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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(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。金屬護(hù)套是高壓電纜中必不可少的結(jié)構(gòu)，具有徑向阻水、承載短路電流、機(jī)械保護(hù)等功能。目前，常用的金屬護(hù)套類(lèi)型包括波紋型、平滑型及金屬箔塑料復(fù)合型。對(duì)于交聯(lián)聚乙烯絕緣陸地電纜，金屬護(hù)套的材料一般為鋁、銅、鉛或其他金屬僅在一些特殊場(chǎng)合使用。例如，在受振動(dòng)或腐蝕的場(chǎng)合，可以選用波紋銅套或不銹鋼套。

歐美國(guó)家廣泛采用平滑鋁護(hù)套和鋁塑復(fù)合護(hù)套；而在國(guó)內(nèi)，高壓交聯(lián)聚乙烯（Crosslinked Polyethylene, XLPE）電纜幾乎全部采用波紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)，主要利用其優(yōu)異的彎曲性能，降低電纜發(fā)生機(jī)械損傷的風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)波紋鋁護(hù)套XLPE電纜頻繁發(fā)生緩沖層燒蝕故障，對(duì)線路可靠性和電網(wǎng)安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這種故障在新加坡、日本等國(guó)也時(shí)有發(fā)生。雖然針對(duì)緩沖層燒蝕的相關(guān)研究還未有定論，但金屬護(hù)套和絕緣屏蔽電氣接觸不良無(wú)疑是引發(fā)故障的重要原因之一。

平滑鋁護(hù)套電纜因鋁護(hù)套和緩沖層之間為無(wú)間隙緊密接觸狀態(tài)，避免了電氣接觸不良的問(wèn)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(yīng)用。相比于波紋鋁護(hù)套電纜，平滑鋁護(hù)套電纜的外徑小、質(zhì)量輕、裝盤(pán)長(zhǎng)度增加，可以減少線路中的接頭數(shù)量，縮小電纜走廊的結(jié)構(gòu)尺寸，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)電纜線路的敷設(shè)環(huán)境及施工條件持續(xù)改善，為平滑鋁護(hù)套電纜的工程應(yīng)用創(chuàng)造了條件，激發(fā)了產(chǎn)品研發(fā)需求。

若設(shè)計(jì)不當(dāng)，平滑鋁護(hù)套在XLPE電纜滿載運(yùn)行時(shí)可能被漲破，在彎曲時(shí)起皺、開(kāi)裂并向內(nèi)擠壓XLPE絕緣。中國(guó)目前尚未掌握平滑鋁護(hù)套XLPE電纜的生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品完全依賴進(jìn)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(hù)套XLPE電纜，均由法國(guó)耐克森供貨。雖然平滑鋁護(hù)套XLPE電纜已在歐美國(guó)家應(yīng)用多年，但各廠家均實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保密。僅從少量公開(kāi)文獻(xiàn)可知，這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于將金屬護(hù)套和非金屬外護(hù)套進(jìn)行有效粘接，以提升電纜的抗彎、抗壓等機(jī)械性能。

為了配合平滑鋁護(hù)套XLPE電纜的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用，亟需對(duì)其彎曲性能開(kāi)展全面系統(tǒng)研究。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院等單位的研究人員通過(guò)有限元軟件ABAQUS研究平滑鋁護(hù)套XLPE電纜彎曲時(shí)的力學(xué)行為。

首先，建立電纜對(duì)應(yīng)于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的三維有限元模型，比較鋁護(hù)套與外護(hù)套粘接及不粘接情況下電纜彎曲行為的差異，分析內(nèi)在破壞機(jī)理；之后，討論緩沖層厚度、外護(hù)套厚度及材料、鋁護(hù)套內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)或材料參數(shù)對(duì)平滑鋁護(hù)套電纜機(jī)械形變的影響，對(duì)不同規(guī)格的電纜提出合理的參數(shù)推薦值；最后，設(shè)計(jì)并試制110kV平滑鋁護(hù)套XLPE電纜，通過(guò)型式試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行全面校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jié)如下：

1）制備平滑鋁護(hù)套XLPE電纜的關(guān)鍵工藝是使用熱熔膠將鋁護(hù)套和外護(hù)套牢固粘接，形成一個(gè)整體復(fù)合護(hù)套，且復(fù)合護(hù)套必須具有足夠的總厚度，以抵抗電纜彎曲時(shí)的切向壓應(yīng)力。為了避免鋁護(hù)套起皺及擠壓內(nèi)部XLPE絕緣，工廠生產(chǎn)時(shí)，鋁護(hù)套加工結(jié)束的電纜不能直接上盤(pán)，而應(yīng)立即涂熱熔膠并擠出外護(hù)套，之后才能卷繞至電纜盤(pán)上。

2）緩沖層可壓縮厚度對(duì)平滑鋁護(hù)套彎曲形變的影響較小；在電纜設(shè)計(jì)時(shí)，推薦以XLPE絕緣最大熱膨脹導(dǎo)致的厚度增加量加上1mm作為緩沖層可壓縮厚度。

3）對(duì)于高壓大截面電纜，平滑鋁護(hù)套厚度可參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)波紋鋁護(hù)套的推薦取值，但可能需要適當(dāng)增加非金屬外護(hù)套的厚度以保證復(fù)合護(hù)套的抗彎能力。對(duì)于110kV、220kV及500kV電纜，推薦外護(hù)套厚度為4～5mm、5～6mm、不低于6mm。

4）隨外護(hù)套剛度增加，平滑鋁護(hù)套的最大等效塑性應(yīng)變幅值減小，分布趨于均勻。為確保復(fù)合護(hù)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(hù)套材料。

本文編自2021年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓XLPE電纜平滑鋁復(fù)合護(hù)套的彎曲特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，作者為劉英、陳嘉威 等。