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1958年创刊, 月刊

ISSN 1672-6901
CN 31-1392/TM

热塑性聚丙烯绝缘中压电力电缆绝缘的热稳定性

祝军, 周兵兵, 李斌, 周云峰, 韩啸, 时佰万

祝军, 周兵兵, 李斌, 等. 热塑性聚丙烯绝缘中压电力电缆绝缘的热稳定性[J]. 电线电缆, 2025, 68(2): 18-23. DOI: 10.16105/j.dxdl.1672-6901.20240075
引用本文: 祝军, 周兵兵, 李斌, 等. 热塑性聚丙烯绝缘中压电力电缆绝缘的热稳定性[J]. 电线电缆, 2025, 68(2): 18-23. DOI: 10.16105/j.dxdl.1672-6901.20240075
ZHU J, ZHOU B B, LI B, et al. Insulation thermal stability of thermoplastic polypropylene insulated medium voltage power cables[J]. Wire & Cable, 2025, 68(2): 18-23. DOI: 10.16105/j.dxdl.1672-6901.20240075
Citation: ZHU J, ZHOU B B, LI B, et al. Insulation thermal stability of thermoplastic polypropylene insulated medium voltage power cables[J]. Wire & Cable, 2025, 68(2): 18-23. DOI: 10.16105/j.dxdl.1672-6901.20240075

热塑性聚丙烯绝缘中压电力电缆绝缘的热稳定性

详细信息
    作者简介:

    祝军: 1972—,男,高级工程师主要从事电线电缆设计、制造及工艺工装研究E-mail:zhujun1208@163.com

  • 中图分类号: TM247

Insulation Thermal Stability of Thermoplastic Polypropylene Insulated Medium Voltage Power Cables

  • 摘要:

    为研究热塑性聚丙烯(polypropylene,PP)绝缘中压电力电缆绝缘的热稳定性,分别对PP绝缘与交联聚乙烯(cross-linked polyethyline,XLPE)绝缘中压电力电缆开展温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路试验,测试并分析短路试验前后PP绝缘与XLPE绝缘的结构尺寸、机械物理性能和电气性能。试验结果表明,在短路电流试验前后,PP绝缘与XLPE绝缘的结构尺寸、机械物理性能和电气性能均无明显变化,即PP绝缘中压电力电缆具备与XLPE绝缘中压电力电缆同样的短路能力。研究结果为PP绝缘电缆在输配电领域的应用及推广提供了数据支撑,同时也可为生产制造企业开发PP绝缘中压电力电缆提供研究方向。

    Abstract:

    In order to study insulation thermal stability of thermoplastic polypropylene (PP) insulated medium voltage power cables, short-circuit test was carried out on PP insulated and and cross-linked polyethylene (XLPE) insulated medium voltage power cables with a conditional temperature of 250 °C and short-circuit time of 1~7 s. Structural size, mechanical and physical properties, and electrical properties of PP insulation and XLPE insulation before and after short circuit test were tested and analyzed. Results showed that structural size, mechanical and physical properties, and electrical properties of PP insulation and XLPE insulation had no significant change before and after the short-circuit test, which was that PP insulated medium voltage power cables had the same short-circuit capability as XLPE insulated medium voltage power cables. Research results could provide data support for application and promotion of PP insulated cables in the field of transmission and distribution, and also provide research direction for development of PP insulated medium voltage cables in industry manufacturing enterprises.

  • 热塑性聚丙烯(polypropylene,PP)绝缘中压电力电缆与交联聚乙烯(cross-linked polyethyline,XLPE)绝缘中压电力电缆相比,PP绝缘的三层共挤生产过程不需要交联和脱气,无枯基醇和苯乙酮等交联副产物产生,工艺简单,能耗低,供货周期短,在全生命周期内可以大幅降低碳排放[1-4]。PP绝缘电缆在输配电领域的应用和推广,契合我国“节能优先、低碳环保、立足国内、创新驱动”的能源发展战略。

