高壓XLPE電纜平滑鋁復合護套的彎曲特性及結構設計

劉 英 陳嘉威 趙明偉 金金元 岳振國

高壓XLPE電纜平滑鋁復合護套的彎曲特性及結構設計

劉 英1陳嘉威1趙明偉1金金元2岳振國2

（1. 西安交通大學電氣工程學院 西安 710049 2. 浙江晨光電纜股份有限公司 平湖 314204）

近年來，頻發(fā)的波紋鋁護套電纜緩沖層燒蝕故障引起了國內電力行業(yè)對平滑鋁護套高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜的廣泛關注，其彎曲性能是限制工程應用的技術難點。該文搭建平滑鋁護套XLPE電纜的四點彎曲三維仿真模型，以內聚力模型模擬膠層的力學行為，研究有/無熱熔膠粘接、緩沖層厚度、非金屬外護套厚度及材料、電纜徑向尺寸等對平滑鋁護套復合結構彎曲性能的影響。結果表明，若鋁護套不與外護套粘接，其抗彎曲變形能力差，易起皺并擠壓內部絕緣；粘接后形成整體復合護套，其抗彎能力與總厚度有關，其中，鋁護套厚度可根據短路容量要求確定，而由外護套補足抗彎強度所需總厚度，且外護套材料彈性模量不應低于800MPa；緩沖層厚度對鋁護套彎曲性能影響較小，主要從吸收絕緣熱膨脹角度進行設計。基于研究結論，試制了110kV平滑鋁護套XLPE電纜并通過型式試驗驗證。

高壓XLPE電纜 平滑鋁復合護套 彎曲性能 熱熔膠 試制和型式試驗

0 引言

為美化環(huán)境和節(jié)約土地資源，地下電力電纜在城市電網建設中得到了廣泛應用[1-4]。金屬護套是高壓電纜中必不可少的結構，具有徑向阻水、承載短路電流、機械保護等功能。目前，常用的金屬護套類型包括波紋型、平滑型及金屬箔塑料復合型。對于交聯聚乙烯絕緣陸地電纜，金屬護套的材料一般為鋁、銅、鉛或其他金屬僅在一些特殊場合使用。例如，在受振動或腐蝕的場合，可以選用波紋銅套或不銹鋼套[5-6]。

歐美國家廣泛采用平滑鋁護套和鋁塑復合護套；而在國內，高壓交聯聚乙烯（Crosslinked Polyethylene, XLPE）電纜幾乎全部采用波紋鋁護套結構，主要利用其優(yōu)異的彎曲性能，降低電纜發(fā)生機械損傷的風險。近年來，國內波紋鋁護套XLPE電纜頻繁發(fā)生緩沖層燒蝕故障，對線路可靠性和電網安全性構成嚴重威脅，這種故障在新加坡、日本等國也時有發(fā)生[7]。雖然針對緩沖層燒蝕的相關研究還未有定論，但金屬護套和絕緣屏蔽電氣接觸不良無疑是引發(fā)故障的重要原因之一。

平滑鋁護套電纜因鋁護套和緩沖層之間為無間隙緊密接觸狀態(tài)，避免了電氣接觸不良的問題，改善了電纜的徑向散熱，增大了層間摩擦力，尤其適合超高壓大截面電纜在高落差環(huán)境中應用。相比于波紋鋁護套電纜，平滑鋁護套電纜的外徑小、質量輕、裝盤長度增加，可以減少線路中的接頭數量，縮小電纜走廊的結構尺寸，具有顯著的經濟效益[8]。隨著行業(yè)發(fā)展和技術進步，國內電纜線路的敷設環(huán)境及施工條件持續(xù)改善，為平滑鋁護套電纜的工程應用創(chuàng)造了條件，激發(fā)了產品研發(fā)需求。

若設計不當，平滑鋁護套在XLPE電纜滿載運行時可能被漲破，在彎曲時起皺、開裂并向內擠壓XLPE絕緣。中國目前尚未掌握平滑鋁護套XLPE電纜的生產及應用技術，相關產品完全依賴進口。例如，2010年上海世博變電站及2012年四川官地水電站工程中安裝的500kV平滑鋁護套XLPE電纜，均由法國耐克森供貨。雖然平滑鋁護套XLPE電纜已在歐美國家應用多年，但各廠家均實行嚴格的技術保密。僅從少量公開文獻可知，這種結構的關鍵在于將金屬護套和非金屬外護套進行有效粘接，以提升電纜的抗彎、抗壓等機械性能[9-11]。

