电力电缆皱纹铝护套的强度—变形分析.pdf

1 8 9 9年 第 3期 No 3 199 9 j 【 移 缆 叁 1i 3 1 i 6 El e c t r i c W i r e( ； a b l e J n 1 9 9 9 。 电 电缆 l 舰 9 9 d年月 I K 0 u 电力 电缆 皱 纹 铝 护 套 的强 度一 变形 分 析 刘广松 ， 庄 茁 ， 李 良玉 ， 赵 晖z ， 王汝莹z ( 1 清 华 大学 工程 力学 系， 北 京 1 0 0 0 9 4 ； 2 山东电 缆电 器胜 份有 限舟 司 山末 新 泰 2 7 1 Z 0 0 ) _ r o 摘 要 ： 在 6 4 1 1 0 k v1 2 7 2 2 0 k v 变联 聚 乙烯 绝缘 电缆 的 生 产工 亩 中首 次 引儿 氩 弧 焊 生产 线 电缆 铝护 套的 生产 工 艺分 为四个 步骤 ， 卷 筒 焊 接 、 压制 啦 坟和 成品 电缆 收 巍绕轴 拳 文通 过 AB AQUS软 件 对这 一过 程进 行有 限元 模 拟 ， 分 析其 变彤 和 动 态应 力 从 数 值 分折 的 角度 验证 了铝 护套 力学性 能上 的 可靠性 ； 关键 词 ： 交联 聚 乙烯 绝缘 电 力电缆 ； 艘纹 铝护 套 有 限,-L分 析 动 态应 力 ： 氩弧 焊 中圈分 类号 ： T M 2 4 7 文献标 识码 ： A 工 程 背 景 篱 ： 薹 言 莘 程 是 完 全 一 致 山 东 电 缆 电 器 股 份 有 限公 司 在 6 4 l 1 0 k V 1 2 7 2 2 0 k V 交 联 聚 乙 烯 ( XL P E) 绝 缘 电力 电缆 制 造 中 引 进 了 氩 弧 焊 生 产 工 艺 。 ， 这是世界上较先进 的生 产工 艺 该公 司使用 卷 板 铝 材 、 氩 弧 焊 焊 接 和 皱 纹 成 型 加 工 电 缆 护 套 工 艺 技 术 ， 填 补 了这 方 面 的 国 内空 白 。 本 文 分 析 了 铝 护 套 的 力 学 性 能 ， 对 生 产 工 艺 过 程 中 电缆 铝护 套 的 强度 和 变 形性 能进 行 了模 拟 计 算 和 分析 ， 对 其 可 靠 性 进 行 了评 估 。 我 们 采 用 国 际上 最 先 进 的 有 限 元 分 析 软 件 AB AQUS， 对 铝 护 套 的 整 个 加 工 工 艺 过 程 进 行 了 模 拟 AB AQUS 软 件 有 两 条 主 干 ， ( 1 )AB AQUS S t a n d a r d ， 其 功 能 是 满 足 一 般静 、 动态问题 的线性 和非线 性分析 ； ( 2 ) ABA QUS E x p l i c i t ， 其 功 能 是 采 用 显 示 算 法 求解动 态响应问题 ， 在本 问题 中 ， 除第一步卷 板 过 程 使用 AB AQUS Ex p l i c i t外 ， 其 余 的 焊接 、 压制 皱纹 和成 品 电缆 收线绕 轴等步 骤 均 使 用 AB AQUS s t a n d a r d。 本 文 的研 究 内容 为 铝 护 套 加 工 过 程 的模 拟 和 强度 分析 。 计 算 模 拟 的过 程 分 三步 进 行 ： ( 1 )铝 板 卷成 管状 套筒 ； ( 2 )压 制皱 纹 ； ( 3 ) 成品 电缆绕在 电缆 盘上 后 ， 危 险点的强 度校 收 稿 日期 ： 1 9 9 8 1 1 1 8 作者简介 ： 刘广橙( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 山东 ， 硕士研究生 2铝板 在 模具 内卷成 圆 管 一 块 铝 板 ， 如 图 l以一 定 的 速 度 通 过 一 个 截 锥 筒 状 的模 具 ， 截 锥 的 截 面 直 径 沿 铝 板 前 进 方 向逐 渐 减 小 ， 铝 板 在 模 具 内 梭 强 迫 变 形而 卷成 管状 ， 见图 2 。