Tab.1 Structure and parameters of the 110kV XLPE cable with a smooth aluminum sheath（单位: mm）
结构厚度外径 实际电缆导体—34.9 绕包带0.1535.2 导体屏蔽1.2037.6 XLPE绝缘层16.0069.6 绝缘屏蔽1.2072.0 缓冲层2.0076.0 平滑铝护套2.0080.0
摘要 近年来，频发的波纹铝护套电缆缓冲层烧蚀故障引起了国内电力行业对平滑铝护套高压交联聚乙烯（XLPE）电缆的广泛关注，其弯曲性能是限制工程应用的技术难点。该文搭建平滑铝护套XLPE电缆的四点弯曲三维仿真模型，以内聚力模型模拟胶层的力学行为，研究有/无热熔胶粘接、缓冲层厚度、非金属外护套厚度及材料、电缆径向尺寸等对平滑铝护套复合结构弯曲性能的影响。结果表明，若铝护套不与外护套粘接，其抗弯曲变形能力差，易起皱并挤压内部绝缘；粘接后形成整体复合护套，其抗弯能力与总厚度有关，其中，铝护套厚度可根据短路容量要求确定，而由外护套补足抗弯强度所需总厚度，且外护套材料弹性模量不应低于800MPa；缓冲层厚度对铝护套弯曲性能影响较小，主要从吸收绝缘热膨胀角度进行设计。基于研究结论，试制了110kV平滑铝护套XLPE电缆并通过型式试验验证。
关键词：高压XLPE电缆 平滑铝复合护套 弯曲性能 热熔胶 试制和型式试验
为美化环境和节约土地资源，地下电力电缆在城市电网建设中得到了广泛应用[1-4]。金属护套是高压电缆中必不可少的结构，具有径向阻水、承载短路电流、机械保护等功能。目前，常用的金属护套类型包括波纹型、平滑型及金属箔塑料复合型。对于交联聚乙烯绝缘陆地电缆，金属护套的材料一般为铝、铜、铅或其他金属仅在一些特殊场合使用。例如，在受振动或腐蚀的场合，可以选用波纹铜套或不锈钢套[5-6]。
欧美国家广泛采用平滑铝护套和铝塑复合护套；而在国内，高压交联聚乙烯（Crosslinked Polyethylene, XLPE）电缆几乎全部采用波纹铝护套结构，主要利用其优异的弯曲性能，降低电缆发生机械损伤的风险。近年来，国内波纹铝护套XLPE电缆频繁发生缓冲层烧蚀故障，对线路可靠性和电网安全性构成严重威胁，这种故障在新加坡、日本等国也时有发生[7]。虽然针对缓冲层烧蚀的相关研究还未有定论，但金属护套和绝缘屏蔽电气接触不良无疑是引发故障的重要原因之一。
平滑铝护套电缆因铝护套和缓冲层之间为无间隙紧密接触状态，避免了电气接触不良的问题，改善了电缆的径向散热，增大了层间摩擦力，尤其适合超高压大截面电缆在高落差环境中应用。相比于波纹铝护套电缆，平滑铝护套电缆的外径小、质量轻、装盘长度增加，可以减少线路中的接头数量，缩小电缆走廊的结构尺寸，具有显著的经济效益[8]。随着行业发展和技术进步，国内电缆线路的敷设环境及施工条件持续改善，为平滑铝护套电缆的工程应用创造了条件，激发了产品研发需求。
若设计不当，平滑铝护套在XLPE电缆满载运行时可能被涨破，在弯曲时起皱、开裂并向内挤压XLPE绝缘。中国目前尚未掌握平滑铝护套XLPE电缆的生产及应用技术，相关产品完全依赖进口。例如，2010年上海世博变电站及2012年四川官地水电站工程中安装的500kV平滑铝护套XLPE电缆，均由法国耐克森供货。虽然平滑铝护套XLPE电缆已在欧美国家应用多年，但各厂家均实行严格的技术保密。仅从少量公开文献可知，这种结构的关键在于将金属护套和非金属外护套进行有效粘接，以提升电缆的抗弯、抗压等机械性能[9-11]。
为了配合平滑铝护套XLPE电缆的产品开发及工程应用，亟需对其弯曲性能开展全面系统研究。本文通过有限元软件ABAQUS研究平滑铝护套XLPE电缆弯曲时的力学行为。首先，建立电缆对应于四点弯曲试验的三维有限元模型，比较铝护套与外护套粘接及不粘接情况下电缆弯曲行为的差异，分析内在破坏机理；之后，讨论缓冲层厚度、外护套厚度及材料、铝护套内径等结构或材料参数对平滑铝护套电缆机械形变的影响，对不同规格的电缆提出合理的参数推荐值；最后，设计并试制110kV平滑铝护套XLPE电缆，通过型式试验对其性能进行全面校核，验证设计的合理性。
以110kV XLPE电缆为研究对象，除平滑铝护套结构部分（包括平滑铝护套、热熔胶、中密度聚乙烯（Medium Density Polyethylene, MDPE）外护套）为自己设计外，其余采用符合国家标准GB/T 11017.2-2014[12]的常规产品尺寸参数，见表1，导体标称截面积为800mm2，绝缘厚度为16mm。
表1 110kV平滑铝护套XLPE电缆的结构及参数
