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近年来,频发的波纹铝护套电缆缓冲层烧蚀故障引起了国内电力行业对平滑铝护套高压交联聚乙烯(XLPE)电缆的广泛关注,其弯曲性能是限制工程应用的技术难点。西安交通大学电气工程学院、浙江晨光电缆股份有限公司的研究人员刘英、陈嘉威、赵明伟、金金元、岳振国,在2021年第23期《电工技术学报》上撰文,搭建平滑铝护套XLPE电缆的四点弯曲三维仿真模型,以内聚力模型模拟胶层的力学行为,研究有/无热熔胶粘接、缓冲层厚度、非金属外护套厚度及材料、电缆径向尺寸等对平滑铝护套复合结构弯曲性能的影响。 研究结果表明,若铝护套不与外护套粘接,其抗弯曲变形能力差,易起皱并挤压内部绝缘;粘接后形成整体复合护套,其抗弯能力与总厚度有关,其中,铝护套厚度可根据短路容量要求确定,而由外护套补足抗弯强度所需总厚度,且外护套材料弹性模量不应低于800MPa;缓冲层厚度对铝护套弯曲性能影响较小,主要从吸收绝缘热膨胀角度进行设计。基于研究结论,试制了110kV平滑铝护套XLPE电缆并通过型式试验验证。

为美化环境和节约土地资源,地下电力电缆在城市电网建设中得到了广泛应用。金属护套是高压电缆中必不可少的结构,具有径向阻水、承载短路电流、机械保护等功能。目前,常用的金属护套类型包括波纹型、平滑型及金属箔塑料复合型。对于交联聚乙烯绝缘陆地电缆,金属护套的材料一般为铝、铜、铅或其他金属仅在一些特殊场合使用。例如,在受振动或腐蚀的场合,可以选用波纹铜套或不锈钢套。

欧美国家广泛采用平滑铝护套和铝塑复合护套;而在国内,高压交联聚乙烯(Crosslinked Polyethylene, XLPE)电缆几乎全部采用波纹铝护套结构,主要利用其优异的弯曲性能,降低电缆发生机械损伤的风险。近年来,国内波纹铝护套XLPE电缆频繁发生缓冲层烧蚀故障,对线路可靠性和电网安全性构成严重威胁,这种故障在新加坡、日本等国也时有发生。虽然针对缓冲层烧蚀的相关研究还未有定论,但金属护套和绝缘屏蔽电气接触不良无疑是引发故障的重要原因之一。

平滑铝护套电缆因铝护套和缓冲层之间为无间隙紧密接触状态,避免了电气接触不良的问题,改善了电缆的径向散热,增大了层间摩擦力,尤其适合超高压大截面电缆在高落差环境中应用。相比于波纹铝护套电缆,平滑铝护套电缆的外径小、质量轻、装盘长度增加,可以减少线路中的接头数量,缩小电缆走廊的结构尺寸,具有显著的经济效益。随着行业发展和技术进步,国内电缆线路的敷设环境及施工条件持续改善,为平滑铝护套电缆的工程应用创造了条件,激发了产品研发需求。

若设计不当,平滑铝护套在XLPE电缆满载运行时可能被涨破,在弯曲时起皱、开裂并向内挤压XLPE绝缘。中国目前尚未掌握平滑铝护套XLPE电缆的生产及应用技术,相关产品完全依赖进口。例如,2010年上海世博变电站及2012年四川官地水电站工程中安装的500kV平滑铝护套XLPE电缆,均由法国耐克森供货。虽然平滑铝护套XLPE电缆已在欧美国家应用多年,但各厂家均实行严格的技术保密。仅从少量公开文献可知,这种结构的关键在于将金属护套和非金属外护套进行有效粘接,以提升电缆的抗弯、抗压等机械性能。

为了配合平滑铝护套XLPE电缆的产品开发及工程应用,亟需对其弯曲性能开展全面系统研究。西安交通大学电气工程学院等单位的研究人员通过有限元软件ABAQUS研究平滑铝护套XLPE电缆弯曲时的力学行为。

首先,建立电缆对应于四点弯曲试验的三维有限元模型,比较铝护套与外护套粘接及不粘接情况下电缆弯曲行为的差异,分析内在破坏机理;之后,讨论缓冲层厚度、外护套厚度及材料、铝护套内径等结构或材料参数对平滑铝护套电缆机械形变的影响,对不同规格的电缆提出合理的参数推荐值;最后,设计并试制110kV平滑铝护套XLPE电缆,通过型式试验对其性能进行全面校核,验证设计的合理性。

图1 试制平滑铝套110kV XLPE电缆样品

他们将研究成果总结如下:

1)制备平滑铝护套XLPE电缆的关键工艺是使用热熔胶将铝护套和外护套牢固粘接,形成一个整体复合护套,且复合护套必须具有足够的总厚度,以抵抗电缆弯曲时的切向压应力。为了避免铝护套起皱及挤压内部XLPE绝缘,工厂生产时,铝护套加工结束的电缆不能直接上盘,而应立即涂热熔胶并挤出外护套,之后才能卷绕至电缆盘上。

2)缓冲层可压缩厚度对平滑铝护套弯曲形变的影响较小;在电缆设计时,推荐以XLPE绝缘最大热膨胀导致的厚度增加量加上1mm作为缓冲层可压缩厚度。

3)对于高压大截面电缆,平滑铝护套厚度可参照现有标准对波纹铝护套的推荐取值,但可能需要适当增加非金属外护套的厚度以保证复合护套的抗弯能力。对于110kV、220kV及500kV电缆,推荐外护套厚度为4~5mm、5~6mm、不低于6mm。

4)随外护套刚度增加,平滑铝护套的最大等效塑性应变幅值减小,分布趋于均匀。为确保复合护套抵抗弯曲变形的能力,推荐使用弹性模量不低于800MPa的外护套材料。

本文编自2021年第23期《电工技术学报》,论文标题为“高压XLPE电缆平滑铝复合护套的弯曲特性及结构设计”,作者为刘英、陈嘉威 等。

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