应用 AB AQUS E x p e c k对 这一 过程模拟 并分析 其力学性能 J 模具 内衬 由精细 的高分 子材料 组成 ， 在加工 图 1铝板 进 人模具 示 意 图 过程 中 ， 内村 和 铝 板 外 皮 之 间 的摩 擦 很 小 ， 可 略不计 。所选铝材 为 9 9 9 的纯 铝 ， 屈 服应 军 善 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 1 9 9 9年 第 3期 No3 1999 电 线电 缆 E e c t r J c W i r e Ca b l e 1 9 9 9年 6月 J u n 1 9 9 9 力 取 3 0 MP a ， 破 坏应 力 为 7 0 MP a ： 图 2卷 筒 过 程 币 意 图 铝 板 由平 面 变 成 圆 筒 状 ， 本 文 采 用 三 维 8结 点 缩 减 积 分 实 体 单 元 一C3 D8 R 模 拟 变 形前 后 的情 况 。考 虑 到套 筒 对 于 由 焊 缝 和 轴 线 决 定 的平 面 具 有 对 称 性 ， 我 们 取 套 筒 的 一 半 进 行 分 析 。划 分 单 元 的 大 小 为 1 0 ml v l X1 0 ml v l X 4 1 T I r l l 。截 锥 模 具 在模 拟 过 程 中设 为 刚 性 体 ， 由于 对 单 元 投 有 特 殊 要 求 ， 采 用 三 维 4 结 点 刚性 单 元 R 3 D4 。 板 卷 成 圆筒 后 ， 沿环 向形 成 压 应 力 ， 最 大 的值 为 1 9 4 MP a 最 大 的 残余 ( Mi s e s ) 应 力 在 焊缝 处 ， 为 2 0 1 MP a 。铝 板 卷 筒 过 程 的变 形 图 、 环 向 应 力 图 和 残 余 应 力 图 分 别 如 图 3 图 5所 示 。 图 3卷筒过 程的 变形 图 图 4卷筒过 程 的环 向应 力图 图 5卷筒 过程 的残 余应 力 图 在 实 际 加 工 过 程 中 ， 铝 板 被 卷 成 圆 管 状 后 ， 用 焊 接 的方式 将 接 缝 对 接 起 来 。 在计 算模 拟时 ， 用加约束的方法代替 焊点 ， 材 料内会产 生 相 同 的力 学 效 果 。 然 而 ， 实 际 焊 接 时会 引 人 温 度 载 荷 ， 为 了 不让 电缆 受 伤 ， 必 须迅 速 冷 - 36 却 。在 氩 弧焊 工 艺 中 ， 由 于加 热 范 围 特 别 小 又 用 高速 氩气 流 冲 刷 焊 缝 ， 加 速 冷 却 材 料 内 的温 度 场 会 很 快 消 失 ， 由此 引 起 的 温 度 应 力 很 小 ( 作 者 已通 过 专 门计 算 加 以验 证 ) 另 外 ， 氩 弧 焊 为 无 填 料 焊 接 ， 保 证 了焊 缝 的 连 续 性 ； 高 速 氩 气 流 也 使 焊 缝 与 外 部 空 气 隔 离 ， 防 止铝 在 高 温 下 被 氧 化 ； 所 以 一 般 不 会 存 在 焊接 缺 陷 3 套 管 压 制皱 纹 铝 板 卷 成 圆 筒 以 后 ， 下 一 步 工 艺 就 是 压 制 皱 纹 。 压 制 皱 纹 的最 大 好 处在 于 ： 增 加 了 铝 管 的 柔 度 和 可 延 展 性 能 ， 也 便 于 成 品 电 缆 绕 轴 模 拟 这 个 过 程 使 用 的 有 限 元 软 件 为 AB AQUS S t a n d a r d， 为 静 态 分 析 模 型 。 