阻水型电力电缆的主要结构和关键工艺.pdf

2 0 0 3年第 1 期 No ．1 2 0 03 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ C a b l e 2 0 0 3 年 2 月 Feb．， 2 0 03 阻水型 电力电缆的主要结构和关键工艺 杨 玉 智 ， 田红 叶 ( 上海马桥 电缆厂 ． 上海 2 0 1 1 1 1 ) 擒要 ： 阻水型 电力电缆作 为电线 电缆行 业的一 个新品种 ， 正随着经济的发展 、 技术的成熟而得到推广应用 。谊 文 就 阻 水 电力 电缆 的 结 构 设 计 和 工 艺 控 制 提 出一 些 看 法 。 关键词 ： 阻水型 电力电缆 ； 可行性 分析 结构 ； 选材； 工艺特性 ； 改进 中图分 类号 ： T M2 4 7 ． 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 3 1 — 1 3 9 2 ( 2 0 0 3 ) 0 1 - 0 0 1 4 — 0 4 M a i n c o n s t r u c t i o n s a nd k e y p r oc e s s e s f or wa t e r — b l O c k i ng p owe r c ab l e s YANG YU— z hi e t a l ( M a q i a o C a b l e W o r k s．S h a n g h a i 。S h a n g h a i 2 0 1 1 1 1 。Ch i n a) Ab s t r a c t ：As a n e w t y p e o f c a b l e s。 t h e wa t e r — b l o c k i n g p o we r c a b l e s f i n d mo r e a n d mo r e u s e wi t h t h e d e v e l o p — me n t o f t h e e c o n o my a n d ma t u r e o f c a b l e t e c h n o l o g y ．Th i s p a p e r p r e s e n t s s o me p e r s o n a l v ie ws o n t h e c o n — s t r u c t i o n d e s i g n a n d p r o c e s s c o n t r o l o f wa t e r — bl o c k e d p o we r c a bl e s ． Ke y wo r d s ：wa t e r — b l o c k e d p o we r c a b l e s；f e a s i b i l i t y s t u d y ；c o n s t r u c t i o n；s e l e c t i o n o f ma t e r i a l s ；p r o c e s s c h a — r a c t e r i s t i c s；i m p r o ve me nt l 引 言 随着我国国民经济 的快速增长 ， 特别是农村及 城市电网建设改造步伐 的加快和各地房地产业的蓬 勃发展 ， 我国的电力事业得到了快速发展 ， 从而推动 了为电力工业相配套的电工行业， 尤其是 电线电缆 行业的发展 ， 电线 电缆 的品种发展呈现出多样化的 趋势。电线电缆已经从单纯的电力传输向多功能化 发展， 即根据不同用途分别被附加了一些新的特性 ， 例如 ： 阻燃电缆、 耐火电缆 、 低卤低烟电缆 、 无卤低烟 电缆等等。 对电力电缆的阻水要求也是近几年才发展起来 的， 以前对阻水的要求主要限于海底 电缆 、 超高压电 缆和通信电缆的应用上。随着对绝缘吸水和水树的 研究及认识的加深 ， 人们越来越意识到防水性能对 中高压电力电缆的重要性 。