110kV交联聚乙烯电缆铝护套力学性能的研究
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挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH） 焊缝处 氩弧焊（ YH） 无缝处
表 4 伸长率
1 46. 1 26. 0 56. 3
试样编号 2
42. 9 21. 6 51. 2
（ 单位： % ）
3 44. 4 22. 1 55. 3
平均值
44. 47 23. 23 54. 27
（ 3） 试验结果与讨论 从以上试验结果可以看出，挤压铝试样的纵向 和横向的抗拉强度都高于氩弧焊的，横向无焊缝处 氩弧焊试样的伸长率大于挤压铝试样的，但是在焊 缝处仅 23. 23% ，远远小于挤压铝的 44. 47% ，表明
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH） 焊缝处 氩弧焊（ YH） 无缝处
表 3 抗拉强度
1 74. 38 60. 04 62. 80
试样编号 2
73. 63 59. 80 62. 70
（ 单位： N / mm2 ）
3 73. 70 59. 35 62. 55
平均值
73. 90 59. 73 62. 68
试样种类
摘要： 高压电力电缆的电气、机械等诸多性能的优劣直接关系着电力系统的安全与可靠运行。对 110kV 高压
交联聚乙烯电力电缆不同制造工艺的铝护套( 如挤铝、氩弧焊铝) 进行力学性能研究，结果表明挤压工艺生产
的铝护套力学性能优于氩弧焊的，但是氩弧焊的动态力学损耗因数小于挤压的，氩弧焊有缝处的动态力学损
耗因数大于无缝处的。两种铝护套的动态力学损耗因数都在频率 84Hz 附近出现峰值。
（ 1） 实验方法与原理 动态力学试验［8-11］采用单悬臂模式，原理如图 5 所示。试样的一端固定，另一端施加一个变化着的 频率的振动。由此测得试样的模量和损耗因子随频 率的变化曲线。模量由测得的刚度（ 是指弹性体抵 抗弯曲、拉伸、压缩等变形的能力） 算得，可根据下 式计算：
图 5 单悬臂模式原理图
0引言
随着电力系统的飞速发展，输变电系统的电压 等级不断升高，对其系统所用的材料、设备及附件的 要求也越 来 越 高，特 别 是 输 送 电 力 电 能 的 主 要 载 体———高压电力电缆，其绝缘性能、机械性能、抗老 化性能等的优劣会直接影响输变电系统的安全运 行［1，2］，因此，不论是电力系统还是科研院所都投入 了大量的人力物力进行研究，研究论文也层出不穷。 但是，有关电力电缆铝护套不同制造工艺的力学性 能的研究文献却比较少，为此，本文主要选择不同制 造工艺的铝护套，进行静态力学性能及动态力学性 能的实验研究，通过比较，得到了一些有实际意义的 规律性实验结果。
1. 88 1. 72 1. 88 1. 88 1. 80 1. 78 1. 88 1. 88
1. 70 1. 98 1. 88 1. 86 1. 90 1. 90 1. 88 1. 88
平均
1. 85 1. 86 1. 87 1. 87 1. 86 1. 85 1. 88 1. 88
表 6 挤压铝护套编号及厚度参数
tanδ
=
M″ M'
式中： M' 为贮能模量，与弹性的、可回复的贮能能
量成正比（ MPa） ； M″ 为能耗模量，与转化成热的、不
可回复的损耗能量成正比（ MPa） ； δ 为力和位移的
相位差，tanδ 为动态力学损耗因数（ 以下简称损耗因
数） 。对于完全的弹性材料，无相位差，δ = 0°； 对于
完全粘性材料，δ = 90°。一般的材料，tanδ 在 0 到∞
·5·
2014 年第 4 期 No． 4 2014
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2014 年 8 月 Aug．，2014
挤压铝试样的强度和塑性都优于氩弧焊的。 由于氩弧焊铝护套在焊接过程中，改变了焊缝
周围的组织，使焊缝周围的力学性能尤其屈服强度 和塑性远远不如无缝处的，所以将直接影响高压电 力电缆铝护套承受热膨胀应力和挤压应力的能力。 2. 2 动态力学试验
本文主要用材料拉伸机和 DMA / SDTA861e型动 态力学测试仪，对挤压铝和氩弧焊两种工艺制作的 XLPE 电缆铝护套进行静态力学、动态力学的性能 对比分析和研究。
1 试样制备
为了区分不同的试样，对两种铝护套试样进行 统一编号，测量样品尺寸，对比两种铝护套的性能变 化并分析其影响因素。其中： YH 为氩弧焊工艺制 作的铝护套； JL 为挤压工艺制作的铝护套。
如表 1、表 2 所示。
表 1 抗拉强度
（ 单位： N / mm2 ）
试样种类
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH）
1 67. 71 65. 6
试样编号 2
65. 05 58. 24
3 69. 81 68. 22
平均值
67. 52 64. 02
试样种类
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH）
Biblioteka Baidu
表 2 伸长率
1 38. 12 43. 79
编号
J1 横向
J2
2. 32 1. 90
厚度 2. 32 1. 88
2. 26 1. 82
J3
纵向 J4
2. 36 1. 90
2. 34 1. 90
2. 36 1. 92
（ 单位： mm）
平均 2. 30 1. 87 2. 35 1. 91
M*
= S·g = Fag La
S = Fa La
式中： g 为由样品尺寸计算得到的几何因子； S 为样
关键词： 交联聚乙烯电缆; 铝护套; 力学性能
中图分类号： TM206
文献标识码： A
文章编号： 1672-6901（ 2014） 04-0004-04
Study on Mechanical Properties of 110 kV Aluminum Sheath of XLPE Cable YU Qin-xue1 ，ＲEN Wen-e1 ，YUE Zhen-guo2 ，JIN Jin-yuan2 ， ZHAO Miao1 ，XU Yang1 ，ZHONG Li-sheng1
品的刚度，刚度和弹性模量是不一样的。弹性模量
是物质组分的性质； 而刚度是固体的性质。也就是
说，弹性模量是物质微观的性质，而刚度是物质宏观
的性质，样 品 的 刚 度 受 样 品 几 何 尺 寸 变 化 的 影 响。
其中，F a 是力的大小，L a 是位移振幅。 M' = M* cosδ
M″ = M* sinδ
2014 年第 4 期 No． 4 2014
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2014 年 8 月 Aug．，2014
110 kV 交联聚乙烯电缆铝护套力学性能的研究
于钦学1， 任文娥1， 岳振国2， 金金元2， 赵 苗1， 徐 阳1， 钟力生1
（ 1． 西安交通大学 电气绝缘研究中心，陕西 西安 710049； 2． 浙江晨光电缆股份有限公司，浙江 平湖 324204）
使得材料的温度升高，导致材料内部价键破坏，加速 材料的分解。
（ 2） 试样编号与尺寸 氩弧焊与挤压铝试样的编号与尺寸如表 5、表 6 所示。
表 5 氩弧焊铝护套编号及厚度参数 （ 单位： mm）
试样种类
横向
有缝 无缝
纵向
有缝 无缝
编号
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8
厚度
1. 98 1. 88 1. 86 1. 88 1. 88 1. 88 1. 88 1. 88
通常情况下，高压交联聚乙烯（ XLPE） 电缆铝 护套的 制 作 工 艺 有 三 种［3-5］： 挤 压 铝、压 铝、氩 弧
收稿日期： 2014-01-08 作者简介： 于钦学（ 1960 － ） ，男，高级工程师． 作者地址： 陕西西安市咸宁西路 28 号［710049］．
焊。压铝主 要 是 利 用 压 铝 机 进 行 和 完 成，由 于 其 成本高，工 艺 复 杂，能 耗 大 而 很 少 采 用； 氩 弧 焊 是 由冷轧铝板 卷 包 成 型 后，再 用 氩 弧 焊 接 机 焊 接 而 成，工艺流 程 简 单、能 耗 低、耗 时 少、生 产 成 本 低， 因 此 采 用 较 多 ，不 足 之 处 是 存 在 焊 缝 ，需 要 对 焊 接 的电缆进行浸水和气密性试验； 挤压铝是连续包 覆挤压技术，是 20 世纪 80 年代发展起来的一种比 较先进的 生 产 工 艺，其 特 点 是 成 本 低、节 能、效 率 高、方便安全。
之间，tanδ 的值越大表示材料粘性越大，越小则表示
材料的弹性越好。这是由于当损耗因子 tanδ 值越
大时，外界对材料做的功则大部分转化为能耗模量，