為了配合平滑鋁護套XLPE電纜的產品開發(fā)及工程應用，亟需對其彎曲性能開展全面系統研究。本文通過有限元軟件ABAQUS研究平滑鋁護套XLPE電纜彎曲時的力學行為。首先，建立電纜對應于四點彎曲試驗的三維有限元模型，比較鋁護套與外護套粘接及不粘接情況下電纜彎曲行為的差異，分析內在破壞機理；之后，討論緩沖層厚度、外護套厚度及材料、鋁護套內徑等結構或材料參數對平滑鋁護套電纜機械形變的影響，對不同規(guī)格的電纜提出合理的參數推薦值；最后，設計并試制110kV平滑鋁護套XLPE電纜，通過型式試驗對其性能進行全面校核，驗證設計的合理性。

1 電纜彎曲仿真模型的建立

1.1 電纜的仿真模型

以110kV XLPE電纜為研究對象，除平滑鋁護套結構部分（包括平滑鋁護套、熱熔膠、中密度聚乙烯（Medium Density Polyethylene, MDPE）外護套）為自己設計外，其余采用符合國家標準GB/T 11017.2-2014[12]的常規(guī)產品尺寸參數，見表1，導體標稱截面積為800mm2，絕緣厚度為16mm。

表1 110kV平滑鋁護套XLPE電纜的結構及參數

Tab.1 Structure and parameters of the 110kV XLPE cable with a smooth aluminum sheath（單位: mm）

（續(xù)）

本文主要針對鋁護套及外護套在電纜彎曲時的機械性能展開研究，從不影響分析結果并節(jié)約工作量的角度，對電纜結構進行合理簡化：將電纜絕緣線芯用一個XLPE實心圓柱來等效，稱為XLPE纜芯；半導電緩沖層由不可壓縮部分和空隙兩部分等效，其中，不可壓縮部分厚度為0.5mm，且并入內部的XLPE纜芯當中，由此得到電纜仿真模型及結構參數，見表1。

1.2 材料的力學參數

1.2.1 XLPE、鋁、MDPE、HDPE的力學參數

材料的彈性模量、泊松比以及應力-應變關系可以通過拉伸試驗測量，或查閱文獻數據[6, 13]。

依據GB/T 1040.1-2006的要求[14]，分別對XLPE、MDPE和高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE）制備啞鈴型試樣并進行拉伸試驗，所用設備為CMT-4503型萬能試驗機，拉伸速率設置為100mm/min。

依據GB/T 228.1-2010的要求[15]，對電纜金屬護套用鋁1060（Al 1060）制備啞鈴型試樣并進行拉伸試驗，所用設備為858 MTS復雜環(huán)境監(jiān)測系統，拉伸速率設置為2mm/min。

為了消除拉伸過程中試樣截面變化的影響，需要將由拉伸試驗獲得的工程應力-應變數據轉化為真實屈服應力-塑性應變數據。試驗測得各材料的彈性及塑性參數見表2和表3，泊松比采用文獻數據[13]。

表2 材料的彈性參數

Tab.2 Elastic parameters of materials

表3 材料的塑性參數

Tab.3 Plastic parameters of materials

1.2.2 熱熔膠的力學參數

分析膠層力學行為最常用的是內聚力模型[16]。本文使用ABAQUS中的雙線性張力-位移法則來描述膠層的力學行為，膠層損傷的起始條件為

依據GB/T 2791-1995的要求[17]，進行T剝離強度試驗，加載速率為100mm/min；依據GB/T 7124-2008的要求[18]，進行拉伸剪切強度試驗，加載速率為2mm/min；依據GB/T 1040.1-2006[14]的要求，進行拉伸試驗，加載速率為100mm/min。試驗設備均采用CMT-4503型萬能試驗機，測得膠層各參數見表4。因工程應用中不允許膠層發(fā)生任何損傷，因此，在內聚力模型中，只需保證損傷起始值小于1即可，無需設定損傷演化參數。

