作為電力傳輸?shù)妮d體，不管是高壓電力電纜還是中、低壓電力電纜，安全運(yùn)行與使用是電力和電纜工作者的責(zé)任，特別是中高壓電力電纜，如果出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致大面積停電事故，產(chǎn)生的影響較大，帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失，國(guó)內(nèi)外有許多這樣的事例可證明。

透過(guò)“熱脹冷縮”這一基本物理現(xiàn)象分析電力電纜在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力、溫度自應(yīng)變。由于材料的塑性熱收縮也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。兩種機(jī)械物理變化的不同點(diǎn)是，“熱脹冷縮”是可逆過(guò)程，而熱收縮是不可逆的過(guò)程。

電力電纜在載荷運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體和絕緣產(chǎn)生熱量，達(dá)到一定的工作溫度，電纜運(yùn)行溫度升高，使電纜結(jié)構(gòu)內(nèi)材料的機(jī)械物理性能產(chǎn)生變化。這種因熱產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變相對(duì)較小，但電纜軸向長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，因而產(chǎn)生的絕對(duì)值則不少，這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)為電纜結(jié)構(gòu)元件的熱伸縮和熱應(yīng)力變化。但電力電纜的電氣和其它機(jī)械物理性能不受影響，因?yàn)殡娎|設(shè)計(jì)時(shí)考慮的就是工作溫度的狀態(tài)。由于電纜的徑向應(yīng)變微小，對(duì)電纜應(yīng)用沒(méi)有多大損害，所以我們分析時(shí)一般不作考慮。

產(chǎn)生原因

電力電纜在生產(chǎn)后與常溫相同，但電力電纜負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的溫度，常見(jiàn)電纜材料額定工作溫度如表1所示。

表1 電力電纜的工作溫度

常規(guī)電力電纜具有導(dǎo)體、絕緣、金屬護(hù)套、塑料護(hù)套幾種結(jié)構(gòu)，電纜用塑料與金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變差異較大，如表2所示：電纜用塑料應(yīng)用時(shí)都處在高彈態(tài)，其膨脹率是金屬的（10～20）倍；而金屬的應(yīng)力則是塑料的（20～100）倍。因而電纜塑料材料熱伸縮和金屬材料的熱應(yīng)力這兩個(gè)突出現(xiàn)在本文研究時(shí)給予重視。表2是常用電線電纜材料的平均線膨脹系數(shù)。

表2 電纜材料的平均線膨脹系數(shù)

絕緣護(hù)套的熱伸縮很復(fù)雜，絕緣護(hù)套塑料材料在受熱時(shí)，除熱膨脹外，還會(huì)塑性收縮。塑料具有拉伸放熱和收縮吸熱的性能，受熱產(chǎn)生塑性熱收縮。聚烯烴類(lèi)塑性較強(qiáng),熱收縮性能明顯，而PVC材料塑性較差，熱收縮是伸長(zhǎng)的1/5，電纜運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)為熱膨脹伸長(zhǎng)，恢復(fù)常溫時(shí)則表現(xiàn)為收縮。

從材料特性來(lái)講，金屬材料的膨脹率比塑料材料要小得多，但熱變化產(chǎn)生的危害要比塑料絕緣護(hù)套產(chǎn)生的影響要大得多，是因?yàn)榻饘購(gòu)?qiáng)度較大，特別是大截面的電力電纜，一旦產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)，將對(duì)電纜接頭、終端，甚至于電氣柜產(chǎn)生較大的破壞。電纜結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬包括導(dǎo)體、屏蔽和金屬護(hù)套，主要是銅、鋁、鋼等金屬材料。

危害

1）電力電纜的機(jī)械物理性能變化危害特點(diǎn)：電力電纜運(yùn)行時(shí)，工作溫度一般為70℃、90℃，比常溫高了50℃、70℃，因而電纜產(chǎn)生了熱機(jī)械性能變化，電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，絕對(duì)伸長(zhǎng)越大。

2）在不同的敷設(shè)方式下，電力電纜的機(jī)械物理性能變化會(huì)產(chǎn)生以下的危害

1. 直埋敷設(shè)時(shí)，電纜因受到周邊土壤的限制，整根電纜無(wú)法產(chǎn)生位移，于是線芯將在熱機(jī)械力的作用下在線路的兩個(gè)末端產(chǎn)生很大的推力，引起末端位移，從而對(duì)電纜附件的安全構(gòu)成極大威脅。
2. 管道敷設(shè)時(shí)，電纜因不受到橫向約束，在熱機(jī)械力的作用下電纜將產(chǎn)生彎曲變形；
3. 隧道敷設(shè)時(shí)，電纜一般均放在支架上，不作剛性固定，故電纜的熱伸縮較大，在斜面敷設(shè)時(shí)易出現(xiàn)滑落現(xiàn)象；在電纜的彎曲處易出現(xiàn)嚴(yán)重位移。
4. 豎井敷設(shè)時(shí)，電纜的自重及熱機(jī)械力有可能使金屬層產(chǎn)生過(guò)分的應(yīng)變，從而縮短電纜的使用壽命。
5. 橋架敷設(shè)時(shí)，若電纜敷設(shè)在橋架中，在熱機(jī)械力的作用下電纜還會(huì)受到橋梁伸縮、振動(dòng)的影響，從而損壞橋架等固定設(shè)施。

因此，熱脹冷縮產(chǎn)生的影響是電力電纜安裝時(shí)必須考慮到的一重大舉措。

3）電力電纜溫度變化對(duì)電纜性能的影響

電纜使用過(guò)程中，頻繁的電力通斷切換，會(huì)引起溫度的大起大落，這會(huì)導(dǎo)致電纜疲勞，使塑性變形增大，收縮量增加，影響絕緣壽命和性能；護(hù)套材料溫度變化比絕緣要小，但疲勞蠕動(dòng)在一定程度上也會(huì)影響電纜防護(hù)壽命。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“電力電纜運(yùn)行過(guò)程中的熱機(jī)械性能變化”，作者為吉啟榮、吳建良等。）