電力電纜敷設(shè)用潤滑劑的性能分析與選擇

閻孟昆，苗付貴，鄧 凱

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072;2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

我國城市化進(jìn)程的加快，電力電纜在電網(wǎng)建設(shè)改造中被廣泛應(yīng)用，電力電纜輸送容量不斷地增大，有的城市架空線路逐步被電纜所替代，城市無桿化已成為城建工作的重要部分［1］。電纜工程敷設(shè)方式的選擇應(yīng)根據(jù)工程條件、環(huán)境特點(diǎn)和電纜類型、數(shù)量等因素確定，且按運(yùn)行可靠、便于維護(hù)的要求和經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的原則來選擇［2］。電力電纜敷設(shè)方式一般分為排管敷設(shè)、溝道敷設(shè)、隧道敷設(shè)、直埋敷設(shè)、水下敷設(shè)，以及上述方式交互結(jié)合的方式敷設(shè)，具體的敷設(shè)方法分為人力敷設(shè)和機(jī)械敷設(shè)。

電纜保護(hù)管有可以提前預(yù)埋、重量輕、穿纜方便等優(yōu)點(diǎn)，使施工時間大大縮短，而且電纜可直接穿于行車道下的保護(hù)管內(nèi)，不需要構(gòu)筑混凝土保護(hù)層，不但保證了施工過程中行車道路的暢通和工期的要求，而且考慮到以后負(fù)荷的增長，還在施工中對電纜保護(hù)管進(jìn)行了預(yù)留，避免了硬化道路的再次開挖［3］。相對于電纜溝敷設(shè)，排管敷設(shè)可適當(dāng)減少征地，電纜工井可根據(jù)現(xiàn)場實地情況做相應(yīng)調(diào)整，靈活性較高。排管敷設(shè)防火性能突出，可有效阻止火勢蔓延，相對于電纜溝敷設(shè)可降低部分造價［4］。因而，越來越多的電纜工程選用排管敷設(shè)方式，本文也是基于排管敷設(shè)展開探討。

對于大截面的三芯電纜，由于電纜自重大，敷設(shè)時通常通過鋼網(wǎng)套進(jìn)行牽引敷設(shè)，所有的牽引力均受力于電纜外護(hù)套上，因而不能施加太大的牽引力，否則容易出現(xiàn)外護(hù)套破損，引起電纜線芯受潮浸水。對于單芯電纜敷設(shè)，不僅要防止護(hù)套破損后的受潮浸水，更重要的是防止出現(xiàn)電纜屏蔽或鎧裝層的異常接地，造成交叉互聯(lián)失效或多點(diǎn)接地的嚴(yán)重故障［5］。保證電纜敷設(shè)過程中不被損壞，顯得尤為重要。

1 電力電纜敷設(shè)用潤滑劑的應(yīng)用

1.1 敷設(shè)時常用的排管及潤滑劑

排管敷設(shè)時，為了降低電纜損耗及提高電纜敷設(shè)效率，一般均會使用潤滑材料，傳統(tǒng)采用的潤滑材料是黃油之類的工業(yè)油脂或洗衣粉水、肥皂水及滑石粉。不同的潤滑材料，其潤滑效果差異較大，表1是電纜敷設(shè)時常用的排管摩擦系數(shù)［6］，表2是電纜表面使用潤滑材料后的摩擦系數(shù)。

表1 常用的排管摩擦系數(shù)

1.2 潤滑劑對敷設(shè)影響的理論計算

通過示例來說明選用不同的潤滑材料，在排管敷設(shè)過程中的差異。

表2 電纜表面使用潤滑材料后的摩擦系數(shù)

假設(shè)按圖1的兩種方案進(jìn)行敷設(shè)，管道的初始摩擦系數(shù)為0.4，使用不同的潤滑材料后分別降低為0.2和0.1。電纜型號為YJLW03 64/110 1×630，電纜單位重量12 kg/m，敷設(shè)路徑按圖1的A-F和F-A兩個方向，BC段彎曲半徑4 m，DE段彎曲半徑3 m［7］。電纜的起始牽引力為1764 N。按GB 50168提供的公式計算側(cè)壓力和牽引力，計算出敷設(shè)過程中摩擦系數(shù)分別為0.4、0.2和0.1時所需要的牽引力和電纜承受的側(cè)壓力，見表3。

