电缆低温敷设外护套开裂影响　　因素分析及力学仿真

2018-04-02杨代勇孙友群

吉林电力 2018年1期

杨代勇，王　朔，杨　明，孙友群，敖　明

(国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春　130021)

电缆外护套位于电缆最外层，主要起到保护和绝缘作用，是保护电缆的第一道防线，其完好与否对电缆的使用寿命关系重大。随着电力电缆使用量增加，在电缆敷设过程中，一些电缆外护套存在开裂的现象，影响电缆及系统的安全稳定运行。本文针对电缆低温敷设过程中外护套存在缺陷时的受力情况进行了仿真分析，为电缆敷设过程中避免外护套损坏提供理论依据，并提出预防措施。

1　电缆外护套作用及厚度要求

电缆外护套作用有两个，一是保护作用，电缆的敷设环境经常伴有水分、腐蚀性物质以及白蚁的侵蚀，外护套就直接起到对主绝缘的保护和密封作用；二是绝缘作用，由于电缆运行时导体电流的电磁感应，在金属护层(金属护套和铜屏蔽层)上产生感应电压，一旦金属护套多点接地，金属护套内由于感应电压的存在将产生巨大的环流，不仅严重影响电缆的载流量，甚至可能会引起火灾。

为了满足电缆外护套的机械及电气绝缘性能，电缆外护套的厚度不宜太薄，也不宜太厚。

规程[1，4]对电缆的厚度做了一般要求，若无其他规定[1]，挤包护套厚度TS(mm)应按下列公式计算：

TS=0.035D+1.0

式中D为挤包护套前电缆的假设直径，按上式计算出的数值应修约到0.1 mm。

2　外护套开裂影响因素

电缆外护套开裂从开裂性质一般可以分为脆性开裂和韧性开裂，电缆外护套在低温环境下受到冲击造成的开裂属于脆性开裂，电缆外护套在缓慢拉伸过程中造成的开裂属于韧性开裂，但不论是脆性开裂还是韧性开裂，在理论上是材料的松弛过程，宏观断裂是微观化学键断裂的过程，因此电缆外护套在受到内部或者外部的应力作用时，其薄弱点达到了应力强度承受能力时就会出现开裂现象[2]。

影响电缆外护套开裂的因素有很多，主要包括护套材料的物理机械性能、外护套挤出工艺、外部机械力的作用、外部环境的作用、结构尺寸5个方面，这5类影响因素叠加劣化作用使得电缆外护套更容易产生开裂。

2.1　材料机械性能的影响

电力系统应用的主要电缆类型为橡塑电缆，电缆外护套多采用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)两种材料。

聚乙烯的耐寒和耐高温性能均优于聚氯乙烯，但聚乙烯在制作成护套时受挤出温度和冷却速度影响易结晶，机械性能受较大影响，低温环境下其脆性强，在敷设过程中易受冲击机械力而发生脆性损伤。聚氯乙烯本身耐寒及耐高温性能较差，但在低温环境下其脆性弱，敷设过程中聚氯乙烯护套受到机械力冲击时不宜发生损伤，通过添加增塑剂可以大大提高其低温机械性能。

2.2　加工工艺的影响

塑料挤出主要是利用塑料的可塑性。一般将整个过程分为3个阶段：塑化阶段、成型阶段、定型阶段。塑料挤出特性主要表现在塑化阶段。挤出质量主要指塑料的塑化情况是否良好，几何尺寸是否均一。决定塑化情况的因素除塑料本身外，主要是温度和剪切应变率及作用时间等因素。铠装电缆护套挤塑工艺存在的主要问题是护套挤出冷却不够，模具配制不合理，拉伸比过大，造成护套中内应力过大。

受聚乙烯本身的收缩性能影响，由热态向冷态收缩率普遍在8%左右，所以在聚乙烯挤出冷却后，护套会紧紧的包裹在铠装钢带上，形成预应力，使得钢带无法左右移动，在钢带的边缘部分的护套厚度最薄，在电缆弯曲或拉伸时，这些薄弱点受机械应力作用容易导致护套开裂[3]，而聚氯乙烯收缩率普遍在0.2%～0.6%，预应力小，不会使得钢带无法左右移动，从而也不会发生在钢带外面产生开裂现象。

