)裂屬于脆性開(kāi)裂，電纜外護(hù)套在緩慢拉伸過(guò)程中造成的開(kāi)裂屬于韌性開(kāi)裂，但不論是脆性開(kāi)裂還是韌性開(kāi)裂，在理論上是材料的松弛過(guò)程，宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的過(guò)程，因此電纜外護(hù)套在受到內(nèi)部或者外部的應(yīng)力作用時(shí)，其薄弱點(diǎn)達(dá)到了應(yīng)力強(qiáng)度承受能力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[2]。

影響電纜外護(hù)套開(kāi)裂的因素有很多，主要包括護(hù)套材料的物理機(jī)械性能、外護(hù)套擠出工藝、外部機(jī)械力的作用、外部環(huán)境的作用、結(jié)構(gòu)尺寸5個(gè)方面，這5類(lèi)影響因素疊加劣化作用使得電纜外護(hù)套更容易產(chǎn)生開(kāi)裂。

2.1　材料機(jī)械性能的影響

電力系統(tǒng)應(yīng)用的主要電纜類(lèi)型為橡塑電纜，電纜外護(hù)套多采用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)兩種材料。

聚乙烯的耐寒和耐高溫性能均優(yōu)于聚氯乙烯，但聚乙烯在制作成護(hù)套時(shí)受擠出溫度和冷卻速度影響易結(jié)晶，機(jī)械性能受較大影響，低溫環(huán)境下其脆性強(qiáng)，在敷設(shè)過(guò)程中易受沖擊機(jī)械力而發(fā)生脆性損傷。聚氯乙烯本身耐寒及耐高溫性能較差，但在低溫環(huán)境下其脆性弱，敷設(shè)過(guò)程中聚氯乙烯護(hù)套受到機(jī)械力沖擊時(shí)不宜發(fā)生損傷，通過(guò)添加增塑劑可以大大提高其低溫機(jī)械性能。

2.2　加工工藝的影響

塑料擠出主要是利用塑料的可塑性。一般將整個(gè)過(guò)程分為3個(gè)階段：塑化階段、成型階段、定型階段。塑料擠出特性主要表現(xiàn)在塑化階段。擠出質(zhì)量主要指塑料的塑化情況是否良好，幾何尺寸是否均一。決定塑化情況的因素除塑料本身外，主要是溫度和剪切應(yīng)變率及作用時(shí)間等因素。鎧裝電纜護(hù)套擠塑工藝存在的主要問(wèn)題是護(hù)套擠出冷卻不夠，模具配制不合理，拉伸比過(guò)大，造成護(hù)套中內(nèi)應(yīng)力過(guò)大。

受聚乙烯本身的收縮性能影響，由熱態(tài)向冷態(tài)收縮率普遍在8%左右，所以在聚乙烯擠出冷卻后，護(hù)套會(huì)緊緊的包裹在鎧裝鋼帶上，形成預(yù)應(yīng)力，使得鋼帶無(wú)法左右移動(dòng)，在鋼帶的邊緣部分的護(hù)套厚度最薄，在電纜彎曲或拉伸時(shí)，這些薄弱點(diǎn)受機(jī)械應(yīng)力作用容易導(dǎo)致護(hù)套開(kāi)裂[3]，而聚氯乙烯收縮率普遍在0.2%～0.6%，預(yù)應(yīng)力小，不會(huì)使得鋼帶無(wú)法左右移動(dòng)，從而也不會(huì)發(fā)生在鋼帶外面產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.3　外部機(jī)械力的影響

