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1、2 0 1 1年第 1 期 No 1 2 0l1 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 1年 2月 Fe b，201 1 高压 电缆铝护套三种制作工艺的性能对 比与分析 刘红文，于钦 学，岳振 国 ，金金元2，程 湘 东 ，李丹丹，钟 力生(1 西安交通 大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 7 1 0 0 4 9；2 浙江晨 光电缆股份有限公 司，浙江 平湖 3 2 4 2 0 4)摘要：连续 包覆挤铝技术制造 电缆铝护套是连 续挤 压技 术 的进 一步发展，是一 种高效 节能的新 工艺。文 中主 要对 高压 交联 聚 乙烯
2、(X L P E)电力电缆不 同制造 工艺的挤铝、压 铝、氩 弧焊铝 护套进 行 力学性能 和显微 结构 的分析，结果表明，挤铝护套 的力学性 能和显微 组织优于氩孤焊铝护套，而压 铝护套和挤 铝护套无明显差别。关键词：高压交联 聚 乙烯绝缘 电力 电统；铝护 套；力 学性能；显微 组织 中圈分类号：T M 2 4 7 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 9 0 1(2 0 1 1)0 l-0 0 2 1-05 Pr o p e r t y Co m pa r i s o n an d Ana l y s i s o f t he Al umi ni u m S he a t hs
3、i n HV Ca bl e s Pr od uc e d b y Thr e e Di f f e r e n t Pr o c e s s e s L I U Ho n g we ne t a l (Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f El e c t r i c P o we r E q u i p me n t a n d E l e c t r i c a l I n s u l a t i o n，Xi a n 71 0 0 4 9，C h i n a)Ab
4、 s t r ac t：The c o n t i n u ou s a l u mi n um e x t r us i o n pr oc e s s t o prod uc e t he a l umi n i um s h e a t h s i n c a bl e s，a h i g h e ffi c i e n t a nd e n e r g y-s a v i n g ne w p r o c e s s，i s t h e r e s u l t o f t h e de v e l o p me n t o f t h e c o nt i n u o us e x t
5、 ru s i o n t e c h ni q ue I n t h i s p a p e r，t h e m e c h a n i c p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e o f th e a l u mi n i u m s h e a t h s i n e r o s s l i n k e d p o l y e th y l e n e(X L P E)p o w e r c a-b l e s p r o du c e d by t h r e e p r o c e s s e s，i e，a l u
6、mi n i um e x t r us i o n，a l u mi n i u m pr e s s i n g a nd a r g o n a r c we l d i ng，we re a n a l y s e dTh e r e s u l t s i n di c a t e d t ha t t he me c ha n i c p r o pe r t i e s a n d mi c ro s t ruc t u r e o f t h e e x t r ud e d a l umi ni u m s h e a t hs i n HV po l y e t hy l