    短路故障由带电导体之间非正常连接所导致,通常伴随很大的故障电流。大电流导致带电导体及连接件的温度急剧上升,使得电线电缆的绝缘材料损坏或失效。过高的温度还可能引起可燃物燃烧,甚至造成火灾,导致严重后果[5]。电力系统中出现短路故障时,导线温度随电流的激增将迅速上升,而升至其允许温度需要一定的时间,该时间的长短直接影响运行调度部门的应急方案。因此,绝缘材料的热稳定性在高温下运行时显得尤为重要[6-8]

    目前,输配电网中普遍使用XLPE绝缘中压电力电缆。根据GB/T 12706.2—2020《额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第2部分:额定电压6 kV(Um=7.2 kV)到30 kV(Um=36 kV)电缆》规定,正常运行工况下,XLPE绝缘电缆导体的最高温度为90 ℃;短路(最长持续5 s)工况下,导体的最高温度为250 ℃。作为替代XLPE绝缘中压电力电缆的新产品,PP绝缘中压电力电缆的绝缘耐温性是行业普遍关心的问题。此外,在电网中应用和推广时,需要对PP绝缘承载短路电流的能力开展评价,即PP绝缘是否具备与XLPE绝缘相同的短路能力。

    国内已有学者针对上述问题开展了一些研究[9]。本文基于上述背景,参照T/CEEIA 591—2022《额定电压6 kV(Um=7.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)热塑性聚丙烯绝缘电力电缆》中绝缘热稳定性试验方法,对PP绝缘中压电力电缆的绝缘热稳定性展开研究。通过对PP绝缘与XLPE绝缘中压电力电缆进行温度为250 ℃、时间为1~7 s的短路试验,测试并分析短路试验前后PP绝缘与XLPE绝缘的结构尺寸、机械物理性能和电气性能,并对PP绝缘的短路能力作出评价,为PP绝缘电缆在输配电领域的推广、应用和选型提供依据。

    采用型号规格分别为YJV-8.7/15 1×70(下文简称XLPE电缆试样)和PV-8.7/15 1×70 (下文简称PP电缆试样)的10 kV铜芯电力电缆作为试样。XLPE电缆试样采用XLPE绝缘料和半导电交联型屏蔽料,其结构参数设计遵循GB/T 12706.2—2020。PP电缆试样则采用共聚改性聚丙烯绝缘料[10-12],匹配具有优异耐高温性能的半导电热塑性屏蔽料[13],其结构参数设计遵循T/CEEIA 591—2022。电缆结构示意图见图1

    图  1  电缆结构示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of cable structure

    将以串联方式连接的XLPE电缆试样和PP电缆试样作为一个样品组,共选取8个样品组,记为0#~7#。其中,试样0# 用于原始性能测试,不开展短路试验;试样1#~7#用于短路试验,以1 s为步长,分别对其进行时间为1~7 s的短路试验。通过预埋在导体上的热电偶,测量导体温升,对原始试样和短路试验后试样进行取样,分析短路试验前后XLPE电缆和PP电缆绝缘结构尺寸、机械物理性能和电气性能的变化。XLPE电缆和PP电缆的性能测试分别参照GB/T 12706.2—2020和T/CEEIA 591—2022。

    根据GB/T 42397—2023《考虑非绝热效应时允许短路电流的计算》中方法,计算导体允许短路电流[14-15],见公式(1)~公式(3)。

    $$ I=\varepsilon\times I_{\mathrm{AD}} $$ (1)
    $$ I_{\mathrm{AD}}=KS\sqrt{\frac{1}{t}\mathrm{ln}\left(\frac{\theta\mathrm{_f}+\beta}{\theta\mathrm{_i}+\beta}\right)} $$ (2)
    $$ {\varepsilon }=\sqrt{1+X\sqrt{\frac{t}{S}}+Y\sqrt{\frac{t}{S}}} $$ (3)

    式中:I为短路电流有效值,A;ε 为非绝热修正因数;IAD为绝热法计算的短路电流,A;K为与载流体材料有关的系数,根据GB/T 42397—2023中表1的规定,取226 As1/2·mm−2S为载流体几何截面积,取标称截面积为70 mm2t为短路时间,s;θf为最终温度,取250 ℃;θi为起始温度,按照实际室温选取,℃;β为0 ℃时载流体电阻温度系数的倒数,根据GB/T 42397—2023中表1的规定,取234.5 K;XY为非绝热修正因数简化计算公式中常数,与载流体种类及绝缘类型有关,根据GB/T 42397—2023中表3的规定,XLPE绝缘铜芯电缆的X为0.41、Y为0.12。PP绝缘在标准中无规定,本文基于XLPE绝缘参数进行试验短路电流计算。