（ 3） 试验结果与分析讨论 对于电缆的金属铝护套而言，tanδ 的值越小，则 护套的弹性越好，其延展性也就越好，更有利于保护 内部绝缘； 相对而言，如果 tanδ 的值太大，当受外界 作用时，温度很容易升高，不仅会损害内部绝缘，还 会加速护套本身的分解。实验采用单悬臂模式。首 先用仪器对样品 Y1 用单悬臂做一条力与位移的变 化曲线。设置温度 25℃ ，频率 1 Hz，位移从 1 μm 到 50 μm 的变化区间，35 μm 的位移大约对应 10 N 的 力。最后选定单悬臂实验方案为： 设置力为 10 N， 位移为 35 μm，温度为 25℃ ，夹具的长度为 20 mm， 频率变化范围从 40 Hz 到 180 Hz，每 1 Hz 取一个 点。本实验将主要通过给铝护套施加一个频率变化 的力，测出材料的损耗因数随频率的变化曲线，然后 对比两种铝材料护套的变化曲线，分析其影响因素。 根据以上实验方案，测得 tanδ 随频率变化曲线 如图 6 ～ 图 9 所示。 从图 6 可以看出，有缝氩弧焊试样的损耗因数 峰值比无缝的大。 从图 7 ～ 图 9 可以看出，挤压铝护套试样的损 耗因数峰值均大于氩弧焊铝护套试样的。挤压铝、 氩弧焊纵向横向试样的动态损耗因数均在 84 Hz 左 右出现最大值。
试样编号 2
54. 87 41. 64
3 43. 89 36. 44
（ 单位： % ）
平均值 45. 63 40. 62
纵向拉力与伸长量关系曲线如图 3 所示。
图 3 拉伸力与伸长量关系曲线
（ 2） 横向抗拉强度与伸长率 横向拉力与伸长量关系曲线如图 4 所示。抗拉
图 4 拉伸力与伸长量关系曲线
试样种类
图 1 拉伸试验使用的试样
图 2 动态力学试验使用的试样
2 试验结果与分析讨论
2. 1 拉伸试验
（ 1） 纵向抗拉强度与伸长率
强度是指在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断 裂的能力［6，7］，本 文 采 用 伸 长 率 来 衡 量 铝 护 套 的 塑
性。铝护套（ JL、YH） 抗拉强度和伸长率的计算结果
（ 1． Electric Insulation Ｒesearch Center，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China； 2． Zhejiang Chengguang Cable Co．，Ltd．，Pinghu 214251，China）
Abstract： The electrical，mechanical and other properties of high voltage power cables is directly related to the safe and reliable operation of electric power system． The aluminum sheath of different manufacturing process （ such as extrusion aluminum，argon arc welding aluminum） about 110kV high voltage XLPE power cable was studed by means of Mechanical properties． The results show that the mechanical performance of extruding process aluminum sheath is better than that of argon arc welding，but the dynamic mechanical loss factor of argon arc welding is less than extrusion，and dynamic mechanical loss factor of argon arc welding seam is larger than the seamless． The dynamic mechanical loss factor of two kinds of aluminum sheath appears the peak near frequency 84Hz． Key words： XLPE cable； aluminum sheath； mechanical properties
2014 年第 4 期 No． 4 2014
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2014 年 8 月 Aug．，2014