表3 電纜敷設(shè)時的牽引力和側(cè)壓力

GB 50168對電纜敷設(shè)的最大牽引強(qiáng)度要求見表4，按該表計算出示例中的電纜最大允許牽引力為44100 N。GB 50168中規(guī)定最大允許側(cè)壓力為3000 N/m。

表4 電纜最大允許牽引強(qiáng)度 (單位:N/mm2)

從表3可見，在摩擦系數(shù)μ=0.4的情況下敷設(shè)電纜，無論從哪個方向敷設(shè)，電纜承受的牽引力和側(cè)壓力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;μ=0.2的情況下敷設(shè)電纜，兩個方向敷設(shè)時的側(cè)壓力也均超過了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。只有當(dāng)μ=0.1時，才能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，不會對電纜造成損傷。

工程實踐的經(jīng)驗教訓(xùn)及上述的理論計算，充分顯示了若電纜敷設(shè)安裝不當(dāng)，會影響整個回路的長期可靠運(yùn)行、縮短使用壽命、危害安全以及帶來相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。因而，實際的工程應(yīng)用中，對電纜敷設(shè)安裝均提出了更高的要求。如何更快更好地將電纜敷設(shè)于排管中，選擇合適的電纜潤滑劑成為電纜施工中急需解決的問題。

圖1 電纜敷設(shè)示意圖

2 電纜潤滑劑的性能對比

電纜潤滑劑雖然只在敷設(shè)時使用，但其性能要求很高，除了要減少敷設(shè)過程中的摩擦力，還應(yīng)該考慮其與電纜的護(hù)套層及電纜絕緣屏蔽的兼容性，不能腐蝕電纜護(hù)套及影響電纜的整體電氣性能。國外很早就對電纜潤滑劑提出了完整的測試要求，本文以IEEE 1210—2004為基礎(chǔ)，對三種國內(nèi)常用的電纜潤滑劑產(chǎn)品的材料性能、實際潤滑效果和外觀方面進(jìn)行了詳細(xì)對比。

2.1 材料性能比較

2.1.1 按IEEE 1210測試的結(jié)果

選用了國內(nèi)常用的三種潤滑劑進(jìn)行對比分析，潤滑劑A(進(jìn)口WL-QT)，潤滑劑B(國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn))，潤滑劑C(國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn))，測試結(jié)果見表5。

表5 電纜潤滑劑對比試驗結(jié)果

2.1.2 測試數(shù)據(jù)分析對比

(1)與PVC外護(hù)套兼容性分析

試驗方法:在電纜PVC外護(hù)套外均勻涂覆三種潤滑劑，接著將電纜放置在100℃±1℃的烘箱中120 h，然后按GB/T 2951.11測試外護(hù)套抗張強(qiáng)度變化率和斷裂伸長率變化率。

從表5可知，涂覆進(jìn)口WL-QT潤滑劑(潤滑劑A)的電纜外護(hù)套抗張強(qiáng)度變化率及斷裂伸長率變化率分別為5%和6%，對外護(hù)套性能影響不大;涂覆潤滑劑B和潤滑劑C的電纜外護(hù)套抗張強(qiáng)度變化率均超過30%，斷裂伸長率變化率均超過80%，顯而易見，這會造成電纜在運(yùn)行過程中外護(hù)套破裂。

(2)與PE外護(hù)套兼容性分析

試驗方法:在電纜PE外護(hù)套外均勻涂覆三種潤滑劑，接著將電纜放置在室溫下96 h，然后按GB/T 2951.11測試耐環(huán)境應(yīng)力開裂，外護(hù)套沒有破裂，故A、B、C三種潤滑劑對PE外護(hù)套電纜影響不大。

(3)三種潤滑劑與電纜絕緣屏蔽層兼容性分析

1)試驗樣品準(zhǔn)備

如圖2進(jìn)行試驗樣品準(zhǔn)備。

a)在YJV 1×185 8.7/15 kV電纜上切兩段230 mm長樣品，去除所有外層覆蓋物直到露出絕緣屏蔽層;

b)準(zhǔn)備兩段長度為158 mm的熱縮管，熱縮管充分收縮后內(nèi)徑為原始內(nèi)徑的65%～85%，熱縮管內(nèi)部無密封劑;

c)在230 mm長電纜樣品上，以中心點(diǎn)對稱涂抹兩段6 mm寬的導(dǎo)電銀涂層，兩段銀涂層之間相隔165 mm;

d)在一個電纜樣品中間50 mm區(qū)域整個圓周涂抹約3 mm厚的電纜潤滑劑，另一個不用涂抹潤滑劑，以便對比;

e)在電纜樣品表面從兩端收縮熱縮管。

圖2 潤滑劑與電纜絕緣屏蔽兼容性試驗樣品

2)絕緣屏蔽電阻率的測量

在樣品放入烘箱進(jìn)行老化前，按IEEE 1210要求，測量并記錄兩個樣品的初始數(shù)據(jù)。后續(xù)試驗數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)要求的時間及溫度讀出。上述試驗測量出的電阻值可按照下式轉(zhuǎn)換為體積電阻率:

