阻水型電力電纜材料及結構設計

摘要：阻水型電力電纜作為電線電纜行業的一個新品種，正隨著經濟的發展、技術的成熟而得到推廣應用。該文就阻水電力電纜結構設計和阻水材料提出一些看法。

　　關鍵詞：阻水型電力電纜；結構；選材；工藝特性；改進

　　第一章   引言

　　隨著我國國民經濟的快速增長，特別是農村及城市電網建設改選步伐的加快和各地房地產業的蓬勃發展，我國的電力事業得到了快速發展，從而推動了為電力工業相配套的電工行業，尤其是電線電纜行業的發展，電線電纜的品種發展呈現出多樣化的趨勢。電線電纜已經從單純的電力傳輸向多功能化發展，即根據不同用途分別被附加了一些新的特性。例如：阻燃電纜，耐火電纜，低鹵，低煙電纜，無鹵低煙電纜等等。對電力電纜的阻水要求也是近幾年才發展起來的，以前對阻水的要求主要限于海底電纜，超高壓電纜和通信電纜的應用上。隨著對絕緣吸水和水樹的研究及認識的加深，人們越來越意識到防水性能對中高壓電力電纜的重要性。在地下水位較高或常年多雨地區（比如我國長江以南地區）。越來越多的用戶對電纜提出了防水的要求。電力電纜大多采用直埋敷設方式，所以電纜承受來自于土壤壓力和由于人為因素而受到外力損傷的可能性很大。

　　從敷設形式看，國外大多采用機械保護和防水為目的的金屬保護套，或者采用包覆薄金屬帶等防水層的電纜。但是這種電纜，一旦受到損傷，水便從損傷處侵入電纜內部，進而滲入到電纜內部的間隙（導體絞線間，擠包外半導電層，屏蔽層或金屬護套之間等）。沿著電纜縱向擴展，從而導致大長度電纜無法使用。當直埋電纜發生故障時，通常在事故發生點處要換一段新的電纜，使線路恢復運行，因此水一旦浸入電纜內部時，其滲水距離應越短越好，為了阻止浸水后的滲水，一般采用間隙部分繞包吸水性膨脹材料的方法，一旦浸入水便于堵住間隙。

　　1.1 水分對電纜的危害

　　要確定阻水電纜的結構首先要知道水分對電纜的危害。一般而言，水分浸入到電纜中后主要影響是電纜的導體和絕緣。就導體而言，電纜在正常運行時處于一個熱穩定狀態，導體溫度一般都在60以上，如果有水分浸入就會導致導體氧化，使得導體單線間的能量損耗電阻增加從而增大了導體電阻，增加了輸電線路的能量損耗，就絕緣而言，雖然聚乙烯是極難溶于水的非極性疏水物質，但是聚乙烯是一種由結晶相和無定形相組成的半結晶高聚物。聚乙烯相結構緊密，但晶界存在缺陷；無定形相中的分子排列疏松。分子間存在較大的間隙。水分子是極性的，在交變電場下擴散力及電場力的共同作用使水分子很容易滲透到聚乙烯無定形相的容隙和晶相的晶界缺陷中，交聯聚乙烯分子結構中也存在上述問題，同時交聯聚乙烯中有較多的交聯副產物充當雜質，因而交聯聚乙烯在交變電場下也有較大的吸水率。交聯聚乙烯和聚乙烯絕緣吸水后會產生水樹使得運行中的電纜發生擊穿而損壞。

　　1.2 可行性分析

　　現在我國電力電纜的阻水結構大多是借鑒于通信電纜，主要是通過增防水層達到防止水分透過護套滲入到絕緣層的目的。要實現電纜的全面阻水，不但要考慮電纜徑向的水分滲透，還要考慮到有效阻止水分侵入電纜后沿電纜的縱向擴散。因為如果不考慮電纜的縱向阻水，當護套密封不嚴或破損時，侵入到電纜內部的水分會沿電纜縱向擴散，造成整根電纜報廢，使損失擴大。IEC國際標準中也推薦額定電壓6kV~30kV及30kV~150kV擠包絕緣電力電纜具備縱向阻水結構。