    根据公式(1)~公式(3),计算不同短路时间、不同起始温度下,短路试验的通电电流,再根据实际温升情况,调整通电电流。

    在环境温度为18~35 ℃的条件下,将电流施加在导体上,以单相短路方式,在每个时间点进行1次短路[16-17]。试样1#~7#短路试验时短路电流有效值、短路时间和导体最高温度的统计数据见表1。其中,短路时间为试验实际通电时间(与理论通电时间存在20 ms误差)。

    表  1  试样1#~7#短路试验统计数据
    Table  1.  Short-circuit test statistics data for sample 1#~7#
    试样编号 短路电流
    有效值/kA
    短路时间/s 导体最高温度/℃
    XLPE电缆 PP电缆
    1# 13.10 1.02 278.9 277.0
    2# 9.47 2.02 255.9 244.7
    3# 7.87 3.02 254.3 250.2
    4# 6.85 4.02 258.6 246.4
    5# 6.18 5.02 251.2 248.7
    6# 5.58 6.02 254.3 250.3
    7# 5.13 7.02 256.1 249.3
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    表1分析可知, PP绝缘电缆和XLPE绝缘电缆在经受相同短路试验条件时,导体温升基本一致。

    短路试验后,参照T/CEEIA 591—2022第18.12.4条进行目视检查,在相同的通电电流及持续时间下,导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽未发生可视变化,表明PP绝缘短路能力符合产品标准的考核要求。

    在短路试验前后,分别对试样进行取样。参照T/CEEIA 591—2022第19.2条,测量不同短路时间下XLPE电缆与PP电缆绝缘线芯的结构尺寸,结果见表2

    表  2  不同短路时间下XLPE电缆与PP电缆绝缘线芯结构尺寸
    Table  2.  Structure size of insulated core in XLPE cable and PP cable under different short-circuit duration
    试样编号线芯结构XLPE绝缘层PP绝缘层
    平均厚度/mm最小厚度/mm绝缘偏心度/%平均厚度/mm最小厚度/mm绝缘偏心度/%
    短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后
    1#导体屏蔽0.70.70.590.58450.90.90.840.8298
    绝缘4.94.94.704.764.44.44.234.06
    绝缘屏蔽0.70.70.630.610.90.90.740.74
    2#导体屏蔽0.80.80.650.65450.90.90.830.8277
    绝缘4.84.84.684.634.44.44.184.18
    绝缘屏蔽0.80.80.680.680.80.90.720.71
    3#导体屏蔽0.80.80.660.65541.01.00.900.8688
    绝缘4.84.84.684.714.54.54.314.30
    绝缘屏蔽0.80.80.700.680.90.90.740.77
    4#导体屏蔽0.70.70.610.60440.90.90.780.7988
    绝缘4.84.84.684.714.34.44.174.18
    绝缘屏蔽0.80.80.710.720.80.80.680.70
    5#导体屏蔽0.80.70.620.61550.90.90.790.7865
    绝缘4.84.84.624.634.44.34.164.17
    绝缘屏蔽0.80.80.730.710.80.80.710.56
    6#导体屏蔽0.80.70.640.62650.90.90.770.7767
    绝缘4.74.84.414.624.44.44.194.14
    绝缘屏蔽0.80.80.710.710.80.80.700.69
    7#导体屏蔽0.70.70.590.56650.90.90.800.7967
    绝缘4.94.94.674.794.54.54.294.21
    绝缘屏蔽0.70.70.650.610.90.90.710.73
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    表2可知,短路试验前后,PP电缆绝缘层中导体屏蔽层最小厚度呈现下降趋势,但均符合T/CEEIA 591—2022中规定的最小厚度(0.5 mm)要求;其余各层结构未见趋势性变化;瞬时高温使热塑性半导电导体屏蔽在导体接触面上产生向内的径向微小滑移。结果表明,PP电缆在耐受温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路工况前后,绝缘层宏观尺寸未发生明显变化。在PP电缆产品的开发中,导体屏蔽的耐高温性能需要重点关注。