将两种（ 挤铝、氩弧焊） 工艺制造的铝护套，切 割成如图 1 和图 2 所示尺寸的试样，剪切样品时不 能损伤试样，要求试样表面无毛刺等。
强度和伸长率计算结果如表 3、表 4 所示。
表 4 伸长率
1 46. 1 26. 0 56. 3
试样编号 2
42. 9 21. 6 51. 2
（ 单位： % ）
3 44. 4 22. 1 55. 3
平均值
44. 47 23. 23 54. 27
（ 3） 试验结果与讨论 从以上试验结果可以看出，挤压铝试样的纵向 和横向的抗拉强度都高于氩弧焊的，横向无焊缝处 氩弧焊试样的伸长率大于挤压铝试样的，但是在焊 缝处仅 23. 23% ，远远小于挤压铝的 44. 47% ，表明
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH） 焊缝处 氩弧焊（ YH） 无缝处
表 3 抗拉强度
1 74. 38 60. 04 62. 80
试样编号 2
73. 63 59. 80 62. 70
（ 单位： N / mm2 ）
3 73. 70 59. 35 62. 55
平均值
73. 90 59. 73 62. 68
试样种类
摘要： 高压电力电缆的电气、机械等诸多性能的优劣直接关系着电力系统的安全与可靠运行。对 110kV 高压
交联聚乙烯电力电缆不同制造工艺的铝护套( 如挤铝、氩弧焊铝) 进行力学性能研究，结果表明挤压工艺生产
的铝护套力学性能优于氩弧焊的，但是氩弧焊的动态力学损耗因数小于挤压的，氩弧焊有缝处的动态力学损
耗因数大于无缝处的。两种铝护套的动态力学损耗因数都在频率 84Hz 附近出现峰值。
（ 1） 实验方法与原理 动态力学试验［8-11］采用单悬臂模式，原理如图 5 所示。试样的一端固定，另一端施加一个变化着的 频率的振动。由此测得试样的模量和损耗因子随频 率的变化曲线。模量由测得的刚度（ 是指弹性体抵 抗弯曲、拉伸、压缩等变形的能力） 算得，可根据下 式计算：
图 5 单悬臂模式原理图
0引言
随着电力系统的飞速发展，输变电系统的电压 等级不断升高，对其系统所用的材料、设备及附件的 要求也越 来 越 高，特 别 是 输 送 电 力 电 能 的 主 要 载 体———高压电力电缆，其绝缘性能、机械性能、抗老 化性能等的优劣会直接影响输变电系统的安全运 行［1，2］，因此，不论是电力系统还是科研院所都投入 了大量的人力物力进行研究，研究论文也层出不穷。 但是，有关电力电缆铝护套不同制造工艺的力学性 能的研究文献却比较少，为此，本文主要选择不同制 造工艺的铝护套，进行静态力学性能及动态力学性 能的实验研究，通过比较，得到了一些有实际意义的 规律性实验结果。
1. 88 1. 72 1. 88 1. 88 1. 80 1. 78 1. 88 1. 88
1. 70 1. 98 1. 88 1. 86 1. 90 1. 90 1. 88 1. 88
平均
1. 85 1. 86 1. 87 1. 87 1. 86 1. 85 1. 88 1. 88
表 6 挤压铝护套编号及厚度参数
tanδ
=
M″ M'
式中： M' 为贮能模量，与弹性的、可回复的贮能能
量成正比（ MPa） ； M″ 为能耗模量，与转化成热的、不
可回复的损耗能量成正比（ MPa） ； δ 为力和位移的
相位差，tanδ 为动态力学损耗因数（ 以下简称损耗因
数） 。对于完全的弹性材料，无相位差，δ = 0°； 对于
完全粘性材料，δ = 90°。一般的材料，tanδ 在 0 到∞
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挤压铝试样的强度和塑性都优于氩弧焊的。 由于氩弧焊铝护套在焊接过程中，改变了焊缝
周围的组织，使焊缝周围的力学性能尤其屈服强度 和塑性远远不如无缝处的，所以将直接影响高压电 力电缆铝护套承受热膨胀应力和挤压应力的能力。 2. 2 动态力学试验
本文主要用材料拉伸机和 DMA / SDTA861e型动 态力学测试仪，对挤压铝和氩弧焊两种工艺制作的 XLPE 电缆铝护套进行静态力学、动态力学的性能 对比分析和研究。
1 试样制备
为了区分不同的试样，对两种铝护套试样进行 统一编号，测量样品尺寸，对比两种铝护套的性能变 化并分析其影响因素。其中： YH 为氩弧焊工艺制 作的铝护套； JL 为挤压工艺制作的铝护套。
如表 1、表 2 所示。
表 1 抗拉强度
（ 单位： N / mm2 ）
试样种类
