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防水XLPE电缆结构分析

发布时间:2017/11/06 点击量:
交联聚乙烯XLPE电缆绝缘电力电缆,因其良好的电气、机械物理性能,且生产工艺简单、结构轻便、传输容量大、安装敷设及维护保养方便、不受落差限制等优点,在电力系统中已经得到广泛的应用。但是XLPE电缆在敷设和运行期间,当机械应力或外力造成电缆护套及绝缘损伤或接头损坏时,潮气或水分会沿着线缆纵向和径向间隙浸入,致使XLPE电力电缆绝缘在运行电压下生成水树枝的概率迅速上升[1]。水树枝生长到一定长度即会在水树枝尖端引发永久性电树枝缺陷,并在较短时间导致电缆绝缘击穿,造成停电事故。因此,电缆防水技术对于保证XLPE电缆的可靠性与寿命都具有非常重要的意义。
1 水分对电缆的损害
一般而言,水分浸入电缆后主要影响电缆的导体和绝缘。导体正常运行时处于一种热稳定状态,导体温度基本维持在60℃以上,如果有水分浸入就会导致导体氧化,增加导体单线间的接触电阻从而增加电缆缆芯电阻,导致电缆线损增加[2]。就绝缘而言,虽然聚乙烯是极难溶于水的非极性疏水物质,但又是一种由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物。结晶相结构紧凑,晶界缺陷弱,无定形相中的分子排列疏松,分子间存在较大的间隙。在结晶相与无定形相界面还会产生微孔聚集。水分子是极性分子,在交变电场的作用下,水分子偶极不断来回翻转,扩散力及电场力的共同作用使水分子通过无定形相的空隙和晶相的晶界缺陷处渗透到绝缘材料中。XLPE电缆分子结构中也存在同样的问题,同时XLPE中有较多的交联副产物充当杂质,因而XLPE在交变电场下也有较大的吸水率[3]。交联聚乙烯和聚乙烯绝缘吸水后,在电场的作用形成水树枝,绝缘晶相与无定形相界面成为水树枝优先发展的通道。水树枝的产生将会造成绝缘介质损耗增加,同时降低绝缘电阻及绝缘击穿电压,加快老化速度,缩短电缆的使用寿命。更为严重的是,水树枝在电场作用下或经过长时间氧化、转化,最终不仅会在水树枝尖端生成电树枝,自身有也可能转变为电树枝,众所周知,电树枝腔体存在不断扩张的局部放电,会导致电缆绝缘在短期内被击穿,严重影响电缆的使用可靠性 [1]
早期防止电缆绝缘中产生水树枝,主要是考虑对XLPE进行改性,采用添加电压稳定剂及其它的添加剂来抑制水树枝的产生,此举有一定的效果但没有从根本上解决问题。防止水分和潮气进入XLPE绝缘电力电缆,才是阻止绝缘中产生水树枝的根本途径[2]
鉴于XLPE电缆进水、受潮后对电缆运行可靠性与寿命的影响,国内外已经开发出不少电缆阻水技术[4-14]。这些阻水技术大体上可以分类如下:①按所采用的阻水材料,可以分为主动阻水技术和被动阻水技术;②按采用的阻水机理,可以分为纵向阻水技术和径向阻水技术。国外对阻水电缆结构开发研究较早[4-6],近年来国内在阻水电缆工业化生产方面有了较大发展,已有一批专利问世。本文主要根据近年来国内公开专利阻水电缆结构进行归纳和分析。
2 阻水材料