    参照T/CEEIA 591—2022第19.4条,对短路试验前后试样进行绝缘机械性能试验。

    在原始试样0#和短路试验后试样1#~7#上取哑铃试样,进行XLPE电缆与PP电缆的绝缘老化前后机械性能测试。XLPE电缆的绝缘老化试验条件为135 ℃、168 h,PP电缆的绝缘老化试验条件为135 ℃、240 h,测试数据见表3表4。其中,正号(+)表示电缆伸长,负号(−)表示电缆缩短。

    表  3  XLPE电缆绝缘老化前后机械性能测试数据
    Table  3.  Mechanical properties test data of XLPE cable insulation before and after aging
    试样编号 抗张强度/MPa 断裂伸长率/% 老化前后
    抗张强度
    变化率/%
    老化前后
    断裂伸长率
    变化率/%
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 27.8 26.2 580 590 −6 +2
    1# 24.4 25.3 530 560 +4 +6
    2# 25.3 26.9 550 570 +6 +4
    3# 25.3 24.2 560 570 −4 +2
    4# 25.0 26.2 540 570 +5 +6
    5# 24.6 26.2 560 580 +7 +4
    6# 26.1 25.6 560 560 −2 0
    7# 24.7 25.7 550 590 +4 +7
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    表  4  PP电缆绝缘老化前后机械性能测试数据
    Table  4.  Mechanical properties test data of PP cable insulation before and after aging
    试样编号 抗张强度/MPa 断裂伸长率/% 老化前后
    抗张强度
    变化率/%
    老化前后
    断裂伸长率
    变化率/%
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 29.5 26.3 710 630 −11 −11
    1# 25.3 23.3 670 620 −8 −7
    2# 24.4 24.1 670 560 −1 −16
    3# 26.9 25.5 690 600 −5 −13
    4# 27.2 26.0 720 590 −4 −18
    5# 27.8 26.7 700 630 −4 −10
    6# 28.1 25.9 670 600 −8 −10
    7# 25.3 23.0 660 630 −9 −5
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    表3表4可知,短路试验前后,XLPE电缆和PP电缆绝缘老化前后的机械性能均未发生明显变化,符合对应产品标准的考核要求。结果表明,PP电缆在耐受温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路工况前后,绝缘层机械性能未发生明显变化。

    参照T/CEEIA 591—2022中表5的规定,对短路试验前后PP电缆试样进行绝缘物理性能试验。

    对原始试样0#和短路试验后PP电缆试样1#~7#进行取样,参照T/CEEIA 591—2022,开展绝缘低温拉伸性能、绝缘热收缩性能、绝缘吸水性能、绝缘高温压力性能及内外屏蔽老化前后电阻率测试,测试数据见表5

    表  5  PP电缆绝缘物理性能测试数据
    Table  5.  Physical properties test data of PP cable insulation
    样品编号 低温拉伸性能
    (−40 ℃)/%
    热收缩
    性能/%
    吸水性能/ (mg·cm−2) 高温压力
    性能 /%
    半导电导体屏蔽体积电阻率/(Ω·m) 半导电绝缘屏蔽体积电阻率/(Ω·m)
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 217 1 0.3 9 0.52 0.67 0.12 0.21
    1# 198 1 0.4 10 0.40 0.40 1.01 0.83
    2# 206 1 0.4 10 0.45 0.49 0.14 0.15
    3# 171 1 0.4 10 0.48 0.47 0.23 0.20
    4# 208 1 0.4 10 0.41 0.41 0.16 0.15
    5# 206 1 0.4 10 0.44 0.47 0.16 0.15
    6# 199 1 0.4 10 0.48 0.55 0.18 0.17
    7# 185 1 0.5 10 0.42 0.51 0.73 0.81
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    表5可知,在短路试验后,PP电缆绝缘的低温拉伸性能、热收缩性能、吸水性能、高温压力性能及内外屏蔽老化前后体积电阻率均未发生明显变化。结果表明,PP电缆在耐受温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路工况前后,绝缘层物理性能未发生明显变化。

