110 kV交聯聚乙烯電纜鋁護套力學性能的研究

于欽學， 任文娥， 岳振國， 金金元， 趙 苗， 徐 陽， 鐘力生

（1.西安交通大學電氣絕緣研究中心，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交聯聚乙烯電纜鋁護套力學性能的研究

于欽學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、機械等諸多性能的優劣直接關系著電力系統的安全與可靠運行。對110kV高壓交聯聚乙烯電力電纜不同制造工藝的鋁護套（如擠鋁、氬弧焊鋁）進行力學性能研究，結果表明擠壓工藝生產的鋁護套力學性能優于氬弧焊的，但是氬弧焊的動態力學損耗因數小于擠壓的，氬弧焊有縫處的動態力學損耗因數大于無縫處的。兩種鋁護套的動態力學損耗因數都在頻率84Hz附近出現峰值。

交聯聚乙烯電纜；鋁護套；力學性能

0 引 言

隨著電力系統的飛速發展，輸變電系統的電壓等級不斷升高，對其系統所用的材料、設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、機械性能、抗老化性能等的優劣會直接影響輸變電系統的安全運行［1，2］，因此，不論是電力系統還是科研院所都投入了大量的人力物力進行研究，研究論文也層出不窮。但是，有關電力電纜鋁護套不同制造工藝的力學性能的研究文獻卻比較少，為此，本文主要選擇不同制造工藝的鋁護套，進行靜態力學性能及動態力學性能的實驗研究，通過比較，得到了一些有實際意義的規律性實驗結果。

通常情況下，高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜鋁護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進行和完成，由于其成本高，工藝復雜，能耗大而很少采用；氬弧焊是由冷軋鋁板卷包成型后，再用氬弧焊接機焊接而成，工藝流程簡單、能耗低、耗時少、生產成本低，因此采用較多，不足之處是存在焊縫，需要對焊接的電纜進行浸水和氣密性試驗；擠壓鋁是連續包覆擠壓技術，是20世紀80年代發展起來的一種比較先進的生產工藝，其特點是成本低、節能、效率高、方便安全。

本文主要用材料拉伸機和DMA/SDTA861e型動態力學測試儀，對擠壓鋁和氬弧焊兩種工藝制作的XLPE電纜鋁護套進行靜態力學、動態力學的性能對比分析和研究。

1 試樣制備

為了區分不同的試樣，對兩種鋁護套試樣進行統一編號，測量樣品尺寸，對比兩種鋁護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套；JL為擠壓工藝制作的鋁護套。

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

圖1 拉伸試驗使用的試樣

圖2 動態力學試驗使用的試樣

2 試驗結果與分析討論

2.1 拉伸試驗

（1）縱向抗拉強度與伸長率

強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套的塑性。鋁護套（JL、YH）抗拉強度和伸長率的計算結果如表1、表2所示。

表1 抗拉強度 （單位：N/mm2）

表2 伸長率 （單位：%）

縱向拉力與伸長量關系曲線如圖3所示。

圖3 拉伸力與伸長量關系曲線

（2）橫向抗拉強度與伸長率

橫向拉力與伸長量關系曲線如圖4所示。抗拉強度和伸長率計算結果如表3、表4所示。

圖4 拉伸力與伸長量關系曲線

表3 抗拉強度 （單位：N/mm2）

表4 伸長率 （單位：%）

（3）試驗結果與討論

從以上試驗結果可以看出，擠壓鋁試樣的縱向和橫向的抗拉強度都高于氬弧焊的，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%，遠遠小于擠壓鋁的44.47%，表明擠壓鋁試樣的強度和塑性都優于氬弧焊的。

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

2.2 動態力學試驗

（1）實驗方法與原理

動態力學試驗［8-11］采用單懸臂模式，原理如圖5所示。試樣的一端固定，另一端施加一個變化著的頻率的振動。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，可根據下式計算：

圖5 單懸臂模式原理圖

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

式中：M′為貯能模量，與彈性的、可回復的貯能能量成正比（MPa）；M″為能耗模量，與轉化成熱的、不可回復的損耗能量成正比（MPa）；δ為力和位移的相位差，tanδ為動態力學損耗因數（以下簡稱損耗因數）。對于完全的彈性材料，無相位差，δ=0°；對于完全粘性材料，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。這是由于當損耗因子tanδ值越大時，外界對材料做的功則大部分轉化為能耗模量，使得材料的溫度升高，導致材料內部價鍵破壞，加速材料的分解。

（2）試樣編號與尺寸

氬弧焊與擠壓鋁試樣的編號與尺寸如表5、表6所示。

表5 氬弧焊鋁護套編號及厚度參數 （單位：mm）

表6 擠壓鋁護套編號及厚度參數 （單位：mm）

（3）試驗結果與分析討論

對于電纜的金屬鋁護套而言，tanδ的值越小，則護套的彈性越好，其延展性也就越好，更有利于保護內部絕緣；相對而言，如果tanδ的值太大，當受外界作用時，溫度很容易升高，不僅會損害內部絕緣，還會加速護套本身的分解。實驗采用單懸臂模式。首先用儀器對樣品Y1用單懸臂做一條力與位移的變化曲線。設置溫度25℃，頻率1 Hz，位移從1μm到50μm的變化區間，35μm的位移大約對應10 N的力。最后選定單懸臂實驗方案為：設置力為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取一個點。本實驗將主要通過給鋁護套施加一個頻率變化的力，測出材料的損耗因數隨頻率的變化曲線，然后對比兩種鋁材料護套的變化曲線，分析其影響因素。

根據以上實驗方案，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峰值比無縫的大。

從圖7～圖9可以看出，擠壓鋁護套試樣的損耗因數峰值均大于氬弧焊鋁護套試樣的。擠壓鋁、氬弧焊縱向橫向試樣的動態損耗因數均在84 Hz左右出現最大值。

圖6 氬弧焊橫向有縫與無縫處損耗因數隨頻率的變化

圖7 氬弧焊橫向無縫與擠鋁橫向試樣的損耗因數隨頻率的變化

圖8 縱向鋁護套試樣損耗因數隨頻率的變化

圖9 橫向鋁護套試樣損耗因數隨頻率的變化

3 結 論

通過研究擠壓與氬弧焊兩種不同生產工藝制備的鋁護套的力學性能，可以得出以下結論：

（1）擠壓縱向和橫向試樣的抗拉強度都高于氬弧焊的，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%，遠遠小于擠壓鋁試樣的44.47%，表明擠壓鋁試樣的強度和塑性都優于氬弧焊的。

（2）雖然氬弧焊橫向鋁護套試樣有焊縫和無焊縫處的抗拉強度變化不是很大，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）氬弧焊鋁護套，有焊縫處的動態力學損耗因數比無縫處的大，這說明焊縫處的延展性沒有無縫處的好，焊縫會是氬弧焊護套的一個薄弱環節。

（4）擠壓鋁試樣的動態損耗因數明顯比氬弧焊的要大，所有試樣的動態損耗因數均在84Hz出現最大值。

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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（1960-），男，高級工程師.

作者地址：陜西西安市咸寧西路28號［710049］.