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH）
1 67. 71 65. 6
试样编号 2
65. 05 58. 24
3 69. 81 68. 22
平均值
67. 52 64. 02
试样种类
挤铝（ JL） 氩弧焊（ YH）
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表 2 伸长率
1 38. 12 43. 79
编号
J1 横向
J2
2. 32 1. 90
厚度 2. 32 1. 88
2. 26 1. 82
J3
纵向 J4
2. 36 1. 90
2. 34 1. 90
2. 36 1. 92
（ 单位： mm）
平均 2. 30 1. 87 2. 35 1. 91
M*
= S·g = Fag La
S = Fa La
式中： g 为由样品尺寸计算得到的几何因子； S 为样
关键词： 交联聚乙烯电缆; 铝护套; 力学性能
中图分类号： TM206
文献标识码： A
文章编号： 1672-6901（ 2014） 04-0004-04
Study on Mechanical Properties of 110 kV Aluminum Sheath of XLPE Cable YU Qin-xue1 ，ＲEN Wen-e1 ，YUE Zhen-guo2 ，JIN Jin-yuan2 ， ZHAO Miao1 ，XU Yang1 ，ZHONG Li-sheng1
品的刚度，刚度和弹性模量是不一样的。弹性模量
是物质组分的性质； 而刚度是固体的性质。也就是
说，弹性模量是物质微观的性质，而刚度是物质宏观
的性质，样 品 的 刚 度 受 样 品 几 何 尺 寸 变 化 的 影 响。
其中，F a 是力的大小，L a 是位移振幅。 M' = M* cosδ
M″ = M* sinδ
2014 年第 4 期 No． 4 2014
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2014 年 8 月 Aug．，2014
110 kV 交联聚乙烯电缆铝护套力学性能的研究
于钦学1， 任文娥1， 岳振国2， 金金元2， 赵 苗1， 徐 阳1， 钟力生1
（ 1． 西安交通大学 电气绝缘研究中心，陕西 西安 710049； 2． 浙江晨光电缆股份有限公司，浙江 平湖 324204）
使得材料的温度升高，导致材料内部价键破坏，加速 材料的分解。
（ 2） 试样编号与尺寸 氩弧焊与挤压铝试样的编号与尺寸如表 5、表 6 所示。
表 5 氩弧焊铝护套编号及厚度参数 （ 单位： mm）
试样种类
横向
有缝 无缝
纵向
有缝 无缝
编号
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8
厚度
1. 98 1. 88 1. 86 1. 88 1. 88 1. 88 1. 88 1. 88
通常情况下，高压交联聚乙烯（ XLPE） 电缆铝 护套的 制 作 工 艺 有 三 种［3-5］： 挤 压 铝、压 铝、氩 弧
收稿日期： 2014-01-08 作者简介： 于钦学（ 1960 － ） ，男，高级工程师． 作者地址： 陕西西安市咸宁西路 28 号［710049］．
焊。压铝主 要 是 利 用 压 铝 机 进 行 和 完 成，由 于 其 成本高，工 艺 复 杂，能 耗 大 而 很 少 采 用； 氩 弧 焊 是 由冷轧铝板 卷 包 成 型 后，再 用 氩 弧 焊 接 机 焊 接 而 成，工艺流 程 简 单、能 耗 低、耗 时 少、生 产 成 本 低， 因 此 采 用 较 多 ，不 足 之 处 是 存 在 焊 缝 ，需 要 对 焊 接 的电缆进行浸水和气密性试验； 挤压铝是连续包 覆挤压技术，是 20 世纪 80 年代发展起来的一种比 较先进的 生 产 工 艺，其 特 点 是 成 本 低、节 能、效 率 高、方便安全。
之间，tanδ 的值越大表示材料粘性越大，越小则表示
材料的弹性越好。这是由于当损耗因子 tanδ 值越
大时，外界对材料做的功则大部分转化为能耗模量，