    参照T/CEEIA 591—2022第18.12.4条,对短路试验前后电缆试样进行电气性能测试。

    对原始试样0#和短路试验后试样1#~7#分别开展局部放电试验、工频耐压试验、高温介质损耗因数试验。其中,试样0#~7#在局部放电试验(试验电压为15 kV,灵敏度小于1 pC)中均未检测到超过申明灵敏度的放电;在工频耐压试验(工频试验电压为30.5 kV,耐压时间为15 min)中绝缘均未击穿或闪络;在导体温度为98 ℃、试验电压为8.7 kV、试验频率为50 Hz的条件下,高温介质损耗因数的测试数据见表6

    表  6  高温介质损耗因数测试数据
    Table  6.  Test data of high temperature dielectric dissipation factor
    样品编号 高温介质损耗因数/(×10−4)
    XLPE电缆 PP电缆
    0# 3.9 6.5
    1# 4.3 7.1
    2# 8.6 9.3
    3# 8.2 9.2
    4# 6.8 8.7
    5# 6.3 7.4
    6# 6.5 7.6
    7# 4.8 7.7
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    表6可知,在短路试验前后,XLPE电缆与PP电缆的局部放电试验、工频耐压试验、高温介质损耗因数试验的结果均满足对应标准要求,且未见明显变化。结果表明,温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路工况,对PP电缆绝缘的电气性能未产生影响。

    本文对XLPE绝缘和PP绝缘中压电力电缆同时开展温度为250 ℃、短路时间为1~7 s的短路试验,测试并分析短路试验前后PP绝缘与XLPE绝缘的结构尺寸、机械物理性能、电气性能变化,对行业关注的热塑性聚丙烯绝缘电缆绝缘短路能力进行了试验验证。结果表明,水平铺设工况下,在短路电流试验前后,PP绝缘与XLPE绝缘中压电力电缆的结构尺寸、机械物理性能、电气性能均无明显变化,即热塑性PP绝缘中压电力电缆具备与XLPE绝缘中压电力电缆同等的短路能力。

    上述研究结果可在热塑性聚丙烯绝缘电缆的开发、检测等方面为行业提供借鉴参考,并为热塑性PP绝缘电缆在输配电领域的应用及推广提供数据支撑。此外,特殊工况(如垂直敷设、不同落差的敷设和极限弯曲条件下的敷设)对热塑性PP绝缘中压电力电缆短路能力的影响有待进一步研究。

  • 图  1   电缆结构示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of cable structure

    表  1   试样1#~7#短路试验统计数据

    Table  1   Short-circuit test statistics data for sample 1#~7#

    试样编号 短路电流
    有效值/kA
    短路时间/s 导体最高温度/℃
    XLPE电缆 PP电缆
    1# 13.10 1.02 278.9 277.0
    2# 9.47 2.02 255.9 244.7
    3# 7.87 3.02 254.3 250.2
    4# 6.85 4.02 258.6 246.4
    5# 6.18 5.02 251.2 248.7
    6# 5.58 6.02 254.3 250.3
    7# 5.13 7.02 256.1 249.3
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    表  2   不同短路时间下XLPE电缆与PP电缆绝缘线芯结构尺寸

    Table  2   Structure size of insulated core in XLPE cable and PP cable under different short-circuit duration