在地下水位较高或常年 多雨地区( 比如我国长江 以南地 区) ， 越来越多的用 户对电缆提 出了防水的要求。本文主要就阻水电缆 的结构 、 选材及工艺特性进行探讨。 2 阻水的可行性分析 2 ． 1 水分对 电缆的 危害 要确定阻水电缆的结构首先要知道水分对电缆 收稿 日期 2 0 0 2 — 0 7 — 0 1 作者筒介 ： 杨玉 智 ( 1 9 7 4 一 ) ． 山东潍坊人 ， 工程 师 ， 技术 科科长． 作者地址： 上海闵行区光华路 2 8 0 0号E 2 O l 1 1 1 3 ． 的危害。 一般而言， 水分浸入到电缆中后主要影响的 是电缆的导体和绝缘。 就导体而言， 电缆在正常运行 时是处于一个热稳定状态 ， 导体温度一般都在 6 O 。 C 以上， 如果有水分浸入就会导致导体氧化， 使得导体 中单线间的接触 电阻增加从而增大 了导体电阻、 增 加了输电线路的能量损耗。 就绝缘而言， 虽然聚乙烯 是极难溶于水的非极性疏水物质， 但是聚乙烯是一 种 由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物。聚乙 烯结晶相结构紧密， 但晶界存在缺陷 ； 无定形相中的 分子排列疏松， 分子间存在较大的间隙。 水分子是极 性的， 在交变电场下扩散力及电场力的共同作用 ， 使 水分子很容易渗透到聚乙烯无定形相的空隙和晶相 的晶界缺陷中。交联聚乙烯分子结构中也存在上述 问题 ， 同时交联聚乙烯 中有较多的交联副产物充 当 杂质 ， 因而交联聚乙烯在交变电场下也有较大的吸 水率。 交联聚乙烯和聚乙烯绝缘吸水后会产生水树， 使得运行中的电缆发生击穿而损坏L l J 。 2 ． 2 可行 性分 析 普通电缆本身不具备阻水特性 ， 在地下水位较 高或常年多雨地区水分很容易渗入护套或从护套的 破损处侵入到电缆内部 ， 并引发事故 。早在 2 O世纪 7 O年代 ， 交 联 聚 乙烯 绝缘 电力 电缆 中 的水树 问题就 引起 了国际电缆行业的极大关注， 并且 很多 国家都 作了大量的研究工作 。最初主要是考虑对交联聚乙 烯进行改性 ， 采用添加 电压稳定剂及其它添加剂 的 方法来抑制水树 的产生 ， 此举虽有一定教果但并不 维普资讯 2 0 0 3年第 1 期 No． 1 2 0 03 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ ． Ca b l e 2 0 0 3 年 2 月 Feb．． 2 0 03 显 著 ， 未能 从 根本 上 解 决 问题 。后 来 的 实践 经 验证 明， 防止外来水分侵入是解决交联聚乙烯电力电缆 中水树问题 的最佳途径。 现在我国电力电缆的阻水结构大多是借鉴于通 信电缆 ， 主要是通过增加防水护层 以达到防止水分 透过护套渗入到绝缘层的 目的。要实现电缆的全面 阻水 ， 不但要考虑电缆径 向的水分渗透 ， 还要考虑到 有效阻止水分侵入电缆后沿电缆的纵向扩散 。因为 如果不考虑 电缆的纵 向阻水 ， 当护套密封不严或破 损时 ， 侵入到电缆内部的水分会沿电缆纵 向扩散， 造 成整根电缆报废， 使损失扩大 。 I E C国际标准中也推 荐额定电压 6 k V～3 0 k V及 3 0 k V～1 5 0 k V 挤包 绝缘 电力电缆应具备纵 向阻水结构 ， 并在产品标准 附录中给 出了阻水性能试验方法。 3 结构 、 选材及关键工艺 3 ． 1 径 向阻水 型 的电缆 结构 一 般电缆所用 的护套材料是聚氯乙烯 ， 而聚氯 乙烯 的分子是极性 的， 极性的水分子极易透过聚氯 乙烯层侵入到电缆中。目前要实现电缆的径 向阻水 在技术上不存在问题 ， 只要在护套 内加一层水密性 材料构成的阻水层即可。 目前普遍采用的方法是在 聚氯乙烯外护套内挤包一层 中、 高密度聚乙烯 内护 套或纵包一层铝塑复合带作为径向阻水隔离套。径 向阻水电缆结构如图 1所示。 