模 拟 时 ， 先 用 实 体 单 元 C3 DS R( 1 0 ml v l X1 0 1 T i m 4 1 T I r l 1 ) 组 成 0 5 m 长 的 平 滑 直 管 ， 然后 对奇数 层 ( 沿轴 向) 上 的结 点施 加径 向 位 移 载 荷 ( 向 内 0 0 0 3 5 m) ， 从 而 得 到皱 纹 管 状 。 为 了限 制 刚 体位 移 ， 对 套 管 的 一 端 施 加 固 支 约 束 ， 另 一 端 自由 ， 这 样 更 接 近 于 真 实 的 加 工工 艺 。 由 于 每 个 单 元 的 几 何 形 状 和所 受 载 荷 是 相 同 的 ， 所 以 沿 套 管 轴 向 的 应 力 分 布 应 该 是 均 匀 的 。 但 是 ， 由于模 型 中局 部 边 界 条 件 的影 响 ， 套 管 两 端 的应 力 与 中部 应 力 有所 不 同 。 然 而 ， 考 虑 到 实 际 长 管 线 的情 况 和 加 工 过 程 中 套 管 不 断 的 前 进 ， 可 以 忽 略 端 部 局 部 边 界 条 件 的影 响 ， 取 套 管 中部 的应 力 为 最 终 结 果 。 因 此 ， 在 压 制 皱 纹 的 过 程 中 ， 产 生 的最 大 的环 向 压 应 力 为 2 5 6 MP a ， 最 大 的 残 余 应 力 为 3 0 MP a ， 已经 达 到 了 铝 的 屈 服 应 力 。 将 在 压 制 皱 纹过程 中所产生 的套管最 大环 向压应力与第 一 步 卷 板 过 程 中 所 产 生 的 环 向 压 应 力 相 叠 加 ， 叠 加 后 的 环 向 压 应 力 为 4 5 0MP a ， 也 就 是 说 ， 压 制 皱纹 虽然 提 高 了 套 管 的柔 度 ， 同时 也 增 加 了 环 向 的压 应 力 ， 该 值 已 经 超 出 了铝 的 屈 服 应 力 使 材料 进 人 塑 性 状 态 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 1 9 9 9年 第 3期 N o3 19 99 电 线电缆 El e c t r c W i r e Ca b l e l 9 9 9年6月 J u n ， 1 9 9 9 4电缆 绕 轴后 的强 度 分析 在 储 存 和 运 输 过 程 中 ， 电缆 是 缠 绕 在 电 缆 盘 的 线 轴 上 。对 于 6 4 1 1 0 k V 1 2 7 。 2 2 0 k V X LP E 绝 缘 电力 电缆 ， 是 在 直 径 为 2 8 m 的 线 轴 上 缠 绕 3圈 ， 电缆 外 径 为 8 9 r a m 电 缆绕在线轴上之后 ， 有两个可能的危险点 ， 一 个 是 在 最 里 圈 电缆 的上 部 ， 此 处 的 曲率 最 大 ； 另 一 个 是 在 最外 圈 电 缆 的 下 部 ， 由 于 电缆 自 然 下 垂 ， 此 处 承 受 的 载 荷 最 大 ， 如 图 6所 示 。 图 6电缆 绕在 线轴 上 的危险 点示 意图 在 这 一 步 分 析 中 ， 应 考 虑 成 品 电缆 的 重 量 ，为 1 2 4 k g m。 在 计 算 中 仍 然 使 用 C3 D8 R单元进行模拟 。 4 1第一个危险点 的校核 外 面 两 圈 电缆 的 重 量 以集 中载 荷 的形 式 加 在 最 内 圈 电 缆 上 措 的 每 一 个 结 点 上 。 