表4 內聚力模型中的膠層參數

Tab.4 Parameters of the glue in the cohesive model

1.3 四點彎曲試驗仿真模型

考核彎曲性能常用三點彎曲及四點彎曲試驗。三點彎曲試驗操作簡單，但存在明顯的壓頭效應；四點彎曲試驗中，兩壓頭間為理想彎曲段，可用于有效反映電纜的真實受力狀態(tài)。本文采用四點彎曲模型來研究平滑鋁護套電纜的彎曲性能。

將電纜、壓頭和支座裝配成四點彎曲試驗仿真模型，如圖1所示。其中，電纜長度為2 000mm；參照YB/T 5349-2014[19]，壓頭和支座均為半徑60mm的圓柱；力臂應為跨距的1/3，故兩個壓頭的間距為560mm，而兩個支座的間距為1 680mm。電纜放置于兩支座上，當兩壓頭同時下壓，電纜彎曲，在兩個壓頭之間電纜呈理想彎曲狀態(tài)。考慮對稱性，取模型的1/4，即右側剖面進行仿真，如圖中點畫線框所示。壓頭和支座采用剛體單元R3D4，網格尺寸為2mm。平滑鋁護套和MDPE外護套采用殼單元S4R，網格尺寸為0.8mm。熱熔膠層采用內聚力單元COH3D8，網格尺寸為0.7mm。XLPE纜芯采用實體單元C3D8R，網格尺寸為3mm。

圖1 電纜四點彎曲試驗仿真模型

采用ABAQUS/Explicit進行仿真分析。對內聚力單元與兩層殼單元施加綁定約束條件以模擬粘接結構。對支座施加對稱邊界條件并約束其所有自由度。在所有未粘接結構之間設置摩擦因數0.15[20]。壓頭可豎直向下運動；相比于敷設狀態(tài)，電纜在上盤時具有最小彎曲半徑，由電纜盤半徑1 000mm確定四點彎曲試驗中對應壓頭的下壓距離為457mm。

2 平滑鋁護套電纜彎曲行為的研究

2.1 金屬護套與外護套不粘接時護套的起皺

首先針對平滑鋁護套與MDPE外護套不粘接時電纜的彎曲行為進行研究。因為不使用熱熔膠粘接，故鋁護套和外護套之間設置摩擦接觸。當電纜受壓頭作用向下彎曲時，應力分布如圖2所示。

圖2 電纜護套的起皺現象

由圖2可見，在四點彎曲試驗中，仍然存在壓頭效應，即由壓頭引起的該處局部大變形；而在兩個壓頭之間的區(qū)域彎矩恒定，可視為理想彎曲段，本文只分析理想彎曲段電纜的受力狀態(tài)。可以看到，在理想彎曲段，未粘接的平滑鋁護套和MDPE外護套都產生了起皺現象；而且，XLPE纜芯上由于外部護套向內的擠壓而出現了局部應力集中，易引發(fā)絕緣的機械損傷，這在工程中是不允許的。

對電纜彎曲時護套起皺過程進行模擬，如圖3所示。初始無外力作用時，電纜為對稱結構，呈自由狀態(tài)。之后，在壓頭作用下，電纜開始向下彎曲，在受拉側，緩沖層被緊密壓縮，而在受壓側緩沖層依然具有可壓縮空間；鋁護套和外護套因不是一個整體，各自承受彎曲力作用。隨著電纜進一步向下彎曲，在受壓側，鋁護套因自身強度不足無法抵抗彎曲變形，開始向內凹陷并擠壓緩沖層；在接觸XLPE纜芯后，該側鋁護套開始起皺；若彎曲繼續(xù)加劇，則MDPE外護套也開始起皺，圖3中最后一幅圖即顯示了這種狀態(tài)。