为了防止电缆受潮,工程上先后采用过多种阻水材料。这些材料按其阻水特点可以分为两类,主动阻水和被动阻水。主动阻水是利用主动阻水材料的吸水膨胀性,在护层破损或接头损坏时,阻水材料迅速吸水分(气)膨胀,阻断水流入电缆的通道,使水分(气)被限制在很小的一段范围内,该类阻水材料包括吸水膨胀油膏、阻水带、阻水粉、阻水纱、阻水绳等。被动阻水是利用被动阻水材料的疏水性,在护层破损点处直接将水分(气)阻住,不让其进入电缆内,被动阻水材料包括石油填充膏、热熔胶、热膨胀油膏等;
2.1 被动阻水材料
向电缆中填充被动阻水材料石油膏,是早期的电力电缆阻水的主要措施。这种方法能直接把水分阻止在电缆的外面,有较好的阻水效果,但是填充石油膏有如下的缺点:
(1)大大增加了电缆的重量;
(2)电缆填充石油膏以后造成电缆缆芯导电性能下降;
(3)石油膏对电缆接头污染严重且清洗困难,造成电缆接头施工困难;
(4)如果填充不完全或存在气隙则阻水效果大打折扣,且完全填充工艺不容易控制;
(5)有些阻水膏在常温下固化后,将电缆中各元件紧密地结合在一起,形成一个实心整体,以实现阻水效果。但电缆经受了反复曲绕后,电缆的芯线间及屏蔽层内外表面就会发生相对位移,产生微小缝隙。
目前,阻水电缆已经基本不采用被动阻水材料,而是采用阻水性能更加优良的主动阻水材料。
2.2 主动阻水材料
鉴于被动阻水材料的种种缺陷,工程上逐渐开发出超强吸水膨胀的主动阻水材料。主动阻水材料的基本特点是强吸水性和高膨胀率,它能够强力吸水、迅速膨胀,形成凝胶状物质阻断渗水通道,从而保障电缆绝缘安全。
超强吸水膨胀的主动阻水材料是吸水能力特别强的物质,它的吸水量为自身的几十倍乃至几千倍。日本的昭和电工、美国National Starch AntoChemistry等公司利用溶性的聚丙烯酸采用不同的交联方法制成超强吸水剂,吸水能力达800~1000 g/g,美国UCC公司用放射线处理交联了各种氧化烯烃聚合物,合成了非离子型超强吸水材料,其吸水能力为自身的2000倍[7]。目前超强吸水材料发展极快、种类繁多,就其原料来源可分为淀粉系、纤维素系、合成聚合物系;制品形态有粉末状、纤维状和薄膜状。
目前电缆中采用的主动阻水材料主要是阻水带、阻水粉、阻水绳以及阻水纱。相对于石油膏,这些主动阻水材料吸水强度大、膨胀率高,能够迅速阻断渗水通道。另外,主动阻水材料重量轻、清洁,便于敷设和接头。但主动阻水材料存在一定的缺点,比如:阻水粉附粉困难;采用阻水带、阻水纱时会造成电缆外径增大,散热困难,从而加快电缆热老化和限制电缆的传输容量等;而且主动阻水材料的价格一般都比较贵。
主动阻水材料和被动阻水材料各有其优缺点,但总的来说,主动阻水材料的综合性能更加优越。因此,目前电缆阻水采用的阻水材料基本都是主动阻水材料。
3 阻水机理分析
电缆渗水途径通常有如下两种:①沿着电缆径向(或径向)透过护套渗水;②沿着电缆导体和缆芯间隙纵向(或轴向)渗水。因此要想实现电缆阻水也可以从两个方面着手,径向阻水和纵向阻水。
3.1径向阻水
径向阻水一般可在结构上采用:①聚乙烯外护套;②铅、铝、铜或不锈钢金属套;③铅塑、铝塑复合纵包层。
尽管聚乙烯不溶于水,也具有阻水性能,但是不能采用单一的聚乙烯护套进行阻水。因为采用绝缘聚乙烯(或聚氯乙烯)护套的通信电缆长期实践运行经验已经证实,塑料护套通信电缆在地下敷设时,尽管护套完好,水分或水气仍然会通过塑料护套渗入到电缆的缆芯中,造成电缆传输性能的恶化[1]。所以单独使用聚乙烯护套阻水不能满足电缆径向阻水要求。聚乙烯护套一般是配合里面的铅、铝、不锈钢金属护套或铅塑、铝塑复合纵包层共同进行径向阻水。