每 个 结 点 受 力 为 0 2 4 8N ， 另 外 ， 还 要 考 虑 最 内圈 电缆 自身的重力 ， 在 AB AQUS模拟 过程 中， 重 力 以 分 布 载荷 的 形 式 加 入 。 载 荷 及 边 界 条 件如 图 7所示 。 模拟结束 时 ， 该危险点的残余 应 力 仅 为 1 0 5 MP a 。 4 2第二个危 险点 的校核 和第一个 危险点 的校 核相似 ， 里 面 两圈 电缆 的重 量 以集 中 载荷 的 形式 加 在 最 外 圈 电 缆 上 沿 的 每 一 个 结 点 上 ， 同 时 加 入 最 外 圈 电 缆 的 重 力 。 载荷 及边 界条 件 如 图 8所 示 。 危 险点 的 残余 应 力 仅 为 7 5 MP a 。 4 3 反 复卷 绕时的情 况 从 第 三 步 的 计 算 可 以看 出 ， 卷 绕 过 程 中 图 7 第 一个 危 险点 的整 体网 格及 约柬 ， 载 荷 图 图 8 第二 个危 险点 的整体 网格 及约 束 、 载荷 图 产 生 的 应 力 远 远 小 于 铝 的 屈 服 应 力 ， 即 这 一 过 程 在 铝 的弹 性 范 围 内进 行 。反 复卷 绕 就 是 加 载 一卸 载 一加 载 的反 复 过 程 ， 一 般 情 况 下 ， 其 变 化 频 率 应 该 很 低 ， 应 力 仅 在 弹 性 范 围 内 变 化 ， 对 铝 护 套 的 性 能 几 乎 投 有 影 响 。 5结 论 我们应 用 固体力 学理论 和 ABA QUs有 限 元 软 件 对 6 4 1 1 0 k V 1 2 7 2 2 0 k V 交 联 聚 乙烯绝缘 电力 电缆皱纹铝护套 的力学性能 进 行 了的 模 拟 分 析 。从 计 算 和 分 析 结 果 得 到 了如 下 结 论 ： ( 1 )铝 板 通 过 模 具 卷 成 管 状 后 ， 最 大 应 力 在 焊 缝 连 接 处 ， 其 环 向 压 应 力 为 l 9 4 37 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 水 树屯 饨 5 1 咚 y 夏 峒 越 W ir e ?,- ( 瞳 碴 j 1 9 9 9 g 6E Le c tr ic W ir e(；a b le J 1 9 9 9 仲 ) ， 水 树 老 化 XLP E 电缆 绝 缘 的超 低 频 响 应 研 究 蜘 学 。曼 摘 要 ： 丰 文采 用差额 的 方 岳对 X L P E 电缆 的超 低频 响应 特性 进 行 了研 究 ， 发 现 水树 劣化 电缆 在 0 3 H2以下 差频 范围 的电 流响应 泣形 与 完好 电缆有显 著 差异 。 信 号 特征 明 显， 桂 测 是教 度 高 ， 抗 干扰 能力 强：最后 ， 时 水树 的超低 频 电流 脉 冲响 应机 理 进行 了探 讨 谊研 究对 XL P E 电 缆检 测技 术 的发展 具 有 特别 重要 的意 艾 。 关键 词 ： 盘联 聚 乙烯 电缆 裣 洲 ： 差额 响应 ： 水树 中 图分类 号 ： _ r M 2 4 7 TM 2 0 6 文献 标 识码 ： A 1 前言 近 年 来 ， 无 论 是 XL P E 电缆 的应 用 数 量 ， 还 是 生 产 技 术 、 电 压 等 级 都 有 了 飞 速 发 展 ， 在 1 1 0 k V 及 以下 电压 等 级 ， 正 逐 步替 代 传统 的 油 纸 ( 或 充 油 ) 电缆 。