Tab.1 Structure and parameters of the 110kV XLPE cable with a smooth aluminum sheath（单位: mm）
结构厚度外径 实际电缆导体—34.9 绕包带0.1535.2 导体屏蔽1.2037.6 XLPE绝缘层16.0069.6 绝缘屏蔽1.2072.0 缓冲层2.0076.0 平滑铝护套2.0080.0
（续）
结构厚度外径 实际电缆热熔胶层0.2080.4 外护套5.0090.4 仿真模型 XLPE缆芯—73.0 缓冲层空隙1.576.0 平滑铝护套2.080.0 热熔胶层0.280.4 外护套5.090.4
本文主要针对铝护套及外护套在电缆弯曲时的机械性能展开研究，从不影响分析结果并节约工作量的角度，对电缆结构进行合理简化：将电缆绝缘线芯用一个XLPE实心圆柱来等效，称为XLPE缆芯；半导电缓冲层由不可压缩部分和空隙两部分等效，其中，不可压缩部分厚度为0.5mm，且并入内部的XLPE缆芯当中，由此得到电缆仿真模型及结构参数，见表1。
1.2.1 XLPE、铝、MDPE、HDPE的力学参数
材料的弹性模量、泊松比以及应力-应变关系可以通过拉伸试验测量，或查阅文献数据[6, 13]。
依据GB/T 1040.1-2006的要求[14]，分别对XLPE、MDPE和高密度聚乙烯（High Density Polyethylene, HDPE）制备哑铃型试样并进行拉伸试验，所用设备为CMT-4503型万能试验机，拉伸速率设置为100mm/min。
依据GB/T 228.1-2010的要求[15]，对电缆金属护套用铝1060（Al 1060）制备哑铃型试样并进行拉伸试验，所用设备为858 MTS复杂环境监测系统，拉伸速率设置为2mm/min。
为了消除拉伸过程中试样截面变化的影响，需要将由拉伸试验获得的工程应力-应变数据转化为真实屈服应力-塑性应变数据。试验测得各材料的弹性及塑性参数见表2和表3，泊松比采用文献数据[13]。
表2 材料的弹性参数
Tab.2 Elastic parameters of materials
材料弹性模量/MPa泊松比 XLPE1830.40 Al 106068 0000.33 MDPE8770.42 HDPE2540.42
表3 材料的塑性参数
Tab.3 Plastic parameters of materials
材料真实应力/MPa真实塑性应变 XLPE9.060 10.030.064 1 10.520.094 5 11.010.136 0 11.510.180 6 12.010.219 1 12.510.253 1 12.810.271 5 13.020.283 9 13.310.301 4 MDPE12.440 13.290.003 0 14.080.004 1 14.820.005 6 15.500.007 1 16.770.145 4 17.540.213 1 18.030.247 3 18.490.278 9 18.850.300 9 Al 106021.020 33.880.005 2 52.030.025 0 62.720.060 0 69.600.102 6 72.950.130 0 76.220.161 7 78.920.190 7 83.940.255 4 87.850.308 0 HDPE13.350 15.590.085 8 16.710.110 5 17.500.136 0 17.900.155 7 18.380.189 1 18.720.215 8 19.110.243 1 19.520.271 2 19.990.300 9
1.2.2 热熔胶的力学参数
分析胶层力学行为最常用的是内聚力模型[16]。本文使用ABAQUS中的双线性张力-位移法则来描述胶层的力学行为，胶层损伤的起始条件为
（1）式中，tn、ts、tt分别为胶层所受的法向应力和两个切向应力；
、
、
分别为与上述应力相对应的强度；
为法向压应力，不能使胶层损伤。当满足式（1）时，胶层损伤起始，刚度开始退化。
依据GB/T 2791-1995的要求[17]，进行T剥离强度试验，加载速率为100mm/min；依据GB/T 7124-2008的要求[18]，进行拉伸剪切强度试验，加载速率为2mm/min；依据GB/T 1040.1-2006[14]的要求，进行拉伸试验，加载速率为100mm/min。试验设备均采用CMT-4503型万能试验机，测得胶层各参数见表4。因工程应用中不允许胶层发生任何损伤，因此，在内聚力模型中，只需保证损伤起始值小于1即可，无需设定损伤演化参数。