圖3 電纜護套的起皺過程

在試制電纜時發(fā)現，若不使用熱熔膠將平滑鋁護套與MDPE外護套進行有效粘接，而僅是在鋁護套表面涂覆一層瀝青之后擠出MDPE外護套，將電纜上盤時，觀察到外護套表面的起皺現象，而將外護套剝除后，平滑鋁護套在受壓側出現明顯褶皺，如圖4所示，與仿真結果一致。這表明，對于平滑鋁護套結構，將金屬護套和非金屬外護套進行有效粘接是提升電纜受壓及耐彎曲性能、避免護套起皺并損傷絕緣的關鍵。

圖4 未粘接平滑鋁護套的起皺現象

2.2 金屬護套與外護套粘接時電纜的彎曲性能

當使用熱熔膠將鋁護套和MDPE外護套有效粘接，與熱熔膠對應的內聚力單元被引入仿真模型當中。在與圖2相同的彎曲條件下，電纜中的應力分布如圖5所示。

圖5 有熱熔膠粘接時電纜的彎曲受力狀態(tài)

由圖5可見，在電纜彎曲時平滑鋁護套不起皺，也不向內凹陷或擠壓XLPE纜芯。同時，壓頭效應也得到了明顯改善。這是因為，當使用熱熔膠將平滑鋁護套和外護套牢固粘接，膠層起到了界面應力傳遞的作用[21]，使鋁護套和外護套形成一個結構整體。由于該復合結構耐受切向壓應力的有效厚度增加，所以抵抗彎曲變形的能力增強。

使用等效塑性應變來衡量電纜彎曲時鋁護套的形變程度[22]。在規(guī)定的彎曲半徑下，受壓側比受拉側容易損壞，所以本文著重討論受壓側鋁護套的形變。無/有熱熔膠時電纜理想彎曲段鋁護套的等效塑性應變分布如圖6所示。

圖6 無/有熱熔膠粘接平滑鋁護套的等效塑性應變分布

由圖6可見，對于護套未膠粘的電纜，鋁護套受壓側等效塑性應變分布不均勻，呈波紋狀，最大值位于褶皺頂部，為0.118；而對于護套有效膠粘的電纜，鋁護套的等效塑性應變分布均勻，且最大值為0.073，比前者降低了38.1%。也就是說，將鋁護套和外護套有效粘接能夠顯著減小平滑鋁護套的塑性形變，并使得應變分布均勻，從而避免了護套起皺。針對膠層的研究發(fā)現，由式（1）確定的損傷起始值為0.768，小于1，這說明在電纜彎曲時膠層未發(fā)生損傷。

3 基于彎曲性能要求的電纜復合護套結構設計

國家標準對110kV、220kV及500kV XLPE電纜的鋁護套及外護套厚度進行了明確規(guī)定[12, 23-24]，并已在波紋鋁護套電纜的設計生產中采用，而這些數值對平滑鋁護套電纜是否適用仍有待研究。此外，緩沖層厚度、外護套材料、電纜規(guī)格等對平滑鋁護套電纜的性能影響也尚不明確。在IEEE標準中[25]，僅規(guī)定外徑不超過19mm、19～38mm以及大于38mm的平滑鋁護套電纜，其彎曲半徑不能小于電纜護套外徑的10、12及15倍，明顯大于波紋鋁護套電纜的7倍，此外未有其他明確規(guī)定。因此，下文將針對上述問題開展相關研究。

3.1 緩沖層厚度

在平滑鋁護套被擠出或焊接后，通常需要經縮徑工藝處理從而較為緊密地包覆在電纜緩沖層上。在表1的電纜模型參數中，僅調節(jié)緩沖層空隙即可壓縮厚度，令其分別為0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm，研究電纜彎曲時鋁護套的形變，結果見表5。

表5 緩沖層可壓縮厚度對平滑鋁護套形變的影響

Tab.5 Effect of compressible thickness of buffer layer on the deformation of smooth aluminum sheath

由于使用熱熔膠粘接后復合護套的抗彎厚度足以抵抗電纜彎曲變形，所以未發(fā)生護套起皺的現象。雖然隨著緩沖層可壓縮厚度從0.5mm增大到2.0mm，鋁護套的最大等效塑性應變有一個先減小后增大的變化，在1mm時達到最小值，但變化率均未超過4%。也就是說，緩沖層可壓縮厚度對鋁護套形變的影響很小。