　　普通電纜本身不具備阻水特性，在地下水位較高或常年多雨地區水分很容易滲入護套或從護套的破損處侵入到電纜內部。并引發事故。早在20世紀70年代，交聯聚乙烯絕緣電力電纜中的水樹問題就引起了國際電纜行業的極大關注，并且很多國愛都作了大量的研究工作。最初主要是考慮對交聯聚乙烯進行改性，采用添加電壓穩定劑及其它添加劑的方法來抑制水樹的產生。此舉雖有一定效果但并不顯著，末能從根本解決問題。后來的實踐經驗證明，防止外來水分侵入是解決交聚乙烯電力中水樹問題的最佳途徑。

　　第二章  結構、選材及關鍵工藝

　　2.1 電纜內部縱向滲水處（如圖1）

　　a）金屬絲屏蔽型               b）鋁護套型2

　　1-導體 2-內半導體 3-絕緣層 4-外半導電層 5-屏蔽層

　　6-包帶 7-塑料護套 8-墊層 9-間隙 10-波紋鋁護套

　　11-塑料防護層陰影-縱向滲水可能發生處

　　2.2 徑向阻水型的電纜結構

　　一般電纜所用的護套材料是聚氯乙烯，而聚氯乙烯分子是極性的，極性的水分子極易透過聚氯乙烯層侵入到電纜中，目前要實現電纜的縱向阻水在技術上的不存在問題，只要在護套內加一層水密性材料構成的阻水曾即可。目前普遍采用的方法是在聚氯乙烯外護套內擠包一層中高密度聚氯乙烯內護套或縱包一層鋁塑復合帶作為縱向阻水隔離套。

　　縱向阻水電纜結構如圖所示：

　　（1）聚乙烯（內護套）防水隔離套

　　聚乙烯在交變電場下易吸水并不說明聚乙烯材料的水密性不好。聚乙烯材料的水密性比聚氯乙烯高數百倍，擠包聚乙烯阻水層再配合一層吸潮墊層（如阻水包帶）可以滿足敷設在一般潮濕環境中的電纜的縱向阻水防潮要求。采用聚乙烯材料在阻水隔離套在工藝上實現起來比較簡單，在不添加任何生產設備的情況下就可以實現。因為聚乙烯層只是作為阻水層而不考慮其機械強度等因素，出于成本和工藝方面的考慮在工藝設計時其厚度在1.0~1.5mm即可達到很好的效果。

　　（2）鋁塑復合帶聚乙烯粘結防水隔離套。

　　如果把電纜敷設在水中或特別潮濕的環境中，聚乙烯防水隔離套的徑向阻水能力就顯得不足了，對于徑向阻水性能要求較高的電纜，其阻水隔離套應選用水密封性更好的材料，現在采用較多的是在電纜纜芯外包一層鋁聚乙烯復合帶。理論上講，鋁-聚乙烯復合帶的水密封性比單一的聚乙烯高幾百甚至上千倍，只要復合帶的接逢處完全粘結密封水分幾乎是無法透過，縱包鋁-聚乙烯復合帶聚乙烯粘結的關鍵工藝有兩方面：一是縱包工藝，縱包時要做到緊且圓整，消除縱包搭縫處的“荷葉邊”（即復合帶邊緣的縱向彎曲）；二是粘結工藝，應保證復合帶與聚乙烯內護套及其復合帶搭縫處粘結完善。生產鋁-聚乙烯復合帶縱包結構的徑向阻水電纜需要一臺專用的縱包設備，同時為了保證工藝需要考慮縱包長模，縱包止轉定位裝置（防止縱包過程中電纜的左右擺動及轉動）。定位導輪及成型渦輪等的設計和正確使用。同時考慮到電纜在運行中熱膨脹因素，在防水層與絕緣線芯間應加一層具有較好彈性且吸水的緩脹墊層（如有吸潮能力的無紡布或陰水包帶）生產鋁/聚乙烯復合帶縱包結構的徑向阻水電纜需要一定的獎金投入和設備改造。