表4 内聚力模型中的胶层参数
Tab.4 Parameters of the glue in the cohesive model
参 数数 值 拉伸模量/MPa58.4 剪切模量/MPa20.9 剥离强度/(N/mm)2.35 剪切强度/MPa1.93
考核弯曲性能常用三点弯曲及四点弯曲试验。三点弯曲试验操作简单，但存在明显的压头效应；四点弯曲试验中，两压头间为理想弯曲段，可用于有效反映电缆的真实受力状态。本文采用四点弯曲模型来研究平滑铝护套电缆的弯曲性能。
将电缆、压头和支座装配成四点弯曲试验仿真模型，如图1所示。其中，电缆长度为2 000mm；参照YB/T 5349-2014[19]，压头和支座均为半径60mm的圆柱；力臂应为跨距的1/3，故两个压头的间距为560mm，而两个支座的间距为1 680mm。电缆放置于两支座上，当两压头同时下压，电缆弯曲，在两个压头之间电缆呈理想弯曲状态。考虑对称性，取模型的1/4，即右侧剖面进行仿真，如图中点画线框所示。压头和支座采用刚体单元R3D4，网格尺寸为2mm。平滑铝护套和MDPE外护套采用壳单元S4R，网格尺寸为0.8mm。热熔胶层采用内聚力单元COH3D8，网格尺寸为0.7mm。XLPE缆芯采用实体单元C3D8R，网格尺寸为3mm。
图1 电缆四点弯曲试验仿真模型
Fig.1 Simulation model of the cable in the four-point bending test
采用ABAQUS/Explicit进行仿真分析。对内聚力单元与两层壳单元施加绑定约束条件以模拟粘接结构。对支座施加对称边界条件并约束其所有自由度。在所有未粘接结构之间设置摩擦因数0.15[20]。压头可竖直向下运动；相比于敷设状态，电缆在上盘时具有最小弯曲半径，由电缆盘半径1 000mm确定四点弯曲试验中对应压头的下压距离为457mm。
首先针对平滑铝护套与MDPE外护套不粘接时电缆的弯曲行为进行研究。因为不使用热熔胶粘接，故铝护套和外护套之间设置摩擦接触。当电缆受压头作用向下弯曲时，应力分布如图2所示。
图2 电缆护套的起皱现象
Fig.2 Winkling of the cable sheath
由图2可见，在四点弯曲试验中，仍然存在压头效应，即由压头引起的该处局部大变形；而在两个压头之间的区域弯矩恒定，可视为理想弯曲段，本文只分析理想弯曲段电缆的受力状态。可以看到，在理想弯曲段，未粘接的平滑铝护套和MDPE外护套都产生了起皱现象；而且，XLPE缆芯上由于外部护套向内的挤压而出现了局部应力集中，易引发绝缘的机械损伤，这在工程中是不允许的。
对电缆弯曲时护套起皱过程进行模拟，如图3所示。初始无外力作用时，电缆为对称结构，呈自由状态。之后，在压头作用下，电缆开始向下弯曲，在受拉侧，缓冲层被紧密压缩，而在受压侧缓冲层依然具有可压缩空间；铝护套和外护套因不是一个整体，各自承受弯曲力作用。随着电缆进一步向下弯曲，在受压侧，铝护套因自身强度不足无法抵抗弯曲变形，开始向内凹陷并挤压缓冲层；在接触XLPE缆芯后，该侧铝护套开始起皱；若弯曲继续加剧，则MDPE外护套也开始起皱，图3中最后一幅图即显示了这种状态。
图3 电缆护套的起皱过程
Fig.3 The wrinkling process of the cable sheath
在试制电缆时发现，若不使用热熔胶将平滑铝护套与MDPE外护套进行有效粘接，而仅是在铝护套表面涂覆一层沥青之后挤出MDPE外护套，将电缆上盘时，观察到外护套表面的起皱现象，而将外护套剥除后，平滑铝护套在受压侧出现明显褶皱，如图4所示，与仿真结果一致。这表明，对于平滑铝护套结构，将金属护套和非金属外护套进行有效粘接是提升电缆受压及耐弯曲性能、避免护套起皱并损伤绝缘的关键。
图4 未粘接平滑铝护套的起皱现象
Fig.4 Wrinkling of unbonded smooth aluminum sheath
当使用热熔胶将铝护套和MDPE外护套有效粘接，与热熔胶对应的内聚力单元被引入仿真模型当中。在与图2相同的弯曲条件下，电缆中的应力分布如图5所示。
图5 有热熔胶粘接时电缆的弯曲受力状态
Fig.5 The bending stress state of the cable with the adhesive-bonded sheath
由图5可见，在电缆弯曲时平滑铝护套不起皱，也不向内凹陷或挤压XLPE缆芯。同时，压头效应也得到了明显改善。这是因为，当使用热熔胶将平滑铝护套和外护套牢固粘接，胶层起到了界面应力传递的作用[21]，使铝护套和外护套形成一个结构整体。由于该复合结构耐受切向压应力的有效厚度增加，所以抵抗弯曲变形的能力增强。