    试样编号线芯结构XLPE绝缘层PP绝缘层
    平均厚度/mm最小厚度/mm绝缘偏心度/%平均厚度/mm最小厚度/mm绝缘偏心度/%
    短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后短路前短路后
    1#导体屏蔽0.70.70.590.58450.90.90.840.8298
    绝缘4.94.94.704.764.44.44.234.06
    绝缘屏蔽0.70.70.630.610.90.90.740.74
    2#导体屏蔽0.80.80.650.65450.90.90.830.8277
    绝缘4.84.84.684.634.44.44.184.18
    绝缘屏蔽0.80.80.680.680.80.90.720.71
    3#导体屏蔽0.80.80.660.65541.01.00.900.8688
    绝缘4.84.84.684.714.54.54.314.30
    绝缘屏蔽0.80.80.700.680.90.90.740.77
    4#导体屏蔽0.70.70.610.60440.90.90.780.7988
    绝缘4.84.84.684.714.34.44.174.18
    绝缘屏蔽0.80.80.710.720.80.80.680.70
    5#导体屏蔽0.80.70.620.61550.90.90.790.7865
    绝缘4.84.84.624.634.44.34.164.17
    绝缘屏蔽0.80.80.730.710.80.80.710.56
    6#导体屏蔽0.80.70.640.62650.90.90.770.7767
    绝缘4.74.84.414.624.44.44.194.14
    绝缘屏蔽0.80.80.710.710.80.80.700.69
    7#导体屏蔽0.70.70.590.56650.90.90.800.7967
    绝缘4.94.94.674.794.54.54.294.21
    绝缘屏蔽0.70.70.650.610.90.90.710.73
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    表  3   XLPE电缆绝缘老化前后机械性能测试数据

    Table  3   Mechanical properties test data of XLPE cable insulation before and after aging

    试样编号 抗张强度/MPa 断裂伸长率/% 老化前后
    抗张强度
    变化率/%
    老化前后
    断裂伸长率
    变化率/%
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 27.8 26.2 580 590 −6 +2
    1# 24.4 25.3 530 560 +4 +6
    2# 25.3 26.9 550 570 +6 +4
    3# 25.3 24.2 560 570 −4 +2
    4# 25.0 26.2 540 570 +5 +6
    5# 24.6 26.2 560 580 +7 +4
    6# 26.1 25.6 560 560 −2 0
    7# 24.7 25.7 550 590 +4 +7
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    表  4   PP电缆绝缘老化前后机械性能测试数据

    Table  4   Mechanical properties test data of PP cable insulation before and after aging

    试样编号 抗张强度/MPa 断裂伸长率/% 老化前后
    抗张强度
    变化率/%
    老化前后
    断裂伸长率
    变化率/%
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 29.5 26.3 710 630 −11 −11
    1# 25.3 23.3 670 620 −8 −7
    2# 24.4 24.1 670 560 −1 −16
    3# 26.9 25.5 690 600 −5 −13
    4# 27.2 26.0 720 590 −4 −18
    5# 27.8 26.7 700 630 −4 −10
    6# 28.1 25.9 670 600 −8 −10
    7# 25.3 23.0 660 630 −9 −5
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    表  5   PP电缆绝缘物理性能测试数据

    Table  5   Physical properties test data of PP cable insulation

    样品编号 低温拉伸性能
    (−40 ℃)/%
    热收缩
    性能/%
    吸水性能/ (mg·cm−2) 高温压力
    性能 /%
    半导电导体屏蔽体积电阻率/(Ω·m) 半导电绝缘屏蔽体积电阻率/(Ω·m)
    老化前 老化后 老化前 老化后
    0# 217 1 0.3 9 0.52 0.67 0.12 0.21
    1# 198 1 0.4 10 0.40 0.40 1.01 0.83
    2# 206 1 0.4 10 0.45 0.49 0.14 0.15
    3# 171 1 0.4 10 0.48 0.47 0.23 0.20
    4# 208 1 0.4 10 0.41 0.41 0.16 0.15
    5# 206 1 0.4 10 0.44 0.47 0.16 0.15
    6# 199 1 0.4 10 0.48 0.55 0.18 0.17
    7# 185 1 0.5 10 0.42 0.51 0.73 0.81
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    表  6   高温介质损耗因数测试数据

    Table  6   Test data of high temperature dielectric dissipation factor

    样品编号 高温介质损耗因数/(×10−4)
    XLPE电缆 PP电缆
    0# 3.9 6.5
    1# 4.3 7.1
    2# 8.6 9.3
    3# 8.2 9.2
    4# 6.8 8.7
    5# 6.3 7.4
    6# 6.5 7.6
    7# 4.8 7.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-28
  • 修回日期:  2024-11-28
  • 网络出版日期:  2025-02-19
  • 刊出日期:  2025-02-24

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