長期冷熱循環(huán)對電纜附件界面壓力的影響

張 靜，胡勝男，何 亮，蔡玉汝，程 林，徐慶文，孟鵬飛，周 凱

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211006；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048；4.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

電纜接頭和電纜終端統(tǒng)稱為電纜附件[1]，是電纜線路中必不可少的組成部分，同時(shí)電纜附件也是電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和易發(fā)生故障的部位[2]。電纜終端可以分為戶外終端、戶內(nèi)終端和設(shè)備終端[2]。電纜接頭種類主要有冷縮、熱縮、澆筑、繞包和預(yù)制型等[3]。冷縮中間接頭所用冷縮管在自然狀態(tài)下內(nèi)徑比電纜本體外徑小，冷縮管出廠時(shí)利用塑料支撐條將其撐開，使其內(nèi)徑大于電纜外徑[4-5]。在使用時(shí)，先將冷縮管套于電纜本體外，再將塑料支撐條抽出，冷縮管收縮復(fù)位，并因過盈配合與電纜本體產(chǎn)生界面壓力，使冷縮管牢固安裝至電纜本體[5-6]。

電纜本體和附件之間的界面壓力會(huì)影響電纜附件的電氣強(qiáng)度，且界面壓力也是決定電纜附件界面密封性以及確保電纜附件長期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[7-8]。大量學(xué)者針對電纜附件界面壓力作了諸多研究。文獻(xiàn)[9]建立了電纜冷縮中間接頭界面結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算模型，獲得了界面壓力的理論計(jì)算方法。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)際測量與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)在電纜安裝和運(yùn)行過程中，電纜終端絕緣界面壓力隨著電壓的增大而增大。文獻(xiàn)[11]通過分析3根不同運(yùn)行年限電纜的電氣性能和力學(xué)性能，研究了老化電纜的絕緣層彈性模量變化對界面壓力的影響。文獻(xiàn)[12]針對一起電纜故障案例，通過理論分析和有限元仿真研究了過盈量和硅橡膠絕緣層厚度對界面應(yīng)力的影響。

以往研究中，對于影響電纜附件界面壓力的因素均有討論，雖然有學(xué)者認(rèn)為溫度對電纜附件界面壓力有影響[13-14]，但是并沒有學(xué)者針對電纜附件界面壓力在長期冷熱負(fù)荷循環(huán)作用下的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

為探究冷熱循環(huán)溫度及老化時(shí)間對電纜附件界面密封性能的影響，本研究搭建電纜附件冷熱循環(huán)老化平臺，對電纜附件開展冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)。采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）對電纜附件界面壓力進(jìn)行分析，并對電纜附件界面壓力進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測試系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)平臺

電纜附件的抱緊力由附件絕緣材料硅橡膠（silicone rubber,SR）與電纜本體絕緣交聯(lián)聚乙烯（XLPE）的過盈配合產(chǎn)生，在冷縮電纜附件生產(chǎn)過程中，使用塑料支撐條使附件處于擴(kuò)張狀態(tài)。在附件安裝過程中抽出塑料支撐條，SR絕緣緊縮在電纜絕緣表面，SR因處于擴(kuò)張狀態(tài)而產(chǎn)生徑向應(yīng)力F1，及切向應(yīng)力F21和F22。所構(gòu)建的電纜附件界面壓力測試系統(tǒng)如圖1所示，通過內(nèi)置壓力傳感器采集電纜接頭的抱緊力。

圖1 界面壓力測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of interface pressure

該測試系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，包括硬件測量裝置和軟件分析系統(tǒng)。硬件測量裝置主要包括壓力傳感器、測量電橋、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、供電模塊。硬件測量工作流程是壓力傳感器測量到電纜附件上的應(yīng)變值，以電阻值的形式輸出，然后經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，將電阻模擬信號轉(zhuǎn)化為能夠被單片機(jī)采集的電壓數(shù)字信號，最后通過單片機(jī)的串口模式將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。軟件分析系統(tǒng)由內(nèi)置電纜接頭力學(xué)模型及不同條件下的材料參數(shù)的算法程序構(gòu)成，其作用是將由硬件測量裝置測得的應(yīng)變結(jié)合附件的力學(xué)模型及材料參數(shù)，計(jì)算出電纜附件的界面壓力。