使用等效塑性应变来衡量电缆弯曲时铝护套的形变程度[22]。在规定的弯曲半径下，受压侧比受拉侧容易损坏，所以本文着重讨论受压侧铝护套的形变。无/有热熔胶时电缆理想弯曲段铝护套的等效塑性应变分布如图6所示。
图6 无/有热熔胶粘接平滑铝护套的等效塑性应变分布
Fig.6 Strain distribution of the smooth aluminum sheath unbonded or bonded with the adhesive
由图6可见，对于护套未胶粘的电缆，铝护套受压侧等效塑性应变分布不均匀，呈波纹状，最大值位于褶皱顶部，为0.118；而对于护套有效胶粘的电缆，铝护套的等效塑性应变分布均匀，且最大值为0.073，比前者降低了38.1%。也就是说，将铝护套和外护套有效粘接能够显著减小平滑铝护套的塑性形变，并使得应变分布均匀，从而避免了护套起皱。针对胶层的研究发现，由式（1）确定的损伤起始值为0.768，小于1，这说明在电缆弯曲时胶层未发生损伤。
国家标准对110kV、220kV及500kV XLPE电缆的铝护套及外护套厚度进行了明确规定[12, 23-24]，并已在波纹铝护套电缆的设计生产中采用，而这些数值对平滑铝护套电缆是否适用仍有待研究。此外，缓冲层厚度、外护套材料、电缆规格等对平滑铝护套电缆的性能影响也尚不明确。在IEEE标准中[25]，仅规定外径不超过19mm、19～38mm以及大于38mm的平滑铝护套电缆，其弯曲半径不能小于电缆护套外径的10、12及15倍，明显大于波纹铝护套电缆的7倍，此外未有其他明确规定。因此，下文将针对上述问题开展相关研究。
在平滑铝护套被挤出或焊接后，通常需要经缩径工艺处理从而较为紧密地包覆在电缆缓冲层上。在表1的电缆模型参数中，仅调节缓冲层空隙即可压缩厚度，令其分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm，研究电缆弯曲时铝护套的形变，结果见表5。
表5 缓冲层可压缩厚度对平滑铝护套形变的影响
Tab.5 Effect of compressible thickness of buffer layer on the deformation of smooth aluminum sheath
缓冲层可压缩厚度/mm护套是否起皱铝护套的最大等效塑性应变 0.5否0.074 1.0否0.072 1.5否0.073 2.0否0.075
由于使用热熔胶粘接后复合护套的抗弯厚度足以抵抗电缆弯曲变形，所以未发生护套起皱的现象。虽然随着缓冲层可压缩厚度从0.5mm增大到2.0mm，铝护套的最大等效塑性应变有一个先减小后增大的变化，在1mm时达到最小值，但变化率均未超过4%。也就是说，缓冲层可压缩厚度对铝护套形变的影响很小。
在电缆带负荷运行时，XLPE绝缘会受热膨胀，需要依靠缓冲层的可压缩性来吸收内部膨胀，避免铝护套被涨破。以表1中的110kV电缆为例，XLPE绝缘的热膨胀系数为10×10-4/℃[26]，计算表明，满负荷运行时该电缆绝缘厚度将增加1.29mm，故缓冲层的可压缩厚度建议设计为1.5～2.0mm。
外护套厚度是决定粘接复合护套结构抗弯强度的重要因素。选取MDPE外护套的厚度为0～5mm，其他参数同表1，研究电缆弯曲时铝护套的形变量，结果见表6。可见，随着MDPE外护套厚度增加，铝护套受压侧的最大等效塑性应变持续减小，特别是当厚度由0增加至1mm时，应变由0.211下降为0.088，降幅达到约60%，变化显著；之后，随着厚度的继续增大，应变的降幅逐渐放缓。此外，当外护套厚度不足4mm时，由于粘接复合护套的抗弯强度不足，无法抵抗电缆弯曲变形，模拟时观察到铝护套起皱现象，说明对所讨论的110kV电缆，为避免电缆弯曲时铝护套起皱，MDPE外护套厚度不能低于4mm。
表6 外护套厚度对平滑铝护套形变的影响
Tab.6 Effect of outer-serving thickness on the deformation of smooth aluminum sheath
MDPE外护套厚度/mm护套是否起皱铝护套的最大等效塑性应变 0.0是0.211 1.0是0.088 2.0是0.082 3.0是0.080 4.0否0.075 5.0否0.073
