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)值模擬的方法對其冷卻效果及交聯(lián)聚乙烯的材料性能進(jìn)行驗證和分析。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)果證實了水冷方法的有效性，對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值。

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

中圖分類號：TM307 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

隨著社會工業(yè)的不斷發(fā)展，對電力的需求越來越大，在電力傳輸過程中，會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)、場地、運輸?shù)纫蛩氐南拗?，塑料絕緣電力電纜般的長度為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，以滿足設(shè)計施工的要求[3-5]。

目前，電力電纜的連接延長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)，來實現(xiàn)電力電纜的連接延長[6]。然而，聚乙烯絕緣材料目前多采用自然冷卻方式，固化時間達(dá)到幾個小時，嚴(yán)重影響了電力電纜的施工時間，尤其不適用于電纜搶修的場合。因此，如何縮短絕緣層的冷卻時間成了一個亟待解決的問題，也是本文的研究目的。

2 ?冷卻方案設(shè)計

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，固化時間達(dá)到幾個小時，急需改進(jìn)。

縮短固化時間的有效方法加強(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，本文對水冷卻法、風(fēng)冷卻法和自然冷卻法在冷卻時間上進(jìn)行對比，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，本文采用計算機(jī)數(shù)值模擬的計算方法，即采用有限元法劃分網(wǎng)格，對水冷法、風(fēng)冷法和自然冷卻法的冷卻時間和溫度場分布進(jìn)行了分析對比，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，冷卻時間約為2.22h。

由圖12-圖14可以看出，水冷的效果最好，冷卻時間只有1.25h。

為進(jìn)一步對冷卻效果進(jìn)行分析，本文對三種冷卻方式（自然冷卻，風(fēng)冷，水冷）的冷卻時間（數(shù)值模擬計算得出）進(jìn)行了定量對比，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

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

（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，冷卻時間5h;

（3）拉伸試驗結(jié)果（試驗速度25±5mm/min，測試溫度23±2℃）如表1所示。

（4）密度試驗結(jié)果如表2所示。

通過對兩組試驗的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：急冷時試樣拉伸強(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。這一點對現(xiàn)場搶修來說尤其重要。

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分布均勻，冷卻時間由將近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，可以說對交聯(lián)聚乙烯進(jìn)行強(qiáng)制冷卻是可行的，這一點對于現(xiàn)場搶修具有極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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