三种高压电缆铝护套制作工艺的性能对比与分析

高压电缆铝护套三种制作工艺的性能对比与分析

三种高压电缆铝护套制作工艺性能对比分析

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（XLPE）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XLPE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。本文主要对这三种工艺制作的XLPE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，必须选用可塑性好、纯度较高的铝锭，铝的纯度一般应不低于99. 6%。铝的熔点较高（658℃），因此通常把圆柱形的铝锭先预热到450℃左右，然后将其一端冲击加热到530℃，再装人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。

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，生产工序、工艺流程简单，功耗及能耗较低，因而生产成本也相对较低。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

20世纪80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35 mm的铝及其合金管材或型材的生产。近年来，浙江晨光电缆公司与英国BWE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70%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GB 6397—86《金属材料室温拉伸试验》和GB/T 246—2007《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：JL—挤铝铝护套；YH—氩弧焊工艺的铝护套；Y L—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1a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lb和图lc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（JL、YH）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（JL、YH、YL）端部施加压力进行压扁如图3a所示，直至位移为-61.77 mm 终止试验。实际试样及压扁后的试样见图3b和图3c。

表1 抗拉强度和伸长率计算结果

试样

力学性

能

试样编号

平均值

1 2 3

挤铝

（J L）

强度/

MPa

67.71 65.05 69.81 67.52

伸长率

/ %

38.12 54.87 43.89 45.63

氩弧焊

（Y H）

强度/

MPa

65.6 58.24 68.22 64.02

伸长率

/ %

43.79 41.64 36.44 40.62

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变化趋势相同。对照表2可以看出，图4c氩弧焊焊缝在上方（0°）时，由于焊缝的存在使屈服压力偏小。

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HXD-1000TMC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。

表2 屈服压力大小（单位：N）

试样种类

试样编号屈服力

平均值

1 2 3

挤铝（JL）1019.69 1230.4

5

1278.

91

1176.35

压铝（YL）1226.57 1249.5

6

1226.

80

1234.31

氩弧焊

（Y H）

0°1166.00 806.28 1023.

48

998.59

90

°

1131.50 1200.4

6

1203.

33

1178.43

注：氩弧焊（YH）焊缝在上方时，以0°表示；焊缝在中部时，以90°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