式中，ρ為體積電阻率(Ω·m);R為測量電阻(Ω);D為導(dǎo)電部件的外徑(cm);d為導(dǎo)電部件的內(nèi)徑(cm);L為電極間的距離(cm);n為老化天數(shù);t為測量電阻時的溫度。

3)潤滑劑在半導(dǎo)電材料上的穩(wěn)定性確定

試驗時，在不少于42d的周期內(nèi)，如果下式滿足，則說明潤滑劑在半導(dǎo)電材料上的穩(wěn)定性得到驗證。

式中，ρ為在第n、n－14和n－42 d分別測出的體積電阻率。

當(dāng)n=42天時，則第一天ρ讀數(shù)作為ρ(n－42);所有的體積電阻率的計算都要被記錄，包括初始值ρ0和最終值ρn。

體積電阻率讀數(shù)應(yīng)該按照下述要求進(jìn)行:

在初始讀數(shù)讀出前，樣品應(yīng)在90℃±2℃下預(yù)老化18 h，然后冷卻。

第1、3、7、14、28、42 d的老化試驗溫度為90℃±2℃。所有樣品冷卻到20～30℃(所有測試參數(shù)必須在同一溫度下±2℃范圍內(nèi)讀出)進(jìn)行讀數(shù)，然后放入熱老化箱繼續(xù)老化。在任何情況下，都要在樣品從烘箱拿出4 h以后再進(jìn)行讀數(shù)。

如果42 d試驗時間已到，上述方程式中的等式不能滿足，即潤滑劑在半導(dǎo)電材料上不能顯示出穩(wěn)定性，則老化試驗要繼續(xù)進(jìn)行，并且以14 d為一個時間間隔進(jìn)行讀數(shù)，直到穩(wěn)定性得以體現(xiàn)，或試驗達(dá)到92 d。

4)結(jié)果分析

如表5，潤滑劑B及潤滑劑C從第一天起絕緣屏蔽的體積電阻率就變得很高，說明本來是半導(dǎo)電的絕緣屏蔽層中的碳被潤滑材料析出后變?yōu)榻^緣的了，這相當(dāng)于改變了電力電纜的結(jié)構(gòu)特性，對使用影響較大;潤滑劑A直到實驗結(jié)束的第42 d都沒有大的變化，說明其不會改變絕緣屏蔽層的半導(dǎo)電性能，可以正常使用。

2.2 實際效果模擬試驗

通過理論計算和材料性能分析，發(fā)現(xiàn)電纜專用潤滑劑和普通潤滑劑方面存在很大差異。為了更好地測試現(xiàn)場使用的效果，專門設(shè)計了試驗方法來進(jìn)行研究。

為了得到均勻的牽引速度，避免本身牽引力忽大忽小、無法穩(wěn)定，影響測試準(zhǔn)確度，試驗在一臺大型的架空導(dǎo)線拉伸強(qiáng)度測試儀上進(jìn)行，測試用的電纜為一根6 m長的電力電纜，型號規(guī)格為YJV22－8.7/10 3×240 mm2。試驗時電纜會在牽引力的作用下在預(yù)先固定好的玻璃鋼管中穿行。在電纜頭部的牽引裝置和設(shè)備之間有一臺數(shù)顯式拉力測試儀，可以全程記錄牽引拉力并讀出平均值，如圖3。

圖3 模擬試驗示意圖

2.2.1 試驗過程

牽引速度為勻速1 m/min，拉力測量記錄時間為2 min，即記錄2 min內(nèi)的全程拉力值，然后讀出拉力平均值。

(1)未涂抹任何潤滑劑，直接牽引電纜，經(jīng)測量記錄，拉力平均值為218.3 N;

