電纜低溫敷設(shè)外護套開裂影響 　　因素分析及力學(xué)仿真

楊代勇，王　朔，楊　明，孫友群，敖　明

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春　130021)

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

1　電纜外護套作用及厚度要求

電纜外護套作用有兩個，一是保護作用，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，外護套就直接起到對主絕緣的保護和密封作用；二是絕緣作用，由于電纜運行時導(dǎo)體電流的電磁感應(yīng)，在金屬護層(金屬護套和銅屏蔽層)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，一旦金屬護套多點接地，金屬護套內(nèi)由于感應(yīng)電壓的存在將產(chǎn)生巨大的環(huán)流，不僅嚴重影響電纜的載流量，甚至可能會引起火災(zāi)。

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

規(guī)程[1，4]對電纜的厚度做了一般要求，若無其他規(guī)定[1]，擠包護套厚度TS(mm)應(yīng)按下列公式計算：

TS=0.035D+1.0

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

2　外護套開裂影響因素

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

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

2.1　材料機械性能的影響

電力系統(tǒng)應(yīng)用的主要電纜類型為橡塑電纜，電纜外護套多采用聚氯乙烯(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套時受擠出溫度和冷卻速度影響易結(jié)晶，機械性能受較大影響，低溫環(huán)境下其脆性強，在敷設(shè)過程中易受沖擊機械力而發(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)過程中聚氯乙烯護套受到機械力沖擊時不宜發(fā)生損傷，通過添加增塑劑可以大大提高其低溫機械性能。

2.2　加工工藝的影響

塑料擠出主要是利用塑料的可塑性。一般將整個過程分為3個階段：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)變率及作用時間等因素。鎧裝電纜護套擠塑工藝存在的主要問題是護套擠出冷卻不夠，模具配制不合理，拉伸比過大，造成護套中內(nèi)應(yīng)力過大。

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，護套會緊緊的包裹在鎧裝鋼帶上，形成預(yù)應(yīng)力，使得鋼帶無法左右移動，在鋼帶的邊緣部分的護套厚度最薄，在電纜彎曲或拉伸時，這些薄弱點受機械應(yīng)力作用容易導(dǎo)致護套開裂[3]，而聚氯乙烯收縮率普遍在0.2%～0.6%，預(yù)應(yīng)力小，不會使得鋼帶無法左右移動，從而也不會發(fā)生在鋼帶外面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

2.3　外部機械力的影響

電纜敷設(shè)是電纜線路建設(shè)工作的重要環(huán)節(jié)。實際敷設(shè)過程中造成電纜外護套開裂主要原因為施工隊伍水平參差不齊，施工流程、施工方法也不夠規(guī)范。施工過程缺少卷揚機、履帶牽引機、張力計、電纜盤制動裝置等必須的施工器材。施工完全靠人工或者拖拉機、卡車牽引放線，放線張力無法控制，無制動，放線速度也時快時慢，容易造成電纜在施工過程中彎曲半徑過小，受力過大，同時放線過程中電纜在地面摩擦，也加劇了電纜護套的開裂。綜上可知，電纜敷設(shè)過程中主要受到牽引力、彎曲力、側(cè)壓力、摩擦力的作用，對各種力的控制規(guī)程給出明確要求[4]。

2.4　外部環(huán)境的影響

電纜外護套對電纜起保護作用，與電纜存放、敷設(shè)、運行的外界環(huán)境直接接觸，因此環(huán)境對電纜外護套的開裂有很大影響，主要表現(xiàn)在環(huán)境溫度、光照強度、接觸物質(zhì)。環(huán)境的溫度高低直接影響護套材料的各項物理機械性能。

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

環(huán)境介質(zhì)對電纜護套的開裂有很大影響，尤其是對于直埋敷設(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的表面活性劑，這些表面活性劑由于具有很高的活動性和潤滑性，能進入聚合物的裂紋中被吸附而降低聚合物的表面能，增加儲能，從而容易使裂紋擴大，促使裂紋擴大，進而使材料產(chǎn)生延性開裂。

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)見圖1。除了外護套的厚度及電纜的尺寸對外護套開裂有較大影響外，導(dǎo)致電纜外護套開裂主要為鎧裝層。