為探究溫度及老化時(shí)間對電纜附件界面密封性能的影響，搭建電纜附件冷熱循環(huán)老化平臺，對實(shí)際電纜附件進(jìn)行長期冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)。冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)使用高低溫交變濕熱實(shí)驗(yàn)箱（蘇瑞電子設(shè)備有限公司，RGDJS-800型），通過控制電纜接頭溫度變化，從而實(shí)現(xiàn)冷熱循環(huán)。因電纜中間接頭與電纜終端頭絕緣界面的電氣結(jié)構(gòu)與絕緣結(jié)構(gòu)類似，故選取蘇州西熔電氣有限公司生產(chǎn)的10 kV 95 mm2單芯戶內(nèi)冷縮終端頭作為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行界面壓力測試。冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of test system

冷熱循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)選擇的壓力傳感器是由Tekscan公司生產(chǎn)的FlexiForce HT201型薄膜式壓力傳感器，如圖3所示，該傳感器適用于高溫場合，能夠在高達(dá)200℃的環(huán)境中測量壓力。

圖3 FlexiForce HT201型薄膜式壓力傳感器Fig.3 FlexiForce HT201 thin film pressure sensor

實(shí)驗(yàn)時(shí)將薄膜式壓力傳感器貼于電纜附件界面，當(dāng)界面產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，粘貼在其上的薄膜壓力傳感器隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在安裝終端接頭的冷縮管前，將傳感器的感應(yīng)區(qū)域貼附在應(yīng)力錐與電纜主絕緣接觸的位置，即距離外半導(dǎo)電層截?cái)嗵幧戏酱蟾?0 mm處，圖4為薄膜式壓力傳感器安裝位置示意圖。

圖4 壓力傳感器安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of pressure sensor

用膠帶將傳感器末端固定在電纜的外護(hù)套上，然后套上冷縮管并緩慢抽出冷縮管內(nèi)的支撐條，讓薄膜式壓力傳感器盡可能平整地貼附在應(yīng)力錐與主絕緣間的界面上以保證檢測效果。在界面安裝有薄膜式壓力傳感器的電纜終端如圖5所示。

圖5 界面壓力測試示意圖Fig.5 Interface pressure test diagram

冷熱負(fù)荷循環(huán)實(shí)驗(yàn)老化溫度設(shè)置為130℃，每24 h為一個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)周期130℃老化8 h，25℃室溫靜置16 h，老化過程均在圖2所示的烘箱內(nèi)進(jìn)行。每個(gè)循環(huán)周期分別在升溫與冷卻階段待溫度穩(wěn)定后快速多次記錄相應(yīng)界面壓力，并求取平均值，以避免偶然誤差。

2 結(jié)果與分析

對上述內(nèi)置薄膜式壓力傳感器的電纜終端樣本進(jìn)行54個(gè)周期的冷熱循環(huán)老化。圖6為電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天中，在冷卻階段25℃時(shí)測得的電纜附件界面壓力值變化曲線。圖7為電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天過程中，在升溫階段130℃時(shí)測得的電纜附件界面壓力值變化曲線。

圖6 25℃下電纜附件界面壓力變化規(guī)律Fig.6 Change law of interface pressure of cable accessories at 25℃

圖7 130℃下電纜附件界面壓力變化規(guī)律Fig.7 Change law of interface pressure of cable accessories at 130℃

