一种电缆熔融接头的快速冷却方法
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摘 要：为解决电缆熔融接头的快速冷却问题，分别采用强制风冷和夹层水套冷却法对包裹电缆熔融接头的交联聚乙烯绝缘材料层进行快速冷却，并采用数值模拟的方法对其冷却效果及交联聚乙烯的材料性能进行验证和分析。模拟结果表明，水冷效果优于风冷方式。与自然冷却方式相比，冷却时间极大缩短，拉伸强度和断裂拉伸应变均显著提高。所得结果证实了水冷方法的有效性，对于解决普遍存在的电缆熔融接头的交联聚乙烯绝缘材料层的快速冷却问题具有一定的参考价值。
关键词：交联聚乙烯 水冷方式 冷却时间 拉伸强度 断裂拉伸应变
中图分类号：TM307 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0088-04
Abstract：In order to solve the problem of rapid cooling of cable fusion joints， the interlayer water jacket are used for rapid cooling the cross-linked polyethylene insulation material whith wrap the cable fusion joints，and the numerical simulation are used to check and analyse the cold effection and material properties.The simulation results show that the cooling time are greatly shortened and the tensile strength and fracture Tensile strain are significantly increased. The results confirm that the cooling method is effective，and which has a certain reference value for solving the repid cooling problem of the cross-linked polyethylene insulation material.
Key Words： Cross-linked polyethylene; Cooling time; Tensile strength; Fracture Tensile Strain
1 引言
随着社会工业的不断发展，对电力的需求越来越大，在电力传输过程中，会使用到大量的电力电缆，其中电力电缆是在电力系统的主干线路中用于传输和分配大功率电能的电缆产品，包括3.6～500kV及以上各种电压等级的各种绝缘的电力电缆[1-2]。由于塑料绝缘电力电缆的生产技术、场地、运输等因素的限制，塑料绝缘电力电缆般的长度为500～1000m/卷，但是城市地下电网、发电站的引出线路、工矿企业的内部供电及过江、过海的水下输电线有几十米、上百米、几公里、上千公里不等，所以必须把每卷塑料绝缘电力电缆进行连接延长，以满足设计施工的要求[3-5]。
目前，电力电缆的连接延长通常采用熔接式电缆直通连接及交联聚乙烯绝缘技术，来实现电力电缆的连接延长[6]。然而，聚乙烯绝缘材料目前多采用自然冷却方式，固化时间达到几个小时，严重影响了电力电缆的施工时间，尤其不适用于电缆抢修的场合。因此，如何缩短绝缘层的冷却时间成了一个亟待解决的问题，也是本文的研究目的。
2 冷却方案设计
交联聚乙烯具有优良的耐低温和耐环境应力开裂性能，作为绝缘材料广泛应用于电线电缆行业[7]。聚乙烯绝缘材料目前多采用自然冷却方式，固化时间达到几个小时，急需改进。
缩短固化时间的有效方法加强冷却效果。目前较常见的强化冷却方法有风冷法和水冷法，本文对水冷却法、风冷却法和自然冷却法在冷却时间上进行对比，以判断两种方法的优劣性。其中水冷法采用外加水套的强制冷却方式，其具体模型结构见图1所示;风冷法采用强风外吹的冷却方式，其具体模型结构如图2所示。
由于涉及到相变管热，其换热过程极为复杂，本文采用计算机数值模拟的计算方法，即采用有限元法划分网格，对水冷法、风冷法和自然冷却法的冷却时间和温度场分布进行了分析对比，结果如图3-图15所示。
从图3-图8不难看出，采用自然冷却方式需要接近4h才完成整个冷却过程（内外温度达到一致）。
由图9-图11可以看出，风冷的效果稍差，冷却时间约为2.22h。
由图12-图14可以看出，水冷的效果最好，冷却时间只有1.25h。
为进一步对冷却效果进行分析，本文对三种冷却方式（自然冷却，风冷，水冷）的冷却时间（数值模拟计算得出）进行了定量对比，结果如图15所示。
从数值模拟结果来看，交联聚乙烯温度下降到300K （27℃）所经历的时间明显不同，采用水冷方式为约3000s，采用风冷方式大约5000 s，采用自然冷却方式约8000s。不難看出，在聚乙烯外侧加装水套通水强冷的冷却方式（水冷却法）的冷却效果最好，风冷却法次之，自然冷却法效果最差。因此，本文推荐采用水冷方式。 3 质量检测
为了检验水冷方式对交联聚乙烯的性能是否有影响，本文做了以下检测试验：
（1）交联聚乙烯制备成1±0.1mm的试样板，热压温度为180℃，预热5min，施压 （压力10 MPa）5min;
（2）水急冷：保压10 MPa快速冷却，冷却速度60±20℃/min，冷却时间80 min;
空气缓冷：保压10 MPa的情况下让物料缓慢冷却，冷却时间5h;
（3）拉伸试验结果（试验速度25±5mm/min，测试温度23±2℃）如表1所示。
（4）密度试验结果如表2所示。
通过对两组试验的数据对比发现：急冷时试样拉伸强度和断裂拉伸应变明显强于缓冷的试样，而密度变化不大。所以，可以说采用水冷强制冷却方式，交联聚乙烯的质量稍好于自然冷却。这一点对现场抢修来说尤其重要。
4 结语
根据数值模拟结果，采用采用水冷方式其温度场分布均匀，冷却时间由将近4h缩短到1h左右。此外，采用水冷强制冷却方式，交联聚乙烯的拉伸强度和断裂拉伸应变显著提高。因此，可以说对交联聚乙烯进行强制冷却是可行的，这一点对于现场抢修具有极其重要的意义。
参考文献
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[7] 于静，柏晓红，李宝强，等.交联聚乙烯的SEM研究[J].电子显微学报，2006（25）：154-155.
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