MDPE外护套厚度为0mm、1mm及4mm时平滑铝护套在理想弯曲段的等效塑性应变分布如图7所示。可见，随着外护套厚度增加，铝护套受压侧的等效塑性应变分布逐渐趋于均匀，起皱风险降低，这归因于整个复合护套抗弯强度的增加。而在无外护套（0mm）情况下，平滑铝护套因自身抗弯厚度不足而极易起皱，图7a中的应变分布已经显示出褶皱的存在。这说明，在实际生产过程中，铝护套加工工艺结束后的电缆不能直接上盘，而应立即涂刷热熔胶并挤出外护套，之后才能卷绕到电缆盘上进行储存或运输。这与波纹铝护套电缆的生产过程管理明显不同之处，需要特别注意。
图7 粘接的MDPE外护套厚度不同时铝护套的等效塑性应变分布
Fig.7 Strain distribution of the aluminum sheath when bonded to MDPE sheath of different thicknesses
由于铝护套与外护套粘接后整体抗弯强度取决于复合护套的总厚度，故无需对铝护套单独设计较大厚度；推荐按照电缆短路容量要求确定铝护套厚度，例如，考国标中的推荐值，在此基础上，由外护套补足电缆弯曲性能所需的复合护套总厚度。例如，在国外一些高压XLPE电缆设计中甚至采用了0.5mm或更薄的铝护套[5, 9-10]，电缆的短路容量要求由铝护套下增设铜丝屏蔽补足，而复合护套的抗弯强度要求由非金属外护套补足。
在国标中[12, 23-24]，对XLPE电缆波纹铝护套厚度的推荐值是按照不同的导体截面积和额定电压等级给出的；而在IEEE标准中[25]，对平滑铝护套电缆弯曲半径的推荐值是依据不同的电缆护套外径给出的。这说明径向尺寸对电缆的弯曲性能以及铝护套的厚度设计具有重要作用。因此，下面讨论不同规格电缆的复合护套设计。
选择110kV、220kV及500kV下常用最大截面电缆，按国标[12, 23-24]推荐值确定电缆结构尺寸，获得各电缆的仿真模型几何参数见表7。电缆按照额定电压等级×导体标称截面积-平滑铝护套厚度的方式命名，例如，110kV×1 600-2.0/2.3代表铝护套厚度分别为2.0mm及2.3mm、导体标称截面积为1 600mm2的110kV电缆。由于导体标称截面积为2 500mm2的220kV和500kV电缆的绝缘最大热膨胀量估算值分别为1.9mm和2.4mm，故将缓冲层的可压缩厚度分别设定为3.0mm和3.5mm，见表7。
表7 不同规格电缆的仿真模型的几何参数
Tab.7 Geometric parameters for simulation models of cables with different specifications（单位: mm）
参 数110kV×1 600- 2.0/2.3220kV×2 500- 2.8500kV×2 500- 3.3 XLPE缆芯外径83.0119.0133.0 缓冲层空隙厚度1.53.03.5 铝护套厚度2.0/2.32.83.3 热熔胶层厚度0.20.20.2 MDPE外护套厚度5.05.06.0
对不同规格电缆进行仿真，观察护套在电缆弯曲时的变形情况，并计算铝护套的最大等效塑性应变，结果见表8，其中，包含了前文讨论的110kV× 800-2.0电缆。
表8 不同规格电缆平滑铝护套的弯曲形变
Tab.8 Bending deformation of smooth aluminum sheaths in cables with different specifications
电缆规格铝护套内径/mm护套是否起皱铝护套的最大等效塑性应变 110kV×800-2.076否0.073 110kV×1 600-2.0/2.386否0.085/0.084 220kV×2 500-2.8125否0.103 500kV×2 500-3.3140否0.115
由表8可知，对于110kV电缆，当铝护套内径由76mm增加到86mm，其等效塑性应变显著增大，即使将铝护套厚度由2mm增大到2.3mm，最大等效塑性应变也未明显降低；随着电缆电压等级从110kV升高到220kV和500kV，导体截面积从800mm2增大到2 500mm2，铝护套内径依次增大13.2%、64.5%、84.2%，虽然铝护套厚度从2.0mm增加到3.3mm，依次增大15%、40%、65%，其最大等效塑性应变仍分别增大了15.1%、41.1%、57.5%。这说明，电缆电压等级或导体截面变化导致的径向尺寸变化对平滑铝护套的弯曲形变影响较大，为确保电缆机械性能，设计时必须加以考虑。