7、e n e po we r c a bl e s i s s u pe rio r t o t he a l u mi ni u m s h e a t hs pr o d u c e d b y a r g o n a r e we l d i ng a n d no v i s i b l e d i f f e r e nc e b e t we en p r e s s e d a nd e x t ru d e d a l u mi n i u m s h e a t h s Ke y wor ds：HV c ros s l i nk e d po l y e t hy l e n
8、e po we r c a b l e；a l umi n i um s h e a t h；mec ha n i c pr o p e r t y；mi c ro s t ru c t u r e 0 引 言 随着 国民经济的发展和城市化进程的加速，采 用高压电力电缆送电正成为当今城市电网建设的趋 势。高压 交联 聚 乙烯(X L P E)绝缘 电 力 电缆制 造 技 术的发展与成熟，使之成为高压电缆输 电线路的主 流。高压 X L P E电缆设计要考虑的因素很多，其 中 金属护套的选择涉及电缆线路 的安全性、可靠性及 经 济性。金属护套在 电缆中的主要作用是 防水、承受短 路 电流、对绝缘
9、线芯起保护作用，因此，金属护套必 须具有 良好的机械性 能、耐腐蚀 以及 良好的密封性 能和导电性能。通常使用的金属护套材料主要有铅 或铝，由于铝与铅相比具有许多优点，因此 目前电缆 金属护套材料较多采用铝或铝合金材料。铝护套的制作有挤铝、压铝和氩弧焊三种工艺。收稿 日期：2 0 1 0-0 7 1 5 作者简介：刘红文(1 9 8 4一)，男，在读硕 士 作者地址：陕西省西安市咸宁西路 2 8号 7 1 0 049 本文主要对这三种工艺制作 的 X L P E电缆铝护套 的 力学性能和显微结构进行对 比、分析研究。1 铝护套的三种制作工 艺 1 1压铝 型铝 护套 在压铝工艺 中，必须选用可
10、塑性好、纯度较高的 铝锭，铝的纯度一般应不低于 9 9 6 。铝的熔点较 高(6 5 8)，因此 通 常把 圆柱形 的铝锭先 预热到 4 5 0左右，然后将其一端冲击加热 到 5 3 0，再装 入工作筒进行铝护套的挤制。压铝机是一种精 密设备，体积庞大、造价 昂贵、生产工序、工艺流程 比较复杂，且能耗和功耗很高，一般的电缆厂难 以承受，因而生产 的铝护套 电缆成 本较高 引。1 2氩弧 焊型 铝护 套 纵包焊 接皱纹铝护套是 由冷轧铝板卷包成 型 后，用氩弧焊接机焊接而成。氩弧焊焊接机组通 常 由放带、清洗、剪边、卷包成型、焊接、牵引、检测、轧 纹等部分组成，与压铝机 相 比造价非常低，生产工
11、 序、工艺流程简单，功耗及能耗较低，因而生产成本 2 0 1 1 年第 1 期 No 1 2 011 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 1年 2月 F e b，2 011 也相对 较低。但 由于在氩 弧焊 型铝护 套 中有焊缝 存 在，为保 证产 品 的密 封 性，需 检 验 铝 护 套 是 否 有 漏 焊，还要 对整 根 电缆 进行 浸水后 的气密 性试 验。1 3 挤 铝型铝 护套 2 0世纪 8 0年代发展起来 的连续包覆挤铝技术 是一种先 进 的生产 工艺，最初 该 工 艺 只适 合 于 直径 小于 3 5 mm 的铝 及 其
12、合 金 管 材 或 型 材 的生 产。近 年来，浙 江晨 光 电缆 公 司与 英 国 B WE公 司合 作 共 同研发了连续包覆挤铝新设备。该设备采用铝杆连 续挤压摩擦挤管技术，将电缆 的模具系统 由原来的 流道层压板式，改成古堡式的模芯，并借助计算机的 辅助设计，使铝材在流道中的压力保持一致，既提高 了挤出铝管的同心度和圆整度，又使挤出铝管的厚 度 更加均 匀。在缆 芯外 面和 铝 护套 外 面，分 别 进行 缆芯冷却和铝管冷却，同时在电缆缆芯和铝管 内壁 之间，设计 了一个带夹层的冷却水管，可有效防止电 缆缆芯被高温铝管烫伤。轧纹部分采用浮动式轧纹技术，保证了轧纹节 距和深度稳定可调。实现
13、了高电压、大截面 电缆无 缝 皱纹铝 护套 的连 续挤 出，铝 管 的 同 心度 和 圆 整度 达到了同类产品的领先水平。与传统的压铝技术相 比，设备成本低，节省 电能 7 0 以上，具有效率高、操作简单、安全可靠等优点。2力学性能分析 浙 江晨 光 电缆 公 司提 供 了挤 铝、压 铝 和氩 弧焊 三种工艺的铝护套，西安交通大学电力设备 电气绝 缘 国家重 点实 验 室 依 据 G B 6 3 9 7 8 6 金 属 材料 室 温拉伸试验 和 G B T 2 4 6-2 0 0 7 金属管压扁试验 方法 制作 了试样。为 了区分 不同工艺制 作 的试 样，对三种铝护套试样进行统一编号：J L