圖1　10 kV耐寒電纜結(jié)構(gòu)圖

規(guī)程[4]對電纜外護套的厚度有明確規(guī)定，護套厚度太薄會影響拉伸強度，當電纜直徑尺寸變大時，生產(chǎn)、存放及敷設(shè)過程中會因為彎曲導(dǎo)致護套承受的彎曲應(yīng)力變大。此10 kV耐寒電纜鎧裝前的尺寸為76.5 mm，對于大外徑電力電纜，當鎧裝前電纜直徑大于70 mm時，鎧裝鋼帶的厚度要求為0.8 mm，鋼帶厚了，強度大了，剛性也強了，塑性將變差，繞包過程中將產(chǎn)生較大的反彈趨勢，加劇護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很大，相對于小外徑電纜，鎧裝層表面更不平整[6]。在擠塑聚乙烯外護套時，一般只在鎧裝鋼帶與外護套間增加一層0.2 mm厚的無紡布作為緩沖層，以減小鎧裝層對護套層的影響，對于大外徑電纜，0.2 mm厚的緩沖層根本不能解決鎧裝表面不平整，在護套擠出時，護套經(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套厚度最薄，護套在冷卻收縮過程中鎧裝鋼帶毛邊容易刺破緩沖層切入護套內(nèi)，增加了護套開裂的概率。

3　力學(xué)仿真分析

機械力作用是導(dǎo)致電纜外護套開裂的最直接原因。電纜在敷設(shè)過程中會受到拉伸、彎曲、擠壓、摩擦等，產(chǎn)生牽引力、側(cè)壓力、摩擦力、重力等機械力。除了牽引力、側(cè)壓力兩項機械力作用及彎曲變形外，一些內(nèi)部或外部缺陷也會在電纜敷設(shè)過程中對電纜外護套造成損壞，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；另一種是電纜外護套被尖銳物體割傷或受到較大摩擦力。本文針對這兩種缺陷情況進行了力學(xué)仿真分析，特別進行了低溫對應(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)，護套內(nèi)徑為79.7 mm，厚度為3.7 mm。進行彈塑性力學(xué)分析時，需要輸入材料的斷裂拉伸強度、屈服點、切線模量、彈性模量、泊松比、密度6個參數(shù)，H-90(20 ℃)密度為1 211.4 kg/m3，此項目仿真過程中不考慮溫度對材料密度的影響。通過在低溫箱內(nèi)進行彈塑性力學(xué)參數(shù)測試得到H-90的力學(xué)參數(shù)見表1。

拉伸過程中受到外部尖銳物體剮蹭，會在外護套的外部產(chǎn)生裂紋，會加劇外護套開裂。如果鎧裝層有毛刺或不平整，會使電纜外護套內(nèi)表層存在缺陷或薄厚不均，影響電纜外護套拉伸過程的應(yīng)力分布。針對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護套料-50 ℃拉伸過程應(yīng)力與塑性應(yīng)變分布見圖4。

圖4　1 mm外部毛刺H-90護套料-50 ℃拉伸過程應(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護套料-50 ℃拉伸時，應(yīng)力最大值為39.48 MPa(39.56 MPa)，H-90護套料0 ℃拉伸時，應(yīng)力最大值為18.07 MPa(21.87 MPa)，括號內(nèi)數(shù)值為對應(yīng)溫度下護套料抗拉強度。在-50 ℃時，兩種材料的應(yīng)力最大值等于或略小于實測抗拉強度，在0 ℃時，兩種材料的應(yīng)力最大值較小于實測抗拉強度，說明針對此種缺陷，隨著溫度降低，抗尖銳物體剮蹭能力有變差的趨勢。

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

圖5　1 mm外部毛刺—H-90護套料拉伸過程應(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護套料拉伸過程應(yīng)力分布見圖6。由圖6可知，應(yīng)力集中位置位于毛刺尖端附近，H-90護套料-50 ℃拉伸時，應(yīng)力最大值為28.60 MPa(39.56 MPa)，H-90護套料0 ℃拉伸時，應(yīng)力最大值為15.81 MPa(21.87 MPa)，括號內(nèi)數(shù)值為試驗對應(yīng)溫度下測得抗拉強度。在-50 ℃和0 ℃時，應(yīng)力最大值較小于實測抗拉強度，隨著溫度降低應(yīng)力最大值和實測抗拉強度兩者差值變大，表征為抗尖刺剮蹭能力變強。

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

3.3　電場仿真結(jié)果分析

對比外部1 mm毛刺和內(nèi)部1.5 mm毛刺2種模型仿真結(jié)果可知，尖刺的長度對材料的抗拉強度影響較大，尖刺長度越小，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)力最大值和實測抗拉強度兩者差值變大，表征為抗尖刺剮蹭能力變強。在電纜敷設(shè)過程中，最為常見的外護套開裂原因為野蠻施工或缺失敷設(shè)器具造成的電纜外護套刮傷，因此在電纜敷設(shè)過程中要嚴格控制敷設(shè)程序及敷設(shè)工藝。

4　結(jié)論

針對本文所述的幾個影響外護套開裂的影響因素，提出以下幾項預(yù)防低溫敷設(shè)過程中電纜外護套開裂的措施：

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

b.嚴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套開裂；

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

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

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

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