聚合物铠装机械保护

  广地域的直埋电力电缆和控制电缆，大多采用双钢带铠装，当代城市内，土地高度紧缩，电缆敷设受到极度限制，不少场合，敷设弯曲半径比双钢带铠装电缆的允许弯曲半径小得多，不得不选用蛇皮管式铠装(即自锁式铝带绕包铠装)或轧纹金属管铠装，以下借用代码《LK》。该论文研究了一种新的增强机械保护结构，没有采用金属铠装，采用聚合物铠装，以下借用代码《SK》，SK这个新的理念，要从敷设时电缆的牵引力解释。电缆在直线方向牵引时，拉力不会很大；当电缆被牵引经过拐弯处(如墙角)，电缆先弯曲、后复原，因此要克服电缆弯曲和复原二个合力(矢量和)，还要克服在弯角处增加的摩擦力，所以拉力明显增大，同时经过弯角处电缆本身要承受侧面挤压力(简称测压力)，该侧压力是一种破坏因素，电缆的刚性(或称可挠性)和表面光洁度，均会影响拉力的大小，一般推荐电缆敷设时侧压力在1000～1500磅/呎(弯曲半径)之间，以后又减到低于800磅/呎(弯曲半径)，实际上许多场合超过此数值。SK可改进电缆可弯性能和降低表摩擦系数，替代LK效果明显。LK电缆结构见图1，SK电缆结构见图2。研究工作选择乙丙橡胶绝缘，是考虑电缆的柔软性。

  

    1. SK电缆的抗冲击性能：

    按照EDF规范HN 33-S-52进行试验，冲击重锤呈90° V形，尖端圆弧半径为80mil(2mm)，冲击后用激光测量厚度变化和绝缘的损坏情况。试验结果：SK电缆见表1，LK电缆见表2。如果按照绝缘相同的损害情况比较，SK电缆能承受200焦耳冲击能量，而LK电缆只能承受140焦耳冲击能量。进一步观察冲击能量对两种铠装的影响，规格为三芯350 kcm 15 kV，冲击能量为250焦耳，SK电缆损坏不很严重，LK电缆则严重损坏，见图3。剥除铜带后的绝缘屏蔽层损坏情况见图4。

表1  三芯＃2/0 AWG 15kV  SK电缆冲击试验

重锤重量	重锤高度	冲击能量	绝缘损坏
牛顿 N	吋 Inches (mm)	焦耳 Joules	密尔 Mils (mm)
550	14.3 (363.6)	200	26 (0.65)
	17.9 (454.4)	250	28 (0.7)
	21.5 (545.4)	300	28 (0.7)

表2  三芯＃2/0 AWG 15Kv  LK电缆冲击试验

重锤重量	重锤高度	冲击能量	绝缘损害
牛顿 N	吋 Inches (mm)	焦耳 Joules	密尔 Mils (mm)
550	14.3 (363.6)	200	95 (2.4)
	17.9 (454.4)	250	98 (2.4)
	21.5 (545.4)	300	110 (2.8)

 

 

a. SK冲击前；b. LK冲击前；c. SK冲击后；d. LK冲击后

图3  两种三芯350 kcm 15 kV电缆的250焦耳冲击试验对比

SK控制电缆的冲击试验，取典型规格9芯＃12 AWG 600V控制电缆，冲击试验结果见表3。

表3  9芯＃12 AWG 600V  SK控制电缆冲击试验

重锤重量	重锤高度	冲击能量	绝缘损坏(直径变化)
牛顿 N	吋 Inches (mm)	焦耳 Joules	密尔 Mils (mm)
250	4.7 (120.0)	30	8 (0.2)
	6.3 (160.0)	40	8 (0.2)
	7.9 (200.0)	50	11.8 (0.3)
	9.5 (240.0)	60	21.7 (0.55)
	11.0 (280.0)	70	25.6 (0.65)
	12.6 (320.0)	80	27.6 (0.7)

 

表4  9芯＃12 AWG 600V  LK控制电缆冲击试验

重锤重量	重锤高度	冲击能量	绝缘损坏(直径变化)
牛顿 N	吋 Inches (mm)	焦耳 Joules	密尔 Mils (mm)
250	4.7 (120.0)	30	31.5 (0.8)
	6.3 (160.0)	40	31.5 (0.8)
	7.9 (200.0)	50	31.5 (0.8)
	9.5 (240.0)	60	35.4 (0.9)
	11.0 (280.0)	70	43.3 (1.1)
	12.6 (320.0)	80	57.1 (1.45)

这项技术也已经在陆上和架空的通信电缆和光缆方面应用。图5为控制电缆经过80焦耳能量冲击的试验结果，SK的耐受能力为LK的2倍。图6和图7是二种控制电缆绝缘芯的损坏情况对比，这种破坏程度会引起相间短路。

2. SK电缆的敷设安装性能

图9是很特殊的电缆安装路径，二根三芯SK电缆的导体，分别为350 kcm和750 kcm，电压为15 kV，通过了这段特殊安装路径。牵引过程中必须对拉力、弯曲半径和侧压力进行监视，一旦出现超过允许侧压力时，可以利用中间辅助拖拉设备协助，以降低起始端部的拉眼或夹具的拉力。为防止不损坏电缆，如果辅助拖拉设备实施不能达标，就不得不切断电缆，增加中间连接盒。在最大允许侧压力(SWPB)为3000磅/呎时，SK电缆均成功通过按此程序的牵引过程。甚至规格为750 kcm 15 kV电缆，侧压力超过2000磅/呎时，也未任何损坏。牵引LK电缆，有时侧压力会超过1500磅/呎，这个侧压力是LK电缆的最大极限值，假如三芯750 kcm 15 kV的LK电缆，要在这样的条件下敷设，则需要安装二个中间连接盒。限制侧压力目的是保证电缆稳定运行30～50年。但目前北美尚未队侧压力提出明确的规定。

SK电缆比LK电缆具有更好的耐碾压性、耐冲击性，在电缆敷设中能承受更大的侧压力。并具有更好的阻燃、低烟、低温(－40℃)弯曲和低温(－40℃)冲击性能。聚合物铠装结构已经获得UL、加拿大标准协会、美国船舶局和海岸警卫队的认可。

结论：1. SK的冲击性能比铝材铠装提高5倍。

2. SK能承受3000 磅/呎(弯曲半径)侧压力。

3. 电缆长距离敷设情况可减少中间连接盒。

图9  电缆敷设牵引路径图                       图  牵引装备

 

(原著标题：Advanced Mechanical Protection Using Polymeric Armor)