２０１４年第１期 Ｎｏ １ ２０１４ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１４年２月 Ｆｅｂ．２０１４ 高温对交联聚乙烯电缆／硅橡胶预制件接头 界面压力影响的仿真研究 柳松 ， 彭嘉康 ， 陈守直 ， 王 霞 ， 郑海良 ， 崔 浩 ３上海市电力公司奉贤供电公司，上海２０１２００） （１上海捷锦电力新材料有限公司，上海２０１２００；２西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安７１００４９ 摘要：高压电缆接头与电缆主绝缘问的握紧力是确保输电线路安全运行的关键。实际电缆及附件运行中的温 升可能导致界面压力变化，但由于接头与电缆过盈配合，面压测量困难，难以实时检测面压和判断老化情况。 针对电缆附件用硅橡胶绝缘，通过实际测量电缆绝缘交联聚乙烯及附件硅橡胶料在不同温度下的弹性模量 值，基于塑性力学理论，利用ＡＮＳＹＳ软件建立ｌ０ ｋＶ电缆接头三雏仿真模型，分析了温度变化对电缆接头界 面压力的影响。 关键词：硅橡胶；交联聚乙烯；界面；面压；高温 中图分类号：ＴＭ２０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—６９０１（２０１４）ｆ）１—００１０—０４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＸＬＰＥ Ｃａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｒｕｂｂｅｒ Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｈｉ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ，ＬＩＵ Ｓｏｎｇ ，ＰＥＮＧ Ｊｉａ—ｋａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｓｈｏｕ—ｚ ，ＷＡＮＧ Ｘｉａ２ＺＨＥＮＧ Ｈａｉ—ｌｉｓｎｇ ，ＣＵＩ Ｈａｏ （１ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉｅｊｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｌｎａｔｅｒｉｌｕ Ｃｏ，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２００，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｑｕｉｐｌｎｅｎｔ，Ｘｉ’８１１ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ’８１１ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ；３ Ｆｅｎｇｘｉａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｌｎｐａｎｙ，ＳＭＥＰＣ，Ｓｈｍｌｇｈａｉ ２０１２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｒｉｐ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｂｌｅ Ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｌｎａｉｎ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｎｌｐｅｒａｔＨｒｅ ｍａｙ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｂｌｅ ａｎｄ ａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ Ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｔｏｏ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｔｏ ｌ￣ｌｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｕｅ ｔｏ ｓｈｒｉｎｋ ｆｉｔ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ Ｊｕｄｇｅ ａｇｉｎｇ ｓｔａｔｅ Ｆｏ— ｃｕｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｒｕｂｂｅｒ ｆ ＳＲ）ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ａｃｃｅｓｓｏｒｙ．ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｍｏｄｕｌｉ ｏｆ ＸＬＰＥ ａｎｄ ＳＲ ｓａｌｎｐｌｅ ｗｅｒｅ ｌ￣ｌｅａｓ— ｕｒｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ １０ｋＶ ｃａｂｌｅ Ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｌ￣ｌｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｉｎｔｅｒ— ｆａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｃａｂｌｅ Ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ Ｋｅｙ ｗｏｌｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｒｕｂｂｅｒ；ＸＬＰＥ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉｕｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｈｉｇｈ ｔｅｎｌｐｅｒａｔｕｒｅ ０引 言 电缆附件在电力输电线路中扮演着衔接、过渡 等重要角色，是保证电力系统正常运行不可或缺的 重要组成部分。在电力线路中，对电缆附件的要求 首先是产品设计合理；其次是现场安装工艺正确、严 谨，安装的环境条件（湿度等）符合要求。但是电缆 附件内部因存在复合界面和电场应力集中现 象 ，成为高压电缆绝缘的薄弱环节和运行故障 的典型部位。对国内近十年电缆本体、附件故障的 统计表明，电缆接头故障率占了３１％，而接头故障 收稿日期：２０１３—０４—０８ 中９７％源自界面放电 。 已有研究表明：电缆附件与电缆主绝缘结合界 面压强（即“握紧力”）在０ １～０ ２５ ＭＰａ范围时，能 够满足电气强度要求，且不会造成安装困难或电缆 绝缘损坏 。握紧力的实现通过附件与电缆过盈 配合，依赖附件绝缘高弹性来实现 。而电缆在实 际运行过程中，由于导电线芯发热导致电缆及附件 绝缘温度升高，而温度升高必然引起电缆及附件绝 缘材料弹性模量的变化。