绝缘线芯 吸潮 垫层 防水隔离套 外护套 图 1 径 向阻水电缆结 构示意图 ( 1 )聚乙烯( 内护套) 防水隔离套 聚乙烯在交 变电场下易吸水并不说 明聚乙烯材料的水密封性不 好 ， 聚乙烯材料的水密封性 比聚氯乙烯高数百倍 。 挤 包聚乙烯阻水层再配合一层吸潮垫层 ( 如阻水包带) 可以满足敷设在一般潮湿环境中的电缆的径向阻水 防潮要求 。采用聚乙烯材料作为阻水隔离套在工艺 上实现起来 比较简单， 在不添加任何生 产设备的情 况下就可以实现。因为聚乙烯层 只是作为阻水层而 不考虑其机械强度等因素， 出于成本和工艺方面的 考虑在工艺设计时其厚度在 1 ． 0 ～1 ． 5 mm 即可达 到很 好 的效 果 。 ( 2 )铝塑复合带聚乙烯粘结防水隔离套如果 电缆敷设在水中或特别潮湿 的环境 中， 聚乙烯防水 隔离 套 的径 向阻水能 力就 显得 不足 了 。对 于径 向阻 水性能要求较高的电缆， 其阻水隔离套应选用水密 封性更好的材料， 现在采用较 多的是在电缆缆芯外 包一层铝一 聚乙烯复合带。 理论上讲 ， 铝一 聚乙烯复合 带的水密封性比单一的聚乙烯高几百甚至上千倍， 只要复合带 的接缝处完全粘结密封 ， 水分几乎是无 法透过。 纵包铝一 聚乙烯复合带聚乙烯粘结的关键工 艺有两方面： 一是纵包工艺 。纵包时要做到紧且 圆 整， 消除纵包搭缝处的“ 荷叶边” ( 即复合带边缘的纵 向弯曲) ； 二是粘结工艺。应保证复合带与聚乙烯内 护套及其复合带搭缝处粘结完善。 生产铝一 聚乙烯复 合带纵包结构的径向阻水电缆需要添置一台专用 的 纵包设备 ， 同时为了保证工艺需要考虑纵包长模 、 纵 包止转定位装置( 防止纵包过程 中电缆 的左右摆动 及转动 ) 、 定位导轮及成型滚轮等 的设计和正确使 用。 同时考虑到电缆在运行 中热膨胀因素 ， 在防水层 与绝缘线芯间应加一层具有较好弹性且吸水的缓胀 垫层 ( 如有吸潮能力的无纺布或阻水包带) 。生产铝 一 聚乙烯复合带纵包结构 的径向阻水 电缆需要一定 的资金投入和设备改造。 3 ． 2 纵 向阻水 型的 电缆 结构 前文已讨论 了电缆纵 向阻水的重要性 。要实现 电缆 的纵 向阻水在理论上并不困难 ， 就是要有效阻 断水分在电缆内部的纵向通道( 包括导体内部间隙、 成缆线芯之间的间隙、 各护层之间的间隙) 。目前大 多数电缆生产厂家考虑的是如何从电缆外部阻断纵 向水流通道 。 对于单芯电缆较易实现 ， 但对于多芯电 缆和有铠装结构的电缆实现起来仍有许多难点。 日前用于电缆 中的阻水材料主要有填充膏、 热 熔胶及阻水带( 绳 、 纱) 等。 从材料的阻水特点可以将 它们分为两类 ： 一类是静态被动阻水， 也就是利用填 充材料( 热熔胶阻水环 、 阻水填充膏等) 本身的与电 缆线芯及护套的良好接触密封性达到阻止水分在电 缆 内流动的目的； 另一类是主动吸水阻水 ， 这类阻水 材料 ( 如阻水带 、 阻水绳或纱等) 遇到水分时能 吸水 并迅速膨胀， 从而达到阻断水分在电缆 内的流动通 道 。 阻水填充膏和热熔胶均属静态被动性阻水材料， 这种结构最初都是借鉴 于光缆阻水结构， 生产工艺 复杂、 效率低 ， 并且使用填充膏会给施工带来很大的 不便。 阻水带( 纱) 遇水能够迅速膨胀， 且能达到一定 】 5 维普资讯 2 0 0 3 年第 1 期 No． 1 200 3 电 线 电 缆 E l e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 3年 2月 Fe b．， 20 03 的膨胀高度并能形成强度较高 的凝胶 ， 是 一种理想 的主动 性 阻水材 料 。 采用 阻水 带 、 阻水绳 ( 纱 ) 作 为阻 水材料工艺简单 、 施工方便并且生产效率高 ， 所以这 种结构受到用户和生产厂家的普遍欢迎 。 由 于单 芯 电缆 绝 缘 与护 套 之 间 接触 面 较 平 整 ， 只要在 外护 套与 线芯 间绕 包 一层 阻水带 即可 达到很 好 的纵 向 阻水效 果 。 如果有 金属 屏 蔽 ， 则 需要 在金属 屏蔽层 内侧绕包半导电阻水带 。