表7中，铝护套及外护套的厚度都是按照国标推荐取值的。由仿真结果来看，110kV×1 600和500kV×2 500规格的电缆可以满足设计要求；对于220kV×2 500-2.8的电缆，当外护套厚度取推荐值5mm时，虽然铝护套未起皱，但等效塑性应变分布极不均匀，存在较大的起皱风险；若将外护套厚度增至6mm，则分布不均匀情况大大改善，最大等效塑性应变为0.095，比5mm时降低了7.8%，护套起皱风险明显降低。由此可见，对于高压大截面电缆，铝护套厚度的增加可能不足以抵消电缆径向尺寸增大的影响，还需适当增加外护套厚度，以保证复合护套具有足够的抵抗弯曲变形的能力。
根据仿真分析结果，在设计平滑铝护套电缆时，若铝护套厚度按照国标[12, 23-24]推荐取值，则外护套厚度建议取值为：110kV电缆，4～5mm；220kV电缆，5～6mm；500kV电缆，不低于6mm。
电缆非金属外护套材料除MDPE外，也常用HDPE，见表2、表3中的测量数据，两者的力学参数存在明显差异。第2节和本节前三小节讨论都是基于MDPE进行的，在此以HDPE代替MDPE作为外护套材料，其他条件不变，对表1的110kV电缆模型进行弯曲行为的仿真分析。结果显示，当采用HDPE外护套时，铝护套也未起皱，但其等效塑性应变分布的均匀性变差，且最大值0.085比使用MDPE时增大了16.4%。对比分析发现，本文测试用的HDPE，其弹性模量仅为MDPE的29.0%，见表2；电缆弯曲时，HDPE外护套的最大等效应力为13.50MPa，明显小于MDPE外护套的15.87MPa。这表明，在电缆弯曲导致的外护套形变范围内，HDPE的刚度比MDPE低，其抵抗弯曲变形的能力弱，造成复合护套抗弯能力下降，铝护套的形变量增加且其上应变分布的均匀性变差。
实际上，不同来源的HDPE材料因配方、工艺等的不同，其性能参数存在很大差异，虽然本文采用的HDPE材料的弹性模量仅254MPa，但文献中有报导数值达到1 080MPa[13]，比一般的MDPE更高。也就是说，MDPE或HDPE均可作为外护套材料，但为保障粘接复合护套抵抗弯曲变形的能力，在用于平滑铝护套电缆时，基于本文分析，其弹性模量应不低于800MPa。否则，在3.3节推荐值的基础上，外护套厚度还需增加，导致电缆外径及重量增大。
基于第2和第3节分析，表1中的结构参数对于110kV电缆是适用的，据此试制110kV XLPE电缆样品。该电缆在盘上卷绕时的照片如图8a所示，护套表面光滑平整，未出现任何的褶皱现象。之后，将该电缆样品送至专业机构，按照GB/T 11017.2- 2014[12]的要求进行型式试验。检测报告显示，在机械预处理时，将电缆在直径为3 600mm的圆柱上进行3次机械弯曲，护套未起皱，也未发生脱胶现象；电缆经受为期1个月的型式试验，包含各类电气（工频、冲击）及非电气（负荷循环、介电、机械等）检测项目，均顺利通过；试验结束后对电缆进行检查，复合护套表面依旧光滑平整，未发现任何的结构变形或破损现象，如图8b所示，验证了电缆的整体性能。
图8 试制平滑铝套110kV XLPE电缆样品
Fig.8 The trial-produced 110kV XLPE cable with smooth aluminum sheath
1）制备平滑铝护套XLPE电缆的关键工艺是使用热熔胶将铝护套和外护套牢固粘接，形成一个整体复合护套，且复合护套必须具有足够的总厚度，以抵抗电缆弯曲时的切向压应力。为了避免铝护套起皱及挤压内部XLPE绝缘，工厂生产时，铝护套加工结束的电缆不能直接上盘，而应立即涂热熔胶并挤出外护套，之后才能卷绕至电缆盘上。
2）缓冲层可压缩厚度对平滑铝护套弯曲形变的影响较小；在电缆设计时，推荐以XLPE绝缘最大热膨胀导致的厚度增加量加上1mm作为缓冲层可压缩厚度。
3）对于高压大截面电缆，平滑铝护套厚度可参照现有标准对波纹铝护套的推荐取值，但可能需要适当增加非金属外护套的厚度以保证复合护套的抗弯能力。对于110kV、220kV及500kV电缆，推荐外护套厚度为4～5mm、5～6mm、不低于6mm。
4）随外护套刚度增加，平滑铝护套的最大等效塑性应变幅值减小，分布趋于均匀。为确保复合护套抵抗弯曲变形的能力，推荐使用弹性模量不低于800MPa的外护套材料。
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Bending Characteristics and Structure Design of Smooth Aluminum Composite Sheath in HV XLPE Cables