在電纜帶負荷運行時，XLPE絕緣會受熱膨脹，需要依靠緩沖層的可壓縮性來吸收內部膨脹，避免鋁護套被漲破。以表1中的110kV電纜為例，XLPE絕緣的熱膨脹系數為10×10-4/℃[26]，計算表明，滿負荷運行時該電纜絕緣厚度將增加1.29mm，故緩沖層的可壓縮厚度建議設計為1.5～2.0mm。

3.2 鋁護套厚度

外護套厚度是決定粘接復合護套結構抗彎強度的重要因素。選取MDPE外護套的厚度為0～5mm，其他參數同表1，研究電纜彎曲時鋁護套的形變量，結果見表6?？梢姡S著MDPE外護套厚度增加，鋁護套受壓側的最大等效塑性應變持續(xù)減小，特別是當厚度由0增加至1mm時，應變由0.211下降為0.088，降幅達到約60%，變化顯著；之后，隨著厚度的繼續(xù)增大，應變的降幅逐漸放緩。此外，當外護套厚度不足4mm時，由于粘接復合護套的抗彎強度不足，無法抵抗電纜彎曲變形，模擬時觀察到鋁護套起皺現象，說明對所討論的110kV電纜，為避免電纜彎曲時鋁護套起皺，MDPE外護套厚度不能低于4mm。

表6 外護套厚度對平滑鋁護套形變的影響

Tab.6 Effect of outer-serving thickness on the deformation of smooth aluminum sheath

MDPE外護套厚度為0mm、1mm及4mm時平滑鋁護套在理想彎曲段的等效塑性應變分布如圖7所示?？梢?，隨著外護套厚度增加，鋁護套受壓側的等效塑性應變分布逐漸趨于均勻，起皺風險降低，這歸因于整個復合護套抗彎強度的增加。而在無外護套（0mm）情況下，平滑鋁護套因自身抗彎厚度不足而極易起皺，圖7a中的應變分布已經顯示出褶皺的存在。這說明，在實際生產過程中，鋁護套加工工藝結束后的電纜不能直接上盤，而應立即涂刷熱熔膠并擠出外護套，之后才能卷繞到電纜盤上進行儲存或運輸。這與波紋鋁護套電纜的生產過程管理明顯不同之處，需要特別注意。

圖7 粘接的MDPE外護套厚度不同時鋁護套的等效塑性應變分布

由于鋁護套與外護套粘接后整體抗彎強度取決于復合護套的總厚度，故無需對鋁護套單獨設計較大厚度；推薦按照電纜短路容量要求確定鋁護套厚度，例如，考國標中的推薦值，在此基礎上，由外護套補足電纜彎曲性能所需的復合護套總厚度。例如，在國外一些高壓XLPE電纜設計中甚至采用了0.5mm或更薄的鋁護套[5, 9-10]，電纜的短路容量要求由鋁護套下增設銅絲屏蔽補足，而復合護套的抗彎強度要求由非金屬外護套補足。

3.3 外護套厚度

在國標中[12, 23-24]，對XLPE電纜波紋鋁護套厚度的推薦值是按照不同的導體截面積和額定電壓等級給出的；而在IEEE標準中[25]，對平滑鋁護套電纜彎曲半徑的推薦值是依據不同的電纜護套外徑給出的。這說明徑向尺寸對電纜的彎曲性能以及鋁護套的厚度設計具有重要作用。因此，下面討論不同規(guī)格電纜的復合護套設計。

選擇110kV、220kV及500kV下常用最大截面電纜，按國標[12, 23-24]推薦值確定電纜結構尺寸，獲得各電纜的仿真模型幾何參數見表7。電纜按照額定電壓等級×導體標稱截面積-平滑鋁護套厚度的方式命名，例如，110kV×1 600-2.0/2.3代表鋁護套厚度分別為2.0mm及2.3mm、導體標稱截面積為1 600mm2的110kV電纜。由于導體標稱截面積為2 500mm2的220kV和500kV電纜的絕緣最大熱膨脹量估算值分別為1.9mm和2.4mm，故將緩沖層的可壓縮厚度分別設定為3.0mm和3.5mm，見表7。