電纜敷設(shè)是電纜線路建設(shè)工作的重要環(huán)節(jié)。實(shí)際敷設(shè)過(guò)程中造成電纜外護(hù)套開(kāi)裂主要原因?yàn)槭┕り?duì)伍水平參差不齊，施工流程、施工方法也不夠規(guī)范。施工過(guò)程缺少卷?yè)P(yáng)機(jī)、履帶牽引機(jī)、張力計(jì)、電纜盤(pán)制動(dòng)裝置等必須的施工器材。施工完全靠人工或者拖拉機(jī)、卡車(chē)牽引放線，放線張力無(wú)法控制，無(wú)制動(dòng)，放線速度也時(shí)快時(shí)慢，容易造成電纜在施工過(guò)程中彎曲半徑過(guò)小，受力過(guò)大，同時(shí)放線過(guò)程中電纜在地面摩擦，也加劇了電纜護(hù)套的開(kāi)裂。綜上可知，電纜敷設(shè)過(guò)程中主要受到牽引力、彎曲力、側(cè)壓力、摩擦力的作用，對(duì)各種力的控制規(guī)程給出明確要求[4]。

2.4　外部環(huán)境的影響

電纜外護(hù)套對(duì)電纜起保護(hù)作用，與電纜存放、敷設(shè)、運(yùn)行的外界環(huán)境直接接觸，因此環(huán)境對(duì)電纜外護(hù)套的開(kāi)裂有很大影響，主要表現(xiàn)在環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、接觸物質(zhì)。環(huán)境的溫度高低直接影響護(hù)套材料的各項(xiàng)物理機(jī)械性能。

電纜在沒(méi)有外包裝露天存放時(shí)，如果直接暴露于陽(yáng)光下，電纜的向陽(yáng)面和背陽(yáng)面熱脹冷縮產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)電纜護(hù)套本身存在缺陷或敷設(shè)過(guò)程中受到大機(jī)械力作用，容易產(chǎn)生開(kāi)裂；另外，一些護(hù)套材料容易光老化，例如：PE材料[5]，能強(qiáng)烈吸收紫外光，引起聚合物光氧降解反應(yīng)，導(dǎo)致PE護(hù)套在紫外線的照射下發(fā)生開(kāi)裂。

環(huán)境介質(zhì)對(duì)電纜護(hù)套的開(kāi)裂有很大影響，尤其是對(duì)于直埋敷設(shè)的電力電纜，由于地下污水成分復(fù)雜，常含有像洗滌劑一類(lèi)的表面活性劑，這些表面活性劑由于具有很高的活動(dòng)性和潤(rùn)滑性，能進(jìn)入聚合物的裂紋中被吸附而降低聚合物的表面能，增加儲(chǔ)能，從而容易使裂紋擴(kuò)大，促使裂紋擴(kuò)大，進(jìn)而使材料產(chǎn)生延性開(kāi)裂。

2.5　結(jié)構(gòu)尺寸的影響

YJV22-8.7/10 3×300型10 kV耐寒電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。除了外護(hù)套的厚度及電纜的尺寸對(duì)外護(hù)套開(kāi)裂有較大影響外，導(dǎo)致電纜外護(hù)套開(kāi)裂主要為鎧裝層。

圖1　10 kV耐寒電纜結(jié)構(gòu)圖

規(guī)程[4]對(duì)電纜外護(hù)套的厚度有明確規(guī)定，護(hù)套厚度太薄會(huì)影響拉伸強(qiáng)度，當(dāng)電纜直徑尺寸變大時(shí)，生產(chǎn)、存放及敷設(shè)過(guò)程中會(huì)因?yàn)閺澢鷮?dǎo)致護(hù)套承受的彎曲應(yīng)力變大。此10 kV耐寒電纜鎧裝前的尺寸為76.5 mm，對(duì)于大外徑電力電纜，當(dāng)鎧裝前電纜直徑大于70 mm時(shí)，鎧裝鋼帶的厚度要求為0.8 mm，鋼帶厚了，強(qiáng)度大了，剛性也強(qiáng)了，塑性將變差，繞包過(guò)程中將產(chǎn)生較大的反彈趨勢(shì)，加劇護(hù)套層所承受的外界張力，這樣鎧裝層的表面上下層鋼帶之間的高差會(huì)很大，相對(duì)于小外徑電纜，鎧裝層表面更不平整[6]。在擠塑聚乙烯外護(hù)套時(shí)，一般只在鎧裝鋼帶與外護(hù)套間增加一層0.2 mm厚的無(wú)紡布作為緩沖層，以減小鎧裝層對(duì)護(hù)套層的影響，對(duì)于大外徑電纜，0.2 mm厚的緩沖層根本不能解決鎧裝表面不平整，在護(hù)套擠出時(shí)，護(hù)套經(jīng)拉伸后包覆在鎧裝表面的厚度不一致，在外層鋼帶的邊緣部分的護(hù)套厚度最薄，護(hù)套在冷卻收縮過(guò)程中鎧裝鋼帶毛邊容易刺破緩沖層切入護(hù)套內(nèi)，增加了護(hù)套開(kāi)裂的概率。