為了排除測試過程中的干擾，更好地反映變化趨勢，對測得的結(jié)果進(jìn)行指數(shù)擬合，得到擬合結(jié)果如圖6和圖7中的平滑曲線所示。從圖6和圖7可以看出，在同一個(gè)冷熱負(fù)荷循環(huán)周期中，130℃時(shí)界面壓力在0.54 MPa左右，高于25℃時(shí)的界面壓力值。從擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷熱循環(huán)老化時(shí)間增加，在25℃時(shí)，前20個(gè)老化周期界面壓力基本不變，而在后34個(gè)老化周期界面壓力從0.5 MPa左右快速下降至0.4 MPa左右，說明這時(shí)材料已明顯發(fā)生了應(yīng)力松弛現(xiàn)象。而130℃下隨老化時(shí)間增加，界面壓力始終維持為0.54 MPa左右。

結(jié)合文獻(xiàn)[15]可知，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因可能是：在溫度較高時(shí)，影響界面壓力的主要因素不是材料的彈性模量，而是材料的熱膨脹系數(shù)，因?yàn)楣柘鹉z材料對熱敏感度較高，所以在130℃下測得的界面壓力始終維持在較高且不穩(wěn)定的水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將電纜附件剝離與未老化電纜附件進(jìn)行對比，如圖8所示，可以看出老化后電纜附件產(chǎn)生了明顯的松弛現(xiàn)象，這也從側(cè)面驗(yàn)證冷熱循環(huán)下硅橡膠材料發(fā)生了應(yīng)力松弛。

為進(jìn)一步驗(yàn)證冷熱循環(huán)下電纜附件界面壓力的松弛規(guī)律，對老化前后的電纜附件硅橡膠材料進(jìn)行切片，對樣片進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA），矩形樣本尺寸為6 mm×25 mm，測量不同溫度下材料的彈性模量，并進(jìn)行電纜附件界面壓力的仿真分析。新電纜附件和冷熱循環(huán)老化54天后的電纜附件的DMA，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 DMA測試結(jié)果Fig.9 Test results of DMA

由圖9可以看出，老化前后的電纜附件硅橡膠材料彈性模量均呈現(xiàn)隨溫度升高而逐漸下降的規(guī)律。電纜附件在冷熱循環(huán)老化54天后，硅橡膠在25～130℃下的彈性模量均顯著高于未老化試樣。其中，25℃下彈性模量從1.665 MPa增大至1.942 MPa，而130℃下彈性模量則從1.444 MPa增大至1.632 MPa。

對初始狀態(tài)與老化結(jié)束后的附件（均無支撐條）進(jìn)行尺寸參數(shù)測量，附件初始狀態(tài)的內(nèi)徑與厚度以及老化后的內(nèi)徑與厚度見表1。其中r為附件內(nèi)徑；D為附件厚度；d為擴(kuò)徑大小，擴(kuò)徑大小為電纜絕緣半徑（實(shí)測10.8 mm）減去附件內(nèi)徑；E為彈性模量，彈性模量參考DMA測量結(jié)果。由表1可以看出，經(jīng)老化后的電纜附件擴(kuò)徑和厚度均減小，擴(kuò)徑由老化前的1.8 mm減小為老化后的0.6 mm，厚度由老化前的9.1 mm減小為8.0 mm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是冷熱循環(huán)下硅橡膠材料因反復(fù)熱脹冷縮而產(chǎn)生的“呼吸效應(yīng)”[16]，文獻(xiàn)[16]研究表明，反復(fù)“呼吸效應(yīng)”會(huì)加快高分子材料的應(yīng)力松弛，這與表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的。此外，還與硅橡膠內(nèi)殘留的交聯(lián)劑以及老化過程中產(chǎn)生的小分子產(chǎn)物受熱揮發(fā)有關(guān)[17]。