中压电缆径向阻水通常采用铝塑复合综合护层,通过纵包的铝塑复合带和挤包的聚乙烯外护套共同作用达到阻水目的。其阻水机理为:当挤包聚乙烯护套时,由于聚乙烯融体高温和压力的作用,铝塑复合带表面的聚乙烯薄膜与聚乙烯护套的内表面得以很好地粘结;同时铝塑复合带纵包之间的搭盖也获得良好的粘结。从而完全堵塞了水分(气)渗入电缆的途径,达到良好的阻水效果。但是该阻水方式的缺点是熔接可靠性较差,且无法准确检测聚乙烯薄膜的熔接及损坏的程度。
高压电缆则采用具有完全的密闭性的密封金属套,使电缆达到彻底的径向阻水。金属套种类很多,主要有热挤压的铝或铅套、冷拔的金属套,以及纵包氩弧焊并轧纹的皱纹铝或不锈钢套。目前采用较多的是纵包氩弧焊并轧纹的皱纹铝套和热挤压并轧纹的皱纹铝套。在金属套外通常还要挤包聚乙烯或聚氯乙烯外护套。应该说,聚乙烯的阻水性能优于聚氯乙烯,但采用金属套后也可采用聚氯乙烯,这并不影响电缆径向阻水特性[1]
3.2 纵向阻水
在工程实际中,纵向阻水相对径向阻水实现起来复杂。纵向阻水也采用过很多种方法,例如将导体改为紧压结构并逐步提高导体的紧压系数。但紧压结构的阻水效果并不明显,因为紧压结构导体中还会存在空隙,水分在虹吸作用下依然会沿导体扩散,同时过分提高导体紧压系数会破坏导体中单线的金属结晶结构,导致导体变硬、电阻增加。要实现真正的纵向阻水必须在绞合导电线芯的空隙中填入阻水材料。可以通过下面两个层次措施和结构来实现电缆纵向阻水[1]
(1)采用阻水型导体。在绞合紧压导体时添加阻水绳、阻水粉、阻水纱或绕包阻水带。
(2)采用阻水型的缆芯。在缆芯成缆工艺中,填充阻水纱、绳及绕包半导电阻水带或绝缘阻水带。
它们的阻水机理是:如果在外力作用下发生电缆接头损伤或护套破损,水分或潮气就会沿着电缆的导电线芯和缆芯纵向渗入。这些水分和潮气会被含有吸水膨胀粉末的阻水带、阻水纱或阻水带吸收,这些阻水材料吸水后迅速膨胀形成凝胶状物质,阻塞渗水通道,终止水分和潮气的进一步扩散和延伸,使电缆损失的损失降到最小。
由阻水导体构成阻水型缆芯基本不存在什么技术难题。对于多芯电缆来说,由于各阻水导体之间的空隙比较大,所以一般在各阻水导体之间填充阻水绳、纱等绞合成缆,然后再在缆芯的表面绕包膨胀阻水带构成阻水型缆芯;对于单芯导体,可以在阻水导体表面缠绕阻水带构成阻水缆芯。
由于绳、带材料易于缠绕、包裹,且能保证缆芯表面的平整。因此中压电缆线芯和外屏蔽表面的阻水膨胀带绕包层通常采用阻水绳和阻水带。
目前纵向阻水的难题在于阻水型导体,如何在各导线之间填充阻水物质和填充什么样的阻水物质一直是研究的热点问题。
4 阻水电缆结构分析
实现电力电缆的全阻水,既要考虑电缆的径向阻水也要考虑电缆的纵向阻水。国内外也有很多关于XLPE阻水电缆结构的专利和文章。下面主要就中国专利公开的径向,纵向阻水电缆结构进行举例分析。
4.1 XLPE电缆的径向阻水结构
一般XLPE电缆的径向结构由里向外依次为:导体;导体屏蔽;XLPE绝缘;绝缘屏蔽;金属屏蔽;外护套。具有径向阻水功能的XLPE电缆结构由内向外依次为:阻水型导体;导体屏蔽;XLPE绝缘;绝缘屏蔽;内半导电阻水膨胀带;金属屏蔽层;外半导电阻水膨胀带;纵包铝塑层;聚乙烯外护套。图1为根据文献和专利总结出的几种典型的径向阻水电缆结构。