3　力學(xué)仿真分析

機(jī)械力作用是導(dǎo)致電纜外護(hù)套開(kāi)裂的最直接原因。電纜在敷設(shè)過(guò)程中會(huì)受到拉伸、彎曲、擠壓、摩擦等，產(chǎn)生牽引力、側(cè)壓力、摩擦力、重力等機(jī)械力。除了牽引力、側(cè)壓力兩項(xiàng)機(jī)械力作用及彎曲變形外，一些內(nèi)部或外部缺陷也會(huì)在電纜敷設(shè)過(guò)程中對(duì)電纜外護(hù)套造成損壞，一種是電纜的內(nèi)部鎧裝層工藝不良，存在毛刺或薄厚不均；另一種是電纜外護(hù)套被尖銳物體割傷或受到較大摩擦力。本文針對(duì)這兩種缺陷情況進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，特別進(jìn)行了低溫對(duì)應(yīng)力分布影響的仿真分析。

3.1　力學(xué)仿真參數(shù)設(shè)置及建模

本文以2.5節(jié)所述的YJV22-8.7/10 3×300型10 kV耐寒電纜結(jié)構(gòu)為模型基礎(chǔ)，其外護(hù)套材料為以聚氯乙烯為基料的耐寒材料(以下用H-90表示)，護(hù)套內(nèi)徑為79.7 mm，厚度為3.7 mm。進(jìn)行彈塑性力學(xué)分析時(shí)，需要輸入材料的斷裂拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、切線模量、彈性模量、泊松比、密度6個(gè)參數(shù)，H-90(20 ℃)密度為1 211.4 kg/m3，此項(xiàng)目仿真過(guò)程中不考慮溫度對(duì)材料密度的影響。通過(guò)在低溫箱內(nèi)進(jìn)行彈塑性力學(xué)參數(shù)測(cè)試得到H-90的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

拉伸過(guò)程中受到外部尖銳物體剮蹭，會(huì)在外護(hù)套的外部產(chǎn)生裂紋，會(huì)加劇外護(hù)套開(kāi)裂。如果鎧裝層有毛刺或不平整，會(huì)使電纜外護(hù)套內(nèi)表層存在缺陷或薄厚不均，影響電纜外護(hù)套拉伸過(guò)程的應(yīng)力分布。針對(duì)上述兩種情況分別建立了外部1 mm毛刺和內(nèi)部1.5 mm毛刺的仿真模型，分別見(jiàn)圖2、圖3。

表1　H-90彈塑性力學(xué)溫度特性參數(shù)

圖2　外套外部存在1 mm毛刺仿真模型

圖3　鎧裝層存在1.5 mm毛刺仿真模型

3.2　力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果

3.2.1外套外部存在1 mm毛刺

1 mm外部毛刺H-90護(hù)套料-50 ℃拉伸過(guò)程應(yīng)力與塑性應(yīng)變分布見(jiàn)圖4。

圖4　1 mm外部毛刺H-90護(hù)套料-50 ℃拉伸過(guò)程應(yīng)力與塑性應(yīng)變分布云圖

由圖4可知，應(yīng)力集中位置位于毛刺尖端附近，H-90護(hù)套料-50 ℃拉伸時(shí)，應(yīng)力最大值為39.48 MPa(39.56 MPa)，H-90護(hù)套料0 ℃拉伸時(shí)，應(yīng)力最大值為18.07 MPa(21.87 MPa)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為對(duì)應(yīng)溫度下護(hù)套料抗拉強(qiáng)度。在-50 ℃時(shí)，兩種材料的應(yīng)力最大值等于或略小于實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，在0 ℃時(shí)，兩種材料的應(yīng)力最大值較小于實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明針對(duì)此種缺陷，隨著溫度降低，抗尖銳物體剮蹭能力有變差的趨勢(shì)。