14、 一挤铝铝护 套；Y H一氩弧焊工艺的铝护套；Y L 一压铝铝护套。2 1抗拉 强度 与伸长 率 将 两种(挤 铝、氩 弧焊)工 艺 制 造 的铝 护 套，切 割成如图 1 a 所示尺寸的非比例试样，切样时应防 止损伤试样表面和因受热或冷加工改变其性 能，同 时试样表面应无毛刺。实际试样及拉断后的试样如 图 1 b和图 1 c所示。拉力与伸长量关系曲线如图 2 所 示。强度是 指金 属 在静 载 荷 作用 下、抵 抗 塑 性 变形 或 断裂 的能力，是 机械 零 件(或 工 程 构件)在 设 计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设 计的主要依据。塑性是指金属材料断裂前发生永久 变形
15、的能力，衡量指标为伸长率和断面收缩率，本文 采用伸长率来衡量铝护套的塑性。铝护套(儿、Y H)2 2 卜 一 L -一 4 5m m 1 0n l l i 1 a)铝护套非 比例试样尺寸 b)实 际试样 c)拉断后 的试样 图 l 拉力试验试样 l 40 0 l 2 0 o l O 0 0 80 0 6 0 0 40 o 20 0 a)挤铝 J L 0 5 1 0 1 5 2O 2 5 位移 mm b)氩 弧焊 Y H 图 2 拉力与伸长量关 系曲线 抗拉强度和伸长率的计算结果见表 1。2。2压 扁试 验分 析 压扁 试 验分 析，是 检 验铝 护 套压 扁 到规 定 尺寸 的变形性能、并显示
16、其缺陷的一种试验方法。用 垂直于铝护套纵轴线方 向的力，对规定长度的螺旋 型波纹 铝护 套(J L、Y H、Y L)端 部 施加 压力 进 行 压扁 如 图 3 a所 示，直 至 位 移 为 一6 1 7 7 ra m 终 止 试 验。2 0 1 1 年第 1 期 No 1 2 01 1 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e&Ca b l e 2 0 1 1年 2月 Fe b，2 01 1 实际试样及压扁后的试样见图 3 b和图 3 c。表 1 抗拉 强度和伸 长率计算结果 试样编号 试样 力学性能 平均值 1 2 3 挤铝 强度 MP a 6 7 7 1 6 5 0
17、5 6 9 8 1 6 7 5 2 (J L)伸长率 3 8 1 2 5 4 8 7 4 3 8 9 4 5 6 3 氩弧焊 强度 MP a 6 5 6 5 8 2 4 6 8 2 2 6 4 O 2 (YH)伸长率 4 3 7 9 4 1 6 4 3 6 4 4 4 0 6 2 a)压力原理图 h)实际试样 c)压 扁 后 的试 样 图 3 压扁试验试样 对于氩弧焊工艺的铝护套应分别在压力与焊缝 平行和垂直 的两种方式下做压扁试验。压力与变形 关系 曲线 如 图 4所示，屈 服压力 大小 见表 2。从 图 4中可 以看 出，不 同制 造 工 艺 的铝 护套 在 压 力作 用下 表现 出来 的
18、变化 趋 势相 同。对 照表 2可 以看出，图 4 c氩弧焊焊缝在上方(0。)时，由于焊缝 的存在使屈服压力偏小。2 3显微 硬 度分析 硬度是指金属表面上不大体积 内抵抗变形或抵 抗破裂的能力。常用 的硬度实验指标有布 氏硬度、洛 氏 硬 度 和 维 氏 硬 度 三 种。本 文 采 用H X D 1 0 0 0 T M C维氏显微硬度计测量硬度，得到三种铝护 套 的硬度如表 3所示。表中凸的位置是指波纹管的 波峰位置，而凹的位置是指波纹管的波谷位置。a)挤 铝 J L b)压铝 Y L c)氩弧焊 Y H(焊缝分别在上方和中部)图 4 压力与变形关 系曲线 表 2屈服压力大小(单位：N)试样
19、编号 屈服力 试样种类 l 2 3 平均值 挤铝(J L)l O l 9 6 9 1 2 3 0 4 5 1 2 7 8 9 l 1 1 7 6 3 5 压 铝(Y L)l 2 2 6 5 7 l 2 4 9 5 6 1 2 2 6 8 0 l 2 3 4 3 1 氩 弧焊 0 o 1 1 6 6 O O 8 0 6 2 8 1 0 2 3 4 8 9 9 8 5 9 (Y H)9 0。l l 3 1 5 O l 2 0 o 4 6 1 2 0 3 3 3 1 1 7 8 4 3 注：氩弧焊(Y H)焊缝 在上 方时，以 0。表 不；焊缝 在 中邵时，以 9 O。表示。从表 3中可以看 出，氩弧焊和压铝波纹管 凹处 的硬度 明显 大于 凸处 的，而挤 铝 的 凸 处 和 凹处 的 硬 度没 有 明显 的差别。3 铝护套的密度测量 采用 比重瓶法测量密度，通过测得试样的质量 23