（ 3） 试验结果与分析讨论 对于电缆的金属铝护套而言，tanδ 的值越小，则 护套的弹性越好，其延展性也就越好，更有利于保护 内部绝缘； 相对而言，如果 tanδ 的值太大，当受外界 作用时，温度很容易升高，不仅会损害内部绝缘，还 会加速护套本身的分解。实验采用单悬臂模式。首 先用仪器对样品 Y1 用单悬臂做一条力与位移的变 化曲线。设置温度 25℃ ，频率 1 Hz，位移从 1 μm 到 50 μm 的变化区间，35 μm 的位移大约对应 10 N 的 力。最后选定单悬臂实验方案为： 设置力为 10 N， 位移为 35 μm，温度为 25℃ ，夹具的长度为 20 mm， 频率变化范围从 40 Hz 到 180 Hz，每 1 Hz 取一个 点。本实验将主要通过给铝护套施加一个频率变化 的力，测出材料的损耗因数随频率的变化曲线，然后 对比两种铝材料护套的变化曲线，分析其影响因素。 根据以上实验方案，测得 tanδ 随频率变化曲线 如图 6 ～ 图 9 所示。 从图 6 可以看出，有缝氩弧焊试样的损耗因数 峰值比无缝的大。 从图 7 ～ 图 9 可以看出，挤压铝护套试样的损 耗因数峰值均大于氩弧焊铝护套试样的。挤压铝、 氩弧焊纵向横向试样的动态损耗因数均在 84 Hz 左 右出现最大值。
试样编号 2
54. 87 41. 64
3 43. 89 36. 44
（ 单位： % ）
平均值 45. 63 40. 62
纵向拉力与伸长量关系曲线如图 3 所示。
图 3 拉伸力与伸长量关系曲线
（ 2） 横向抗拉强度与伸长率 横向拉力与伸长量关系曲线如图 4 所示。抗拉
图 4 拉伸力与伸长量关系曲线
试样种类
图 1 拉伸试验使用的试样
图 2 动态力学试验使用的试样
2 试验结果与分析讨论
2. 1 拉伸试验
（ 1） 纵向抗拉强度与伸长率
强度是指在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断 裂的能力［6，7］，本 文 采 用 伸 长 率 来 衡 量 铝 护 套 的 塑
性。铝护套（ JL、YH） 抗拉强度和伸长率的计算结果
（ 1． Electric Insulation Ｒesearch Center，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China； 2． Zhejiang Chengguang Cable Co．，Ltd．，Pinghu 214251，China）
Abstract： The electrical，mechanical and other properties of high voltage power cables is directly related to the safe and reliable operation of electric power system． The aluminum sheath of different manufacturing process （ such as extrusion aluminum，argon arc welding aluminum） about 110kV high voltage XLPE power cable was studed by means of Mechanical properties． The results show that the mechanical performance of extruding process aluminum sheath is better than that of argon arc welding，but the dynamic mechanical loss factor of argon arc welding is less than extrusion，and dynamic mechanical loss factor of argon arc welding seam is larger than the seamless． The dynamic mechanical loss factor of two kinds of aluminum sheath appears the peak near frequency 84Hz． Key words： XLPE cable； aluminum sheath； mechanical properties
2014 年第 4 期 No． 4 2014
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2014 年 8 月 Aug．，2014
将两种（ 挤铝、氩弧焊） 工艺制造的铝护套，切 割成如图 1 和图 2 所示尺寸的试样，剪切样品时不 能损伤试样，要求试样表面无毛刺等。
强度和伸长率计算结果如表 3、表 4 所示。