2.3　外部机械力的影响

电缆敷设是电缆线路建设工作的重要环节。实际敷设过程中造成电缆外护套开裂主要原因为施工队伍水平参差不齐，施工流程、施工方法也不够规范。施工过程缺少卷扬机、履带牵引机、张力计、电缆盘制动装置等必须的施工器材。施工完全靠人工或者拖拉机、卡车牵引放线，放线张力无法控制，无制动，放线速度也时快时慢，容易造成电缆在施工过程中弯曲半径过小，受力过大，同时放线过程中电缆在地面摩擦，也加剧了电缆护套的开裂。综上可知，电缆敷设过程中主要受到牵引力、弯曲力、侧压力、摩擦力的作用，对各种力的控制规程给出明确要求[4]。

2.4　外部环境的影响

电缆外护套对电缆起保护作用，与电缆存放、敷设、运行的外界环境直接接触，因此环境对电缆外护套的开裂有很大影响，主要表现在环境温度、光照强度、接触物质。环境的温度高低直接影响护套材料的各项物理机械性能。

电缆在没有外包装露天存放时，如果直接暴露于阳光下，电缆的向阳面和背阳面热胀冷缩产生应力，当电缆护套本身存在缺陷或敷设过程中受到大机械力作用，容易产生开裂；另外，一些护套材料容易光老化，例如：PE材料[5]，能强烈吸收紫外光，引起聚合物光氧降解反应，导致PE护套在紫外线的照射下发生开裂。

环境介质对电缆护套的开裂有很大影响，尤其是对于直埋敷设的电力电缆，由于地下污水成分复杂，常含有像洗涤剂一类的表面活性剂，这些表面活性剂由于具有很高的活动性和润滑性，能进入聚合物的裂纹中被吸附而降低聚合物的表面能，增加储能，从而容易使裂纹扩大，促使裂纹扩大，进而使材料产生延性开裂。

2.5　结构尺寸的影响

YJV22-8.7/10 3×300型10 kV耐寒电缆结构见图1。除了外护套的厚度及电缆的尺寸对外护套开裂有较大影响外，导致电缆外护套开裂主要为铠装层。

图1　10 kV耐寒电缆结构图

规程[4]对电缆外护套的厚度有明确规定，护套厚度太薄会影响拉伸强度，当电缆直径尺寸变大时，生产、存放及敷设过程中会因为弯曲导致护套承受的弯曲应力变大。此10 kV耐寒电缆铠装前的尺寸为76.5 mm，对于大外径电力电缆，当铠装前电缆直径大于70 mm时，铠装钢带的厚度要求为0.8 mm，钢带厚了，强度大了，刚性也强了，塑性将变差，绕包过程中将产生较大的反弹趋势，加剧护套层所承受的外界张力，这样铠装层的表面上下层钢带之间的高差会很大，相对于小外径电缆，铠装层表面更不平整[6]。在挤塑聚乙烯外护套时，一般只在铠装钢带与外护套间增加一层0.2 mm厚的无纺布作为缓冲层，以减小铠装层对护套层的影响，对于大外径电缆，0.2 mm厚的缓冲层根本不能解决铠装表面不平整，在护套挤出时，护套经拉伸后包覆在铠装表面的厚度不一致，在外层钢带的边缘部分的护套厚度最薄，护套在冷却收缩过程中铠装钢带毛边容易刺破缓冲层切入护套内，增加了护套开裂的概率。

3　力学仿真分析

机械力作用是导致电缆外护套开裂的最直接原因。电缆在敷设过程中会受到拉伸、弯曲、挤压、摩擦等，产生牵引力、侧压力、摩擦力、重力等机械力。除了牵引力、侧压力两项机械力作用及弯曲变形外，一些内部或外部缺陷也会在电缆敷设过程中对电缆外护套造成损坏，一种是电缆的内部铠装层工艺不良，存在毛刺或薄厚不均；另一种是电缆外护套被尖锐物体割伤或受到较大摩擦力。本文针对这两种缺陷情况进行了力学仿真分析，特别进行了低温对应力分布影响的仿真分析。