多芯电缆还需在成 缆 线 芯 的 间隙 中用 阻 水绳 ( 纱 ) 进 行有 效 填 充 ， 然后 用 阻水 带进 行绕 扎 。 有 铠装 层 的电缆 ， 则 还需要 在铠 装层内外两侧各绕包一层阻水带。 采 用 阻水绳 ( 纱 ) 进行 填充 的 电缆虽 然有 很大优 势 ， 但同时也存在一些问题 。 一是成本问题 。 由于阻 水绳 ( 纱 ) 价格高， 采用其作为填充材料会使 电缆成 本 大 幅度上 升 ； 二是 阻水效 果 。 对于 单芯 电缆 和小截 面的多芯电缆， 上述结构并不存在什么问题， 但对于 大截面的多芯电缆， 由于成缆线芯间隙较大 ， 用阻水 绳 ( 纱 ) 进行 填充 时 ， 有 时 会 因 为 阻水绳 来 不 及 吸水 膨胀而使阻水失败。 为了解决上述问题， 确定一种工 艺简单 、 施工方便、 性能可靠且成本相对较低的阻水 结构 ， 许多电缆厂家和材料厂家 在填充材料方面做 了大量 试 验 ， 并且 研 制 出 了很 多新 型 的 阻水 填 充材 料 ， 如阻水橡胶、 新型热熔性树脂等 。新型的阻水材 料均具有以下特点： ( 1 ) 兼有被动性阻水材料和主动 性 阻水 材料 的优点 ： ( 2 ) 成 本相对 于 阻水绳 ( 纱 ) 要低 得 多 ； ( 3 ) 不 会为 电缆施 工 带来 不便 ： ( 4 ) 材料 中不 含 增 塑 剂 、 硫 化 剂 等 ， 与 绝缘 、 护 套 及 金 属屏 蔽 层 等相 容性好 。 例如采用阻水橡胶作为填充材料 ， 在成缆时 用挤橡机将橡胶挤入缆芯间隙 中， 利用橡胶与缆芯 的良好接触性可起到阻水 的作用 ， 另外在遇水时橡 胶 可迅 速 膨胀 完 全 充满 缆 芯 间 隙 ， 使 阻水 性 能 更加 可靠 对于缆芯 中心间隙可采用预先挤出成形 的橡 胶 条进 行填 充 。采用上 述 新型 的阻 水材料 作填 充材 料 并结 合 阻水 包 带 生产 的阻 水 电缆 ， 在 实 际 应用 中 效 果 良好 ( 结 构 如图 2 所 示 ) 。 实现电缆 的全面阻水特性 ， 还需解决导体阻水 的问题 。 因为绞合导体中单线之间存在间隙， 当导体 中有水分浸入时会沿导体快速扩散。行业内早已认 识到这个 问题并作 了一些努力 ， 例如将导体改为紧 压结构并逐步提高导体的紧压系数 。但采用紧压结 构对导体阻水 的效果并不 明显 ， 因为采用 紧压结构 的导体 中仍会存在间隙， 水分会在毛细管作用下沿 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 彻底解决导体阻水 问题 ， 其根本就是采用 间歇或连 】 6 绝缘线芯 阻水包带 聚乙烯内衬层 钢带及阻水包带 防水 隔离套 外护套 阻水橡胶填充 图 2 三 芯 铠 装 阻 水 电 缆 结 构 不 意 图 续的阻水屏障将导体 中的间隙切断。目前较通用的 方法 是在 绞线 时在各 层 单线之 间填 充疏 水性 材料或 阻水材料 ， 从而达到切断导体内间隙通道的 目的 ， 如 导体绞合时各层单线之间涂覆橡胶或在各层单线之 间绕扎阻水纱等。采用涂覆橡胶或绕扎阻水纱 的方 法均能达到较好的阻水效果 ， 并且不影 响导体的机 械物 理性 能和 电气性 能 。 3 ． 3多芯阻水 电缆 结构 的改进 通过 上 述 分 析可 以看 出 ， 单芯 电缆 实现 阻 水结 构较多芯电缆简单 ， 并且单芯阻水电缆的阻水效果 较多芯电缆好。 同时 ， 在加工工艺上单芯阻水电缆不 需要增加额外设 备且生产工艺较简单 ， 在施工中单 芯 电缆 比多芯 电缆易 于敷 设 、 接 头 。 在实 际输配 电线 路中， 可用同等截面多根单芯电缆代替多芯电缆使 用 。 并 且更 利于 电缆运 行 时散热 。 用 多根单 芯 电缆代 替多 芯 电缆 时 ， 为 了方 便施 工可 将 多根 单 芯 电缆 绞 合在一 起 并将 两端扎 紧 ( 如图 3所示 ) 。 