已有研究表明，界面击穿 强度与界面压力成正比，与绝缘温升成反比 。对 于温度升高界面击穿强度降低的原因，报道中归结 于高温引起绝缘料体内缺陷的增加，而高温对电缆 及附件界面压力的影响未见报道。 通常测定橡胶件与电缆界面实际压力非常复 作者简介：柳松（１９７１一），男，工程师 作者地址：上海市浦东新区川展路５８５号［２０１２００］ ２０１４年第１期 Ｎｏ．１ ２０１４ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃ ａｂｌｅ ２０１４年２月 Ｆｅｂ．，２０１４ 杂，给设计橡胶件的结构及判断其老化情况带来诸 多困难。有学者用铝管代替电缆，内置电阻应变器 真，探讨温度变化对电缆接头界面压力的影响。 测量铝管外与橡胶件界面压力 Ｊ。但与实际电缆 接头形式不符，缺乏参照性。也有学者采用在电缆 ２ 电缆接头的三维建模 ２．１弹性模量测量结果 表１所示为ＸＬＰＥ及ＳＲ试片在不同温度下的 附件中预埋压力传感器的方法，对界面压力和界面 所能承受最大电应力之间的关系进行实验研究 Ｊ。 弹性模量值。由表１可见，ＸＬＰＥ绝缘的弹性模量 但针对附件实际安装和运行情况，界面压力直接测 量存在一定的困难：如传感器的植入、传感器对界面 值随着温度升高大幅度下降。而ＳＲ的弹性模量随 着温度的升高基本不变，可视为恒定值１．３０ ＭＰａ。 的损伤等等。另外，电缆温升对传感器灵敏度和线 性度的影响，将直接测量结果的可靠性。 因此，本文通过实际测量电缆绝缘交联聚乙烯 （ＸＬＰＥ）及附件硅橡胶（ＳＲ）料在不同温度下的弹性 模量值，基于塑性力学理论，利用已有的１ ０ ｋＶ电缆 接头三维仿真模型＿９ Ｊ，分析了温度变化对电缆接头 界面压力的影响。 １ 实验方法 １．１ 实验材料及试样制备 ＸＬＰＥ及其半导电粒料由上海某绝缘材料厂提 供，在１７０￣Ｃ的平板硫化机热压硫化制成片状试样， 尺寸为１ ００×１ ００×２（ｍｍ３）。ＳＲ料选用液体ＳＲ，在 １７０。Ｃ的平板硫化机热压硫化制成ＳＲ片状试样，尺 寸为１ ００×１ ００×２（ｍｍ３）。在进行测量前，ＸＬＰＥ试 样置于１ ２０。Ｃ真空烘箱内热处理８ ｈ，ＳＲ试样置于 ２００。Ｃ真空烘箱内热处理４ ｈ，以除去试样在交联过 程中产生的挥发物。 １．２弹性模量测量 当电缆附件用ＳＲ材料与电缆主绝缘过盈配合 时，ＳＲ的形变与产生的应力不仅仅包括因ＳＲ撑开 拉伸过程产生的沿附件截面的切向内应力，也包括 ＳＲ径向压缩产生的径向压缩力。一般来讲，对于各 相同性绝缘材料，可视为理想弹塑性体，其拉伸与压 缩模量近似相同。因此，对于ＳＲ材料及ＸＬＰＥ弹性 模量的测量，本文根据国家标准进行力学性能测试， 采用ＣＭＴ系列微机控制电子万能拉力试验机，将厚 度为２ ｍｍ的ＸＬＰＥ、半导电料及ＳＲ试片切成试样 原始标距为２ ｍｍ的标准哑铃状进行拉伸试验，测 定ＸＬＰＥ及ＳＲ在不同温度（２Ｏ～７Ｏ。Ｃ）下弹性形变 范围内的弹性模量值，拉伸速率１ ００ ｍｍ／ｍｉｎ，试验 结果取三个试样的平均值。 １．３面压仿真计算 已知ＳＲ材料的泊松比约为Ｏ．５，因此在ＡＮＳＹＳ 仿真过程忽略ＳＲ绝缘在撑开过程中体积的变化。 根据不同温度下弹性模量测量结果，利用ＡＮＳＹＳ有 限元软件对电缆和附件结构三维建模，进行面压仿 这也表明ＳＲ材料有优良的耐高低温特性。 表１ ＸＬＰＥ及ＳＲ的弹性模量 ２０。Ｃ ４０ｏＣ ７０。Ｃ ＳＲ １．３５ １．２５ １．２６ ＸＬＰＥ １５０．７５ １ １ ８．７２ ４３．００ ２．２ 实际电缆接头模型 实际运行中电缆接头与电缆的连接方式见图 １。为保证一定的面压，电缆附件以一定的过盈量与 电缆套接。