但 由于 XL P E 电 缆 的 无 损 检 测 技 术 滞 后 于 电 缆 的发 展 ， 时 有 应 用 较 早 的 XL P E 电缆 在 运 行 中 绝 缘 被 击 穿 ， 造 成 停 电 事 故 的 报 道 众 所 周 知 对 电 缆 收 稿 日期 ： 1 9 9 8 0 9 1 0 作者 简介 郑晓泉 ( 1 9 5 4 ) 男 陕西省礼泉， 副 教授 ， 博士研究生 进 行 常 规 的工 频 耐 压 试 验 要 受 到 高 压 试 验 变 压 器 容量 的 限 制 ， 而 研 究 表 明 ， 对 电 缆 进 行 直 流 高 压 耐 压试 验 则 由 于 空 间 电荷 的 积 累 会 对 已 有 缺 陷 或 劣 化 区 的 XL P E 电 缆 绝 缘 造 成 损 伤 ， 并 成为直 流高 压试 验后 的 XL P E电缆 在 重新 投运 不久 即被 击穿 的 主 要 原 因 。基 于 以 上 原 因 ， 国 内 电 力 部 门 除 对 剐 敷 设 的 XL P E 电缆 进 行 一 次 直流 高 压 泄 漏 电流 交接 试 验 外 ， 以 后 大 多 不 再 做 预 防 性 试 验 因而 伴 随 电 缆 绝 缘 的 逐 渐 老 化 ， 早 期 投 运 的 X LP E 电缆 正 逐 渐 成 为 绝 缘 在 运 行 中 被 击 穿 并 造 成 停 电 事 故 的 隐患 ， 尤 其 是 当 地 下 较 潮 ， MP a ， 残余应力值 为 2 0 1 MP a 。 ( 2 )管 状 铝 护 套 压 制 皱 纹 后 ， 应 力 分 布 比 较 均 匀 ， 所 产 生 的 环 向 压 应 力 为 2 5 6 M P a ， 残 余 应 力 为 3 0 M P a ， 与 卷 板 过 程 中形 成 的 环 向压 应 力 叠 加 后 为 4 5 0 MPa， - 材 料 已 经进 人塑 性 状 态 ( 3 )成 品 电缆 绕 在 电缆 盘 上 ， 存 在 两 个 可 能 的 危 险 点 ， 即 上 面 的 最 大 曲率 处 和 下 面 的最大垂度处 ( 见 图 3 图 8 ) ， 其残余应 力分 别 为 1 0 5 MPa和 7 5 MP a。 综 上 各 点 却 使 是 最 不 利 的 情况 ， 即 上述 ( 1 ) 、 ( 2 ) ( 3 ) 种 情 况并 存 并 且 其应 力 存 在 于 同 一 个 单元 ， 方 向又 相 同 ， 可能 出现 的最 大残 余 应 力 为 5 8 5 5 MP a ， 仍 然 小 于 铝 的破 坏 应 力 ( 7 0 MP a ) ， 强 度 安 全 储 备 系 数 为 1 2 。 通 过 以 上 模 拟 计 算 和 分 析 可 以 证 明 在 6 4 1 1 0 k V 1 2 7 2 2 0 k V 高 压 电 缆 的 生 产 过 程 中 引 人氩弧 焊工 艺 是 可行 的 ， 是 安 全 可靠 的 。 参考文献 1 山东 电缆 厂新产 品研 究 大纲 r 1 9 9 8 2 AB AqUS ，E x p l i c i t Us e r s Ma n u a l Ve r s i o n 5 7 - HKS I r t c ， 1 99 8 ： 3 ： 山东 电缆厂实驻报告 1 9 9 8 ： 4 ： 张文镀主编 焊接侍热学 机械工业出版社 r 9 8 9 ： 5 庄 茁等译 A B A QUS S t a n d a r d有限元 轾件 门指 南清毕 大学出 版社 1 9 9 8 ： 6 A B AQ U S， S t a n d a r d Us e r s Ma n u a 1 V e r s i o n B ， HKS 1 n c 】 9 9 7 L 期鲫 第 年0 鲫 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载