(2)如圖3，在電纜外護(hù)套約4 m的區(qū)域內(nèi)涂抹潤滑劑A，經(jīng)測量記錄，拉力平均值為135.2 N。測試完成后，清洗電纜外護(hù)套涂抹區(qū)域;

(3)在電纜外護(hù)套約4 m的區(qū)域內(nèi)涂抹潤滑劑B，經(jīng)測量記錄，拉力平均值為147.7 N。測試完成后，清洗電纜外護(hù)套涂抹區(qū)域;

(4)在電纜外護(hù)套約4 m的區(qū)域內(nèi)涂抹潤滑劑C，經(jīng)測量記錄，拉力平均值為169.5 N。測試完成后，清洗電纜外護(hù)套涂抹區(qū)域。

2.2.2 計算摩擦力降低率

不使用潤滑劑時的拉力為N，使用三種潤滑劑后的拉力分別為N1、N2、N3;摩擦力f=μ·N，故摩擦力降低率σ為:

從以上計算得出，使用潤滑劑A具有最高的摩擦力降低率，可以使電纜敷設(shè)過程中電纜與排管壁的摩擦力降到最小。

2.3 外觀對比

潤滑劑A是水溶性膠狀物質(zhì)，沒有氣味，干燥后在電纜外形成一層薄膜，幾個月內(nèi)仍然有潤滑的特性。無毒無害，安全環(huán)保，用水即可徹底清洗。另外兩種電纜潤滑劑，均帶有一定氣味，涂在電纜上時，電纜表面特別容易粘附雜質(zhì)，且不溶于水。

3 電纜潤滑劑選擇要點(diǎn)

在電纜敷設(shè)過程中，不同的材料產(chǎn)生的潤滑效果差異十分明顯，電纜潤滑劑的選用顯得尤其重要，良好的潤滑劑需要具備以下一些要求:

(1)具有很好的潤滑效果，摩擦系數(shù)足夠低，一般要求低于0.15。能夠適應(yīng)各種類型電力電纜的牽引，特別是大截面重型電纜的牽引，可以最大程度地減小拉力，尤其是電纜穿過導(dǎo)管和轉(zhuǎn)角時所需的拉力。在長距離、多次彎曲及高溫的環(huán)境中使用效果更佳。

(2)與電纜護(hù)套具有良好的兼容性。不能因為使用潤滑劑而大幅降低電纜外護(hù)層的物理性能，電纜潤滑劑的使用，主要是防止電纜敷設(shè)過程中損傷電纜護(hù)套，試驗中的潤滑劑B和C與電纜PVC外護(hù)套相互作用，斷裂伸長率變化率大幅下降，長期運(yùn)行將導(dǎo)致電纜外護(hù)套開裂。

(3)與電纜絕緣屏蔽具有良好的兼容性。雖然電纜敷設(shè)過程中，潤滑劑并不與絕緣屏蔽直接接觸，但在電纜附件安裝或電纜護(hù)層破損后將接觸到絕緣屏蔽層，因而IEEE 1210對該項目進(jìn)行了長達(dá)42 d的加速測試。

(4)具有不助燃或阻燃性能。電纜運(yùn)行規(guī)程中允許短時導(dǎo)體溫度達(dá)到250℃，由于排管敷設(shè)時電纜的散熱條件不理想，或其它原因產(chǎn)生放電時極有可能引發(fā)火焰，隨著供電可靠性的提高，電纜回路的應(yīng)用不斷增加，越來越多地采用阻燃電纜，阻燃電纜必須選用阻燃電纜潤滑劑。

(5)電纜潤滑劑要環(huán)保，不易粘附于施工人員皮膚與衣物上。國內(nèi)電纜潤滑劑的應(yīng)用仍然以人工涂抹為主，要避免對施工人員產(chǎn)生生理上的傷害。

4 結(jié)束語

電纜潤滑劑可極大地方便電纜的敷設(shè)，在中高壓電纜施工中已廣泛應(yīng)用。因電纜潤滑劑僅在敷設(shè)時才使用，且用量不多，費(fèi)用低，故沒有引起各方足夠的重視。通過以上分析，電纜潤滑劑不僅對電纜敷設(shè)過程十分重要，對電纜整個運(yùn)行壽命均有很大影響，選擇性能良好的電纜潤滑劑不僅可有效地降低敷設(shè)時的摩擦力及牽引拉力，從而降低電纜外護(hù)套及電纜受損的概率，也可使電纜實際使用壽命及運(yùn)行可靠性大為提高。

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