3.1　力学仿真参数设置及建模

本文以2.5节所述的YJV22-8.7/10 3×300型10 kV耐寒电缆结构为模型基础，其外护套材料为以聚氯乙烯为基料的耐寒材料(以下用H-90表示)，护套内径为79.7 mm，厚度为3.7 mm。进行弹塑性力学分析时，需要输入材料的断裂拉伸强度、屈服点、切线模量、弹性模量、泊松比、密度6个参数，H-90(20 ℃)密度为1 211.4 kg/m3，此项目仿真过程中不考虑温度对材料密度的影响。通过在低温箱内进行弹塑性力学参数测试得到H-90的力学参数见表1。

拉伸过程中受到外部尖锐物体剐蹭，会在外护套的外部产生裂纹，会加剧外护套开裂。如果铠装层有毛刺或不平整，会使电缆外护套内表层存在缺陷或薄厚不均，影响电缆外护套拉伸过程的应力分布。针对上述两种情况分别建立了外部1 mm毛刺和内部1.5 mm毛刺的仿真模型，分别见图2、图3。

表1　H-90弹塑性力学温度特性参数

图2　外套外部存在1 mm毛刺仿真模型

图3　铠装层存在1.5 mm毛刺仿真模型

3.2　力学仿真计算结果

3.2.1外套外部存在1 mm毛刺

1 mm外部毛刺H-90护套料-50 ℃拉伸过程应力与塑性应变分布见图4。

图4　1 mm外部毛刺H-90护套料-50 ℃拉伸过程应力与塑性应变分布云图

由图4可知，应力集中位置位于毛刺尖端附近，H-90护套料-50 ℃拉伸时，应力最大值为39.48 MPa(39.56 MPa)，H-90护套料0 ℃拉伸时，应力最大值为18.07 MPa(21.87 MPa)，括号内数值为对应温度下护套料抗拉强度。在-50 ℃时，两种材料的应力最大值等于或略小于实测抗拉强度，在0 ℃时，两种材料的应力最大值较小于实测抗拉强度，说明针对此种缺陷，随着温度降低，抗尖锐物体剐蹭能力有变差的趋势。

1 mm外部毛刺—H-90护套料拉伸过程应力分布与塑性应变分布见图5。由图4b、图5b可知，在-50 ℃时的塑性应变(0.027 1)小于0 ℃时塑性应变(3.468 9)，也说明抗剐蹭能力随温度降低而变强。

图5　1 mm外部毛刺—H-90护套料拉伸过程应力分布与塑性应变分布云图

3.2.2铠装侧存在1.5 mm毛刺

1.5 mm内部毛刺—H-90护套料拉伸过程应力分布见图6。由图6可知，应力集中位置位于毛刺尖端附近，H-90护套料-50 ℃拉伸时，应力最大值为28.60 MPa(39.56 MPa)，H-90护套料0 ℃拉伸时，应力最大值为15.81 MPa(21.87 MPa)，括号内数值为试验对应温度下测得抗拉强度。在-50 ℃和0 ℃时，应力最大值较小于实测抗拉强度，随着温度降低应力最大值和实测抗拉强度两者差值变大，表征为抗尖刺剐蹭能力变强。

图6　1.5 mm内部毛刺—H-90护套料拉伸过程应力分布云图

3.3　电场仿真结果分析

对比外部1 mm毛刺和内部1.5 mm毛刺2种模型仿真结果可知，尖刺的长度对材料的抗拉强度影响较大，尖刺长度越小，尖刺附近应力越集中，抗剐蹭能力越差，另外，随着温度降低应力最大值和实测抗拉强度两者差值变大，表征为抗尖刺剐蹭能力变强。在电缆敷设过程中，最为常见的外护套开裂原因为野蛮施工或缺失敷设器具造成的电缆外护套刮伤，因此在电缆敷设过程中要严格控制敷设程序及敷设工艺。