导体 导体屏蔽 绝缘 绝缘屏蔽 锕带屏蔽及阻水层 阻水隔离套 护套 图 3三 根 单 芯 阻 水 电 缆 结 构 不 意 图 现 在 上 海 电力 局 已经 开始 将 额 定 电 压 1 0 k V 及以上的三芯阻水电缆用三根单芯电缆代替 。三根 单芯电缆相对于三芯电缆在保证原有性能 的条件下 材料用量并未增加， 却简化了生产工艺， 同时也大大 ( 下转 第 1 9页 ) T 维普资讯 2 0 0 3年第 1期 No．1 2 00 3 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 3年 2月 Fe b ． 。 2 0 0 3 日 B 接 骥 辑 餐 图 3 性 能优 良的聚氨酯漆包 线标准的 t g 8 一 T曲线 ( t g 8陡升 温度 ： 1 5 1 ． 8 。 c) c o B 接 骥 辑 餐 0 ． 1 0 0 ．0 9 0 ．o 8 0 ．0 7 0 ． 0 6 0 ． 0 5 0 ． 0 4 0 ． 0 3 0 ． 0 2 0 ． 0 l 0 ．0 0 6 o踟l 0 0 1 2 0 l 4 U l 6 u l 踟 2 0 0 2 2 0 2 4 u 2 6 o 2 踟 3 ‘ ) o 温度 ’ ℃ 图 4 烘焙不足的聚氨酯漆包线 t 一 T 曲线 ( t 陡升温度 ： 1 0 5。 C) 化度之间的关系 。 从而可以作为保证产品质量 的一 种手段。 除上述应用外 ， 介电谱分析技术还有很多其 ( 上接 第 l 6页 ) 提高了阻水效果。 因此在设计和选用阻水电缆时， 推 荐以多根单芯电缆代替多芯电缆 。 4结束语 随着时代 的发展 和对各种电缆事故认识 的加 深 ， 用户对电缆的要求越来越高 ， 对电缆附加功能的 要求也越来越多。 为了能适应市场的需求、 满足用户 的需要 ， 各电缆制造厂家必须不断开发出新的产品。 阻水电力 电缆的发展在国内刚起步， 目前还缺少统 一 的标准规范和试验要求 。上述的几种阻水结构主 ∞ B 接 骥 辑 餐 0 1 0 00 9 0 ．0 8 00 7 00 6 00 5 004 0 ．0 3 0 ．0 2 00l 00 o 6 0 8 0 l 0 0 l 2 0l 4 0 l 6 0 1 8 02 0 0 2 2 o 2 4 02 6 o2 8 03 O O 温度 7 1 ℃ 图 5 烘焙后 的聚氨酯漆包线 t g 8 一 T曲线 ( t 陡升温度 ： 1 2 0。 C) 他方面的应用 ， 如辨明漆包线耐热等级。 判定漆包线 的热稳定性等 ， 这些还有待我们进一步去分析、 研究 和运用 。 4结束语 运用介电谱分析技术可 以得到性能优 良的漆包 线 t g (3 一 T 曲线 ， 以便指导漆包线生产 ， 调整工艺 ， 还 可以作 为保证产 品质量的一种手段 ， 因此 ， 若能进一 步研究介电谱分析技术 ， 对漆包线制造行业的发展 将 有深 远 的意 义 。 参考文献 [ 1 ] 赵华 山， 姜胶东 ， 等． 高分子物理学I- M] ． 北京 ： 中国纺织工业 出 版社 ， 1 9 8 2 ． 1 1 0 — 1 1 6 ． [ 2 ] 林复， 漆包线[ M] ． 哈尔滨 ： 黑龙江科 学技 术 出版 社， 1 9 9 4 ． 3 0 5 — 3 1 6 ． E 3 3 张权力主编． 电磁线工艺学[ M] ． 上海 ： 电器工业教育研究会电 线电缆分会． 2 2 2 — 2 2 7 ． 要是 以上海马桥电缆厂开发 的阻水电缆为模型， 并 非说它是权威和完美 的， 随着新型阻水材料 的不断 出现 ， 今后还会产生新 的阻水结构 ， 我们可以借鉴光 缆或通信电缆中的成功经验 ， 共 同探讨 和完善电力 电缆的阻水结构 ， 也可借鉴 国外的先进经验， 早 日制 定 出统一的产品标准和试验标准。 参考文献 [ 1 ] 党智敏 ， 亢婕 ， 屠 德民． 聚烯烃 中水树和吸水规律的研 究[ J ] ． 电线电缆 ， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 2 8 — 3 O ． 1 9 维普资讯