- 頭條西安交通大學科研人員發布高壓電纜平滑鋁復合護套的有關研究成果2022-05-05 作者：劉英、陳嘉威 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語近年來，頻發的波紋鋁護套電纜緩沖層燒蝕故障引起了國內電力行業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。西安交通大學電氣工程學院、浙江晨光電纜股份有限公司的研究人員劉英、陳嘉威、趙明偉、金金元、岳振國，在2021年第23期《電工技術學報》上撰文，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。 研究結果表明，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的角度進行設計。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。
為美化環境和節約土地資源，地下電力電纜在城市電網建設中得到了廣泛應用。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。
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，主要利用其優異的彎曲性能，降低電纜發生機械損傷的風險。近年來，國內波紋鋁護套XLPE電纜頻繁發生緩沖層燒蝕故障，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、日本等國也時有發生。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，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。隨著行業發展和技術進步，國內電纜線路的敷設環境及施工條件持續改善，為平滑鋁護套電纜的工程應用創造了條件，激發了產品研發需求。
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。
為了配合平滑鋁護套XLPE電纜的產品開發及工程應用，亟需對其彎曲性能開展全面系統研究。西安交通大學電氣工程學院等單位的研究人員通過有限元軟件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。
圖1 試制平滑鋁套110kV XLPE電纜樣品
他們將研究成果總結如下：
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。
本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為“高壓XLPE電纜平滑鋁復合護套的彎曲特性及結構設計”，作者為劉英、陳嘉威 等。