Abstract In recent years, the ablation failures of buffer layer frequently occurred in cables with corrugated aluminum sheaths have aroused the widespread attention of the domestic power industry to the smooth-aluminum-sheathed HV XLPE cables, whose bending performance is the key for engineering application. In this paper, a three-dimensional simulation model of four-point bending of a XLPE cable with smooth aluminum sheath was built, where the cohesive zone model was used to simulate the mechanical behavior of the adhesive layer. As for the bending performance of smooth aluminum composite sheath, the effects of the hot melt adhesive, the compressible thickness of buffer layer, the thickness and material of non-metallic outer-serving, and the inner diameter of aluminum sheath were studied. The results show that if the aluminum sheath is not bonded to the outer-serving, its resistance to bending deformation is so poor that it is prone to wrinkle and so as to squeeze the internal insulation. However, an integral composite sheath can be formed after being bonded, whose bending resistance is dependent on the total thickness. The aluminum sheath thickness is designed according to the short circuit capacity requirement, and the total thickness required for the bending resistance needs to be supplemented by the outer-serving, whose elastic modulus should be no less than 800MPa. The buffer layer has little effect on the bending performance of aluminum sheath, so its thickness can be designed mainly from the absorption of the insulation thermal expansion. Finally, an 110kV XLPE cable with smooth aluminum sheath was trial produced and type tested.
keywords：HV XLPE cable, smooth aluminum composite sheath, bending performance, hot melt adhesive, trial produce and type test
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90014
中图分类号：TM247
收稿日期 2020-05-01
改稿日期 2020-10-02
刘 英 女，1976年生，博士，副教授，主要研究方向为高压绝缘结构设计、电力电缆工程计算及应用。E-mail: candyly@xjtu.edu.cn
陈嘉威 男，1995年生，硕士研究生，主要研究方向为高压电缆结构设计。E-mail: jswxcjw1995@163.com（通信作者）
（编辑 崔文静）