表1 附件尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of accessories

3 冷熱負(fù)荷循環(huán)界面壓力仿真驗(yàn)證

由于電纜附件為圓筒狀對稱結(jié)構(gòu)[18]，借助仿真軟件搭建硅橡膠附件擴(kuò)徑模型，如圖10所示，在仿真軟件中作1/4圓環(huán)仿真模型，模型邊界條件和網(wǎng)格劃分如圖11所示。參照表1中的實(shí)測數(shù)據(jù)對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，忽略老化前后硅橡膠的密度及泊松比的變化，取SR材料密度為1.08 g/cm3，泊松比為0.499。邊界1、2施加對稱約束，邊界3施加位移邊界條件。

圖10 電纜附件模型Fig.10 The model of cable accessory

圖11 邊界條件及網(wǎng)格劃分Fig.11 Boundary condition and mesh subdivision

選用仿真軟件內(nèi)置固體力學(xué)場對老化前后常溫狀態(tài)下的電纜附件進(jìn)行力學(xué)分析[19]，電纜附件界面壓力仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 界面壓力仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of interface pressure

從圖12可以看出，在冷熱負(fù)荷循環(huán)老化54天后，電纜接頭界面壓力由0.376 MPa減小至0.278 MPa。真實(shí)附件測量界面壓力從約0.5 MPa減小至約0.4 MPa，雖然仿真值與實(shí)測值有一定誤差，但均可發(fā)現(xiàn)隨老化時(shí)間增加附件界面壓力呈減小趨勢。上述誤差產(chǎn)生的原因主要為：薄膜壓力傳感器貼在電纜絕緣表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，其壓力-電阻曲線會(huì)發(fā)生偏移，使用該類型傳感器測量曲面壓力的誤差難以通過校準(zhǔn)消除。此外，仿真的假設(shè)條件是硅橡膠為單一均勻組分，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)往硅橡膠中摻雜白炭黑等成分以增強(qiáng)其各項(xiàng)性能[20]，白炭黑并非均勻分布，這就導(dǎo)致仿真過程中的各項(xiàng)參數(shù)無法與真實(shí)數(shù)據(jù)完全擬合?？紤]上述影響后，可以認(rèn)定仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相吻合。

綜上，電纜附件在長期冷熱循環(huán)作用下，一方面會(huì)加速硅橡膠材料發(fā)生應(yīng)力松弛，產(chǎn)生不可恢復(fù)形變，導(dǎo)致縮緊后界面壓力下降；另一方面也會(huì)對材料彈性模量產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致界面壓力改變。且冷熱循環(huán)作用下，電纜附件恢復(fù)低溫工作時(shí)，應(yīng)力松弛現(xiàn)象更明顯[21-22]。相關(guān)研究表明，低場強(qiáng)下硅橡膠與交聯(lián)聚乙烯界面有較多的電荷聚集[23-24]。因此在現(xiàn)場帶電運(yùn)行過程中，電纜在低負(fù)荷、低運(yùn)行溫度時(shí)的狀態(tài)值得密切關(guān)注。冷熱循環(huán)老化的老化溫度及老化時(shí)間是導(dǎo)致電纜接頭界面壓力改變的主要因素。

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電纜附件正常工作時(shí)的冷熱循環(huán)狀態(tài)會(huì)加速硅橡膠材料的老化，致使材料發(fā)生應(yīng)力松弛。隨老化時(shí)間延長、老化溫度升高，電纜附件產(chǎn)生不可恢復(fù)形變，界面壓力下降，界面密封性降低。

（2）實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，導(dǎo)致附件材料應(yīng)力松弛的原因是材料彈性模量和附件擴(kuò)徑率的改變，而產(chǎn)生這一變化的原因是材料反復(fù)熱脹冷縮引起的“呼吸效應(yīng)”。

（3）冷熱循環(huán)狀態(tài)下，電纜附件在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，低溫狀態(tài)的應(yīng)力松弛相較于高溫狀態(tài)更明顯。表明電纜附件在低負(fù)荷、低運(yùn)行溫度的狀態(tài)下更容易檢出故障。