一種電纜熔融接頭的快速冷卻方法

蔡曉海 南永輝 劉毓彬

摘 ? 要：為解決電纜熔融接頭的快速冷卻問題，分別采用強(qiáng)制風(fēng)冷和夾層水套冷卻法對(duì)包裹電纜熔融接頭的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料層進(jìn)行快速冷卻，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其冷卻效果及交聯(lián)聚乙烯的材料性能進(jìn)行驗(yàn)證和分析。模擬結(jié)果表明，水冷效果優(yōu)于風(fēng)冷方式。與自然冷卻方式相比，冷卻時(shí)間極大縮短，拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變均顯著提高。所得結(jié)果證實(shí)了水冷方法的有效性，對(duì)于解決普遍存在的電纜熔融接頭的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料層的快速冷卻問題具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯 ?水冷方式 ?冷卻時(shí)間 ?拉伸強(qiáng)度 ?斷裂拉伸應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TM307 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0088-04

Abstract：In order to solve the problem of rapid cooling of cable fusion joints， the interlayer water jacket are used for rapid cooling the cross-linked polyethylene insulation material whith wrap the cable fusion joints，and the numerical simulation are used to check and analyse the cold effection and material properties.The simulation results show that the cooling time are greatly shortened and the tensile strength and fracture Tensile strain are significantly increased. The results confirm that the cooling method is effective，and which has a certain reference value for solving the repid cooling problem of the cross-linked polyethylene insulation material.

Key Words： Cross-linked polyethylene; Cooling time; Tensile strength; Fracture Tensile Strain

1 ?引言

隨著社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電力的需求越來越大，在電力傳輸過程中，會(huì)使用到大量的電力電纜，其中電力電纜是在電力系統(tǒng)的主干線路中用于傳輸和分配大功率電能的電纜產(chǎn)品，包括3.6～500kV及以上各種電壓等級(jí)的各種絕緣的電力電纜[1-2]。由于塑料絕緣電力電纜的生產(chǎn)技術(shù)、場(chǎng)地、運(yùn)輸?shù)纫蛩氐南拗疲芰辖^緣電力電纜般的長(zhǎng)度為500～1000m/卷，但是城市地下電網(wǎng)、發(fā)電站的引出線路、工礦企業(yè)的內(nèi)部供電及過江、過海的水下輸電線有幾十米、上百米、幾公里、上千公里不等，所以必須把每卷塑料絕緣電力電纜進(jìn)行連接延長(zhǎng)，以滿足設(shè)計(jì)施工的要求[3-5]。

目前，電力電纜的連接延長(zhǎng)通常采用熔接式電纜直通連接及交聯(lián)聚乙烯絕緣技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)電力電纜的連接延長(zhǎng)[6]。然而，聚乙烯絕緣材料目前多采用自然冷卻方式，固化時(shí)間達(dá)到幾個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響了電力電纜的施工時(shí)間，尤其不適用于電纜搶修的場(chǎng)合。因此，如何縮短絕緣層的冷卻時(shí)間成了一個(gè)亟待解決的問題，也是本文的研究目的。

2 ?冷卻方案設(shè)計(jì)

交聯(lián)聚乙烯具有優(yōu)良的耐低溫和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能，作為絕緣材料廣泛應(yīng)用于電線電纜行業(yè)[7]。聚乙烯絕緣材料目前多采用自然冷卻方式，固化時(shí)間達(dá)到幾個(gè)小時(shí)，急需改進(jìn)。

縮短固化時(shí)間的有效方法加強(qiáng)冷卻效果。目前較常見的強(qiáng)化冷卻方法有風(fēng)冷法和水冷法，本文對(duì)水冷卻法、風(fēng)冷卻法和自然冷卻法在冷卻時(shí)間上進(jìn)行對(duì)比，以判斷兩種方法的優(yōu)劣性。其中水冷法采用外加水套的強(qiáng)制冷卻方式，其具體模型結(jié)構(gòu)見圖1所示;風(fēng)冷法采用強(qiáng)風(fēng)外吹的冷卻方式，其具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于涉及到相變管熱，其換熱過程極為復(fù)雜，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的計(jì)算方法，即采用有限元法劃分網(wǎng)格，對(duì)水冷法、風(fēng)冷法和自然冷卻法的冷卻時(shí)間和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)果如圖3-圖15所示。

從圖3-圖8不難看出，采用自然冷卻方式需要接近4h才完成整個(gè)冷卻過程（內(nèi)外溫度達(dá)到一致）。

由圖9-圖11可以看出，風(fēng)冷的效果稍差，冷卻時(shí)間約為2.22h。

由圖12-圖14可以看出，水冷的效果最好，冷卻時(shí)間只有1.25h。

為進(jìn)一步對(duì)冷卻效果進(jìn)行分析，本文對(duì)三種冷卻方式（自然冷卻，風(fēng)冷，水冷）的冷卻時(shí)間（數(shù)值模擬計(jì)算得出）進(jìn)行了定量對(duì)比，結(jié)果如圖15所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，交聯(lián)聚乙烯溫度下降到300K （27℃）所經(jīng)歷的時(shí)間明顯不同，采用水冷方式為約3000s，采用風(fēng)冷方式大約5000 s，采用自然冷卻方式約8000s。不難看出，在聚乙烯外側(cè)加裝水套通水強(qiáng)冷的冷卻方式（水冷卻法）的冷卻效果最好，風(fēng)冷卻法次之，自然冷卻法效果最差。因此，本文推薦采用水冷方式。

3 ?質(zhì)量檢測(cè)

為了檢驗(yàn)水冷方式對(duì)交聯(lián)聚乙烯的性能是否有影響，本文做了以下檢測(cè)試驗(yàn)：

（1）交聯(lián)聚乙烯制備成1±0.1mm的試樣板，熱壓溫度為180℃，預(yù)熱5min，施壓 （壓力10 MPa）5min;

（2）水急冷：保壓10 MPa快速冷卻，冷卻速度60±20℃/min，冷卻時(shí)間80 min;

空氣緩冷：保壓10 MPa的情況下讓物料緩慢冷卻，冷卻時(shí)間5h;

（3）拉伸試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)速度25±5mm/min，測(cè)試溫度23±2℃）如表1所示。

（4）密度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過對(duì)兩組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：急冷時(shí)試樣拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變明顯強(qiáng)于緩冷的試樣，而密度變化不大。所以，可以說采用水冷強(qiáng)制冷卻方式，交聯(lián)聚乙烯的質(zhì)量稍好于自然冷卻。這一點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)搶修來說尤其重要。

4 ?結(jié)語

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用采用水冷方式其溫度場(chǎng)分布均勻，冷卻時(shí)間由將近4h縮短到1h左右。此外，采用水冷強(qiáng)制冷卻方式，交聯(lián)聚乙烯的拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變顯著提高。因此，可以說對(duì)交聯(lián)聚乙烯進(jìn)行強(qiáng)制冷卻是可行的，這一點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)搶修具有極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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