表7 不同規(guī)格電纜的仿真模型的幾何參數

Tab.7 Geometric parameters for simulation models of cables with different specifications（單位: mm）

對不同規(guī)格電纜進行仿真，觀察護套在電纜彎曲時的變形情況，并計算鋁護套的最大等效塑性應變，結果見表8，其中，包含了前文討論的110kV× 800-2.0電纜。

表8 不同規(guī)格電纜平滑鋁護套的彎曲形變

Tab.8 Bending deformation of smooth aluminum sheaths in cables with different specifications

由表8可知，對于110kV電纜，當鋁護套內徑由76mm增加到86mm，其等效塑性應變顯著增大，即使將鋁護套厚度由2mm增大到2.3mm，最大等效塑性應變也未明顯降低；隨著電纜電壓等級從110kV升高到220kV和500kV，導體截面積從800mm2增大到2 500mm2，鋁護套內徑依次增大13.2%、64.5%、84.2%，雖然鋁護套厚度從2.0mm增加到3.3mm，依次增大15%、40%、65%，其最大等效塑性應變仍分別增大了15.1%、41.1%、57.5%。這說明，電纜電壓等級或導體截面變化導致的徑向尺寸變化對平滑鋁護套的彎曲形變影響較大，為確保電纜機械性能，設計時必須加以考慮。

表7中，鋁護套及外護套的厚度都是按照國標推薦取值的。由仿真結果來看，110kV×1 600和500kV×2 500規(guī)格的電纜可以滿足設計要求；對于220kV×2 500-2.8的電纜，當外護套厚度取推薦值5mm時，雖然鋁護套未起皺，但等效塑性應變分布極不均勻，存在較大的起皺風險；若將外護套厚度增至6mm，則分布不均勻情況大大改善，最大等效塑性應變?yōu)?.095，比5mm時降低了7.8%，護套起皺風險明顯降低。由此可見，對于高壓大截面電纜，鋁護套厚度的增加可能不足以抵消電纜徑向尺寸增大的影響，還需適當增加外護套厚度，以保證復合護套具有足夠的抵抗彎曲變形的能力。

根據仿真分析結果，在設計平滑鋁護套電纜時，若鋁護套厚度按照國標[12, 23-24]推薦取值，則外護套厚度建議取值為：110kV電纜，4～5mm；220kV電纜，5～6mm；500kV電纜，不低于6mm。

3.4 外護套材料

電纜非金屬外護套材料除MDPE外，也常用HDPE，見表2、表3中的測量數據，兩者的力學參數存在明顯差異。第2節(jié)和本節(jié)前三小節(jié)討論都是基于MDPE進行的，在此以HDPE代替MDPE作為外護套材料，其他條件不變，對表1的110kV電纜模型進行彎曲行為的仿真分析。結果顯示，當采用HDPE外護套時，鋁護套也未起皺，但其等效塑性應變分布的均勻性變差，且最大值0.085比使用MDPE時增大了16.4%。對比分析發(fā)現，本文測試用的HDPE，其彈性模量僅為MDPE的29.0%，見表2；電纜彎曲時，HDPE外護套的最大等效應力為13.50MPa，明顯小于MDPE外護套的15.87MPa。這表明，在電纜彎曲導致的外護套形變范圍內，HDPE的剛度比MDPE低，其抵抗彎曲變形的能力弱，造成復合護套抗彎能力下降，鋁護套的形變量增加且其上應變分布的均勻性變差。

實際上，不同來源的HDPE材料因配方、工藝等的不同，其性能參數存在很大差異，雖然本文采用的HDPE材料的彈性模量僅254MPa，但文獻中有報導數值達到1 080MPa[13]，比一般的MDPE更高。也就是說，MDPE或HDPE均可作為外護套材料，但為保障粘接復合護套抵抗彎曲變形的能力，在用于平滑鋁護套電纜時，基于本文分析，其彈性模量應不低于800MPa。否則，在3.3節(jié)推薦值的基礎上，外護套厚度還需增加，導致電纜外徑及重量增大。