本文对电缆附件界面压力的仿真与计算 对象选取ＳＲ与ＸＬＰＥ接触处的夹层介质，如图１中 虚线框所示ｎ ２．３ 电缆接头三维模型的建立 根据电缆及附件用绝缘材料弹性模量的测量结 果（见表１），利用ＡＮＳＹＳ软件进行电缆接头三维结 构建模。因电缆与电缆附件的轴对称性，选用 ｓｏｌｉｄ１ ８６单元建立１／４三维实体模型，见图２。 图２ 电缆接头三维实体模型 ２．４ 高温下电缆ＸＬＰＥ绝缘形变分析 分别代人表１中ＸＬＰＥ在常温２０￣Ｃ及高温 ７０￣Ｃ下的弹性模量值，假定电缆线芯（Ｎ／铝）为刚 体。以１ Ｏ ｋＶ交流ＸＬＰＥ电缆为例，选取电缆导体 ． １ １ ． ２０１４年第１期 Ｎｏ．１ ２０１４ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃ ａｂｌｅ ２０１４年２月 Ｆｅｂ．，２０１４ 截面４００ １３３１３３２，绝缘厚度４．５ １３３１３３，附件主绝缘厚度 １ ０ １３３１３３。忽略ＸＬＰＥ受热膨胀效应，当电缆ＸＬＰＥ绝 缘周侧施加０．２５ ＭＰａ压力时，ＸＬＰＥ绝缘常温２０￣（２ 及高温７０￣（２下的压缩形变量如图３和图４所示。 １ Ｏ ｋＶ电缆和附件套装三维模型 ９ （电缆导体截面 ４００ １３３１３３２，绝缘厚度４．５ １３３１３３，附件主绝缘厚度 ，进行高温条件下 １ ０ １３３１３３，半径过盈量为４．６５ 电缆和附件过盈套装的界面压力仿真，仿真结果如 ５ⅣｌＰａ ．２９７Ｅ一０３ ．５９４Ｅ一０３ ．８９ １Ｅ一０３ ．００ １ １ ８８ １４８Ｅ一０３ ．４４５Ｅ一０３ ．７４２Ｅ一０３ ．００１ ０３９ ＸＬＰＥ绝缘从内到外压缩位移量 图３ 常温下（２０ｏＣ）ＸＬＰＥ在０．２５ ＭＰａ压力下的形变 ５ⅣｌＰａ ．００１ ４８５ ．００２ ９６９ ．００４ ４５４ ．００５ ９３８ ７４２Ｅ一０３ ．００２ ２２７ ．００３ ７ １１ ．００５ １９６ ＸＬＰＥ绝缘从内到外压缩位移量 图４高温下（７０￣Ｃ）ＸＬＰＥ在０．２５ ＭＰａ压力下的形变 从图３和４可以看出，ＸＬＰＥ在Ｏ．２５ ＭＰａ压力 作用下发生一定的压缩形变，常温变形量为 １．３３６｝ＪＬｍ，高温变形量为６．６８｝ＪＬｍ。相对于电缆绝 缘厚度４．５ １３３１３３来说，常温和高温形变率约为 ０．０３％和０．１ ５％。因此温度升高导致电缆ＸＬＰＥ绝 缘弹性模量变化引起的压缩形变可以忽略。 ２．５ 电缆接头套装后界面压力的变化 由表１中弹性模量测量结果可知，附件绝缘ＳＲ 的弹性模量随温度升高基本不变。而前述分析表 明，虽电缆ＸＬＰＥ的弹性模量随温度升高降低很多， 但其弹性模量的降低对界面在恒定压力下的形变量 影响甚微。为更精确地计算高温下附件套装后界面 压力与弹性模量的关系，借助ＡＮＳＹＳ软件建立 ．１ ． 图５和图６所示。 ⅣｌＰａ ００５ ４５４ ０６０ ８６２ ．１１６ ２７ ．１７１ ６７８ ．２２７ ０８６ ．０３３ １５８ ．０８８ ５６６ ．１４３ ９７４ ．１９９ ３８２ ．２５４ ７９ 图５ 常温下（２０￣Ｃ）过盈套装界面压力分析 ⅣｌＰａ ００５ ４４６ ．０６０ ８１８ ．１１６ １９ ．１７１ ５６１ ．２２６ ９３３ ．０３３１３２ ．０８８ ５０４ ．１４３ ８７５ ．１９９ ２４７ ．２５４ ６１９ 图６ 高温下（７０￣Ｃ）过盈套装界面压力分析 从图５和图６可以看出，常温下界面压力为 ０．２５４７９ ＭＰａ，高温下界面压力为０．２５４６ １ ９ ＭＰａ，两 者界面压力相差甚微。由此可见温度升高导致电缆 绝缘弹性模量变化对界面界面压力的影响可以 忽略ｎ ３ ＡＮＳＹＳ仿真正确性的验证 根据应用弹塑性力学 ，将电缆附件视为厚壁 圆筒。计算圆筒的套装及套装压力公式为： ０ Ｉ［）＝ 。 