1 mm外部毛刺—H-90護(hù)套料拉伸過(guò)程應(yīng)力分布與塑性應(yīng)變分布見(jiàn)圖5。由圖4b、圖5b可知，在-50 ℃時(shí)的塑性應(yīng)變(0.027 1)小于0 ℃時(shí)塑性應(yīng)變(3.468 9)，也說(shuō)明抗剮蹭能力隨溫度降低而變強(qiáng)。

圖5　1 mm外部毛刺—H-90護(hù)套料拉伸過(guò)程應(yīng)力分布與塑性應(yīng)變分布云圖

3.2.2鎧裝側(cè)存在1.5 mm毛刺

1.5 mm內(nèi)部毛刺—H-90護(hù)套料拉伸過(guò)程應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。由圖6可知，應(yīng)力集中位置位于毛刺尖端附近，H-90護(hù)套料-50 ℃拉伸時(shí)，應(yīng)力最大值為28.60 MPa(39.56 MPa)，H-90護(hù)套料0 ℃拉伸時(shí)，應(yīng)力最大值為15.81 MPa(21.87 MPa)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為試驗(yàn)對(duì)應(yīng)溫度下測(cè)得抗拉強(qiáng)度。在-50 ℃和0 ℃時(shí)，應(yīng)力最大值較小于實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，隨著溫度降低應(yīng)力最大值和實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度兩者差值變大，表征為抗尖刺剮蹭能力變強(qiáng)。

圖6　1.5 mm內(nèi)部毛刺—H-90護(hù)套料拉伸過(guò)程應(yīng)力分布云圖

3.3　電場(chǎng)仿真結(jié)果分析

對(duì)比外部1 mm毛刺和內(nèi)部1.5 mm毛刺2種模型仿真結(jié)果可知，尖刺的長(zhǎng)度對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度影響較大，尖刺長(zhǎng)度越小，尖刺附近應(yīng)力越集中，抗剮蹭能力越差，另外，隨著溫度降低應(yīng)力最大值和實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度兩者差值變大，表征為抗尖刺剮蹭能力變強(qiáng)。在電纜敷設(shè)過(guò)程中，最為常見(jiàn)的外護(hù)套開(kāi)裂原因?yàn)橐靶U施工或缺失敷設(shè)器具造成的電纜外護(hù)套刮傷，因此在電纜敷設(shè)過(guò)程中要嚴(yán)格控制敷設(shè)程序及敷設(shè)工藝。

4　結(jié)論

針對(duì)本文所述的幾個(gè)影響外護(hù)套開(kāi)裂的影響因素，提出以下幾項(xiàng)預(yù)防低溫敷設(shè)過(guò)程中電纜外護(hù)套開(kāi)裂的措施：

a.針對(duì)電纜不同的敷設(shè)和運(yùn)行環(huán)境，選擇性能優(yōu)良的材料制作電纜外護(hù)套，選用具有耐寒性能的材料，可以強(qiáng)化電纜外護(hù)套抗寒性；

b.嚴(yán)格控制電纜加工工藝和敷設(shè)程序及敷設(shè)工藝，避免制造偏差與野蠻施工造成電纜外護(hù)套開(kāi)裂；

c.做好電纜敷設(shè)前的電纜保存工作，防止日光爆曬和長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境；

d.按照規(guī)程[1，4]控制電纜敷設(shè)過(guò)程中的拉力、側(cè)壓力及彎曲半徑，避免因機(jī)械力過(guò)大造成電纜外護(hù)套開(kāi)裂，避免沖擊和不必要刮蹭；

e.進(jìn)行電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇合適的鎧裝結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)合理的增加緩沖層的厚度，防止鎧裝層損壞外護(hù)套。

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