4 電纜樣品試制及檢測

基于第2和第3節(jié)分析，表1中的結構參數對于110kV電纜是適用的，據此試制110kV XLPE電纜樣品。該電纜在盤上卷繞時的照片如圖8a所示，護套表面光滑平整，未出現任何的褶皺現象。之后，將該電纜樣品送至專業(yè)機構，按照GB/T 11017.2-2014[12]的要求進行型式試驗。檢測報告顯示，在機械預處理時，將電纜在直徑為3 600mm的圓柱上進行3次機械彎曲，護套未起皺，也未發(fā)生脫膠現象；電纜經受為期1個月的型式試驗，包含各類電氣（工頻、沖擊）及非電氣（負荷循環(huán)、介電、機械等）檢測項目，均順利通過；試驗結束后對電纜進行檢查，復合護套表面依舊光滑平整，未發(fā)現任何的結構變形或破損現象，如圖8b所示，驗證了電纜的整體性能。

圖8 試制平滑鋁套110kV XLPE電纜樣品

5 結論

1）制備平滑鋁護套XLPE電纜的關鍵工藝是使用熱熔膠將鋁護套和外護套牢固粘接，形成一個整體復合護套，且復合護套必須具有足夠的總厚度，以抵抗電纜彎曲時的切向壓應力。為了避免鋁護套起皺及擠壓內部XLPE絕緣，工廠生產時，鋁護套加工結束的電纜不能直接上盤，而應立即涂熱熔膠并擠出外護套，之后才能卷繞至電纜盤上。

2）緩沖層可壓縮厚度對平滑鋁護套彎曲形變的影響較小；在電纜設計時，推薦以XLPE絕緣最大熱膨脹導致的厚度增加量加上1mm作為緩沖層可壓縮厚度。

3）對于高壓大截面電纜，平滑鋁護套厚度可參照現有標準對波紋鋁護套的推薦取值，但可能需要適當增加非金屬外護套的厚度以保證復合護套的抗彎能力。對于110kV、220kV及500kV電纜，推薦外護套厚度為4～5mm、5～6mm、不低于6mm。

4）隨外護套剛度增加，平滑鋁護套的最大等效塑性應變幅值減小，分布趨于均勻。為確保復合護套抵抗彎曲變形的能力，推薦使用彈性模量不低于800MPa的外護套材料。

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Bending Characteristics and Structure Design of Smooth Aluminum Composite Sheath in HV XLPE Cables

11122

（1. Electrical Engineering School Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Zhejiang Chenguang Cable Co. Ltd Pinghu 314204 China）

In recent years, the ablation failures of buffer layer frequently occurred in cables with corrugated aluminum sheaths have aroused the widespread attention of the domestic power industry to the smooth-aluminum-sheathed HV XLPE cables, whose bending performance is the key for engineering application. In this paper, a three-dimensional simulation model of four-point bending of a XLPE cable with smooth aluminum sheath was built, where the cohesive zone model was used to simulate the mechanical behavior of the adhesive layer. As for the bending performance of smooth aluminum composite sheath, the effects of the hot melt adhesive, the compressible thickness of buffer layer, the thickness and material of non-metallic outer-serving, and the inner diameter of aluminum sheath were studied. The results show that if the aluminum sheath is not bonded to the outer-serving, its resistance to bending deformation is so poor that it is prone to wrinkle and so as to squeeze the internal insulation. However, an integral composite sheath can be formed after being bonded, whose bending resistance is dependent on the total thickness. The aluminum sheath thickness is designed according to the short circuit capacity requirement, and the total thickness required for the bending resistance needs to be supplemented by the outer-serving, whose elastic modulus should be no less than 800MPa. The buffer layer has little effect on the bending performance of aluminum sheath, so its thickness can be designed mainly from the absorption of the insulation thermal expansion. Finally, an 110kV XLPE cable with smooth aluminum sheath was trial produced and type tested.

HV XLPE cable, smooth aluminum composite sheath, bending performance, hot melt adhesive, trial produce and type test

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90014

TM247

2020-05-01

2020-10-02

劉 英 女，1976年生，博士，副教授，主要研究方向為高壓絕緣結構設計、電力電纜工程計算及應用。E-mail: candyly@xjtu.edu.cn

陳嘉威 男，1995年生，碩士研究生，主要研究方向為高壓電纜結構設計。E-mail: jswxcjw1995@163.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）