Ｅ２ （１） １一Ｅ２ ｃ２＋６２ Ｚ ２ ． Ｄ ＋ ＋ ＋ Ｅ１（ｂ２ ２、） 式中：Ｉ［）为界面压力（Ｐａ）； 为过盈量（１３３）； 、ｂ、Ｃ为 圆筒套装的结构尺寸（１３３），分别对应于电缆ＸＬＰＥ 绝缘内径，电缆ＸＬＰＥ绝缘外径和安装后的附件ＳＲ 绝缘外径；Ｅ 为内筒（ＸＬＰＥ）弹性模量（Ｐａ）， ２为 ２０１４年第１期 Ｎ０ ｌ ２０１４ 电线电缆 Ｅ１ｅ￣ｒｉｃＷｋｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１４年２月 Ｆｅｂ．２ｏｌ４ 外筒（ＳＲ）弹性模量（Ｐａ）。 的升高基本保持不变。 化引起的压缩形变可以忽略。 由常温下计算结果，确定电缆附件的结构尺寸， 即确定了圆筒套装的结构尺寸，即ｎ、６、Ｃ及 均已 确定，可见，界面压力由内外筒的弹性模量得出。将 式（１）简化为： １ … （２）温度升高导致电缆ＸＬＰＥ绝缘弹性模量变 （３）当电缆ＸＬＰＥ绝缘弹性模量远大于接头 绝缘弹性模量时，温度升高导致电缆绝缘弹性模量 ＿＝Ｉ — ０ Ｐ Ａ ，ｌ 式中：Ａ＝詈，口＝ ÷等，ｃ＝ ÷ ，均为常量。 当Ｅ 》 时，界面压力Ｐ主要取决于 ，而 的影响微乎其微。此公式表明：在高温条件下，只要 Ｅ 》Ｅ ，则过盈套装的界面压力取决于Ｅ 的变化。 由弹性模量测量结果可知，虽ＸＬＰＥ的弹性模量Ｅ 随温度升高大幅度下降，但在高温７０％时弹性模量 １ ２ ： ］］３ ｌ４ ｌｌ５ １６ ］］７ ８ ］９ ］Ⅱ ］ 值仍远大于 弹性模量Ｅ ，因此界面压力值取决 于 弹性模量Ｅ 。由于Ｅ 随温度基本不变，因此 根据前述仿真用电缆及接头参数（参见２ ５ 节），由式（２）求得室温下界面压力Ｐ＝ 温度变化对界面压力的影响可以忽略。 ０ ２５４７８２ ＭＰａ。与图５中ＡＮＳＹＳ仿真结果基本一 致，验证了ＡＮＳＹＳ有限元软件仿真的正确性。 ４结论 本文基于塑性力学理论，利用ＡＮＳＹＳ软件建立 １０ ｋＶ电缆接头三维仿真模型，分析了温度变化对 电缆接头界面压力的影响，得到如下结论： （１）电缆ＸＬＰＥ绝缘的弹性模量值随着温度升 高大幅度下降。附件绝缘ＳＲ的弹性模量随着温度 （上接第９页） 同时绕包张力应适当，张力过大，电缆柔软性 差，张力过小，屏蔽结构不稳定，工艺过程中屏蔽带 层与层之间容易产生缝隙、皱褶、表面不平整、外径 参考文献： ［１］邱扬抗棱电磁脉冲设计中的屏蔽理论——带有孔缝屏蔽 体屏效的计算［Ｊ］航天控制，１９９０（１）：３５ ３８ ［２］刘江峰数字通讯用水平对绞电缆屏蔽结构型式的讨论［Ｊ］ 电线电缆，２００４（５）：１８ ２０ 不均匀等缺陷，影响屏蔽性能。我们在工艺上对绕 包张力加以严格控制，绕包设备采用了计算机伺服 控制恒张力，使屏蔽层松紧适当，有效提高了电缆的 柔软性 ［３］ 夏炳森，赵莲清，陈路电磁屏蔽技术的分析与应用［Ｊ］中 国电力教育，２００７（ｓ３）：３７ ３８ ［４］多芯屏蔽电缆屏蔽效能测试报告（编号：ｌｌｘＰ ２００９ ００８） ［Ｒ］中国人民国防工程电磁脉冲防护测试研究中 心．２００９ ５结束语 采用金属编织与金属薄膜包容的混合屏蔽，经 ［５］多芯屏蔽电缆屏蔽效能测试报告（编号：ｌｌｘＰ ２００９ ０１４） ［Ｒ］中国人民国防工程电磁脉冲防护测试研究中 心．２００９ 过合理的设计，抗核电磁脉冲电缆达到了屏效不小 于７０ ｄＢ的要求。在制造过程中采用了最佳的工艺 参数和控制手段，使电缆具有较好的柔软性，利于野 战机动灵活的使用方式。 ［６］吴良斌现代电子系统的电磁兼容性设计［Ｍ］北京：国防工 业出版社，２００４ ［７］郑玉东通信电缆［Ｍ］北京：机械工业出版社，１９８２ ・】３・
