防水型交聯聚乙烯絕緣電力電纜 

      交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜，因其良好的電氣、機械物理性能，且生產工藝簡單、結構輕便、傳輸容量大、安裝敷設及維護保養方便、不受落差限制等優點，在電力系統中已經得到廣泛的應用。但是XLPE電纜在敷設和運行期間，當機械應力或外力造成電纜護套及絕緣損傷或接頭損壞時，潮氣或水分會沿著電纜縱向和徑向間隙浸入，致使XLPE電力電纜絕緣在運行電壓下生成水樹枝的概率迅速上升。水樹枝生長到一定長度即會在水樹枝尖端引發永久性電樹枝缺陷，并在較短時間導致電纜絕緣擊穿，造成停電事故。因此，電纜防水技術對于保證XLPE電纜的可靠性與壽命都具有非常重要的意義。

1 水分對電纜的損害

      一般而言，水分浸入電纜后主要影響電纜的導體和絕緣。導體正常運行時處于一種熱穩定狀態，導體溫度基本維持在60℃以上。如果有水分浸入就會導致導體氧化，增加導體單線間的接觸電阻，從而增加電纜導體的電阻，導致電纜線損增加。就絕緣而言，雖然聚乙烯是極難溶于水的非極性疏水物質，但又是一種由結晶相和無定形相組成的半結晶高聚物。結晶相結構緊湊，晶界缺陷弱；無定形相中的分子排列疏松，分子問存在較大的間隙。在結晶相與無定形相界面還會產生微孔聚集。水分子是極性分子，在交變電場的作用下，水分子偶極不斷來回翻轉，擴散力及電場力的共同作用使水分子通過無定形相的空隙和晶相的晶界缺陷處滲透到絕緣材料中。XLPE分子結構中也存在同樣的問題，同時XLPE中有較多的交聯副產物充當雜質，因而XLPE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，在電場的作用形成水樹枝，絕緣晶相與無定形相界面成為水樹枝優先發展的通道。水樹枝的產生將會造成絕緣介質損耗增加，同時降低絕緣電阻及絕緣擊穿電壓，加快老化速度，縮短電纜的使用壽命。更為嚴重的是，水樹枝在電場作用下或經過長時間氧化、轉化，最終不僅會在水樹枝尖端生成電樹枝，自身有也可能轉變為電樹枝。

      眾所周知，電樹枝腔體存在不斷擴張的局部放電，會導致電纜絕緣在短期內被擊穿，嚴重影響電纜的使用可靠性。早期防止電纜絕緣中產生水樹枝，主要是考慮對XLPE進行改性，采用添加電壓穩定劑及其它的添加劑來抑制水樹枝的產生，此舉有一定的效果，但沒有從根本上解決問題。從電纜結構設計防止水分和潮氣進入XLPE絕緣電力電纜，才是阻止絕緣中產生水樹枝的根本途徑 。

      鑒于XLPE電纜進水、受潮后對電纜運行可靠性與壽命的影響，國內外已經開發出不少電纜阻水技術。這些阻水技術大體上可以分類如下：①按所采用的阻水材料，可以分為主動阻水技術和被動阻水技術；② 按采用的阻水機理，可以分為縱向阻水技術和徑向阻水技術。

      國外對阻水電纜結構開發研究較早，近年來國內在阻水電纜工業化生產方面有了較大發展，已有一批專利問世。本文主要根據近年來國內公開專利阻水電纜結構進行歸納和分析。

 

2 阻水材料

      為了防止電纜受潮，工程上先后采用過多種阻水材料。這些材料按其阻水特點可以分為兩類，主動阻水和被動阻水。主動阻水是利用主動阻水材料的吸水膨脹性，在護層破損或接頭損壞時，阻水材料迅速吸入水分(氣)并膨脹，阻斷水分流入電纜的通道，使水分(氣)被限制在很小的一段范圍內。該類阻水材料包括吸水膨脹油膏、阻水帶、阻水粉、阻水紗、阻水繩等。被動阻水是利用被動阻水材料的疏水性，在護層破損點處直接將水分(氣)阻住，不讓其進入電纜內，被動阻水材料包括石油填充膏、熱熔膠、熱膨脹油膏等。

    2．1 被動阻水材料

      向電纜中填充被動阻水材料石油膏，是早期的電力電纜阻水的主要措施。這種方法能直接把水分阻止在電纜的外面，有較好的阻水效果，但是填充石油膏有如下的缺點：

      (1)大大增加了電纜的重量；

      (2)電纜填充石油膏以后造成電纜導體導電性能下降；

      (3)石油膏對電纜接頭污染嚴重且清洗困難，造成電纜接頭施工困難；

      (4)如果填充不完全或存在氣隙，則阻水效果大打折扣，且完全填充工藝不容易控制；

      (5)有些阻水膏在常溫下固化后，將電纜中各元件緊密地結合在一起，形成一個實心整體，以實現阻水效果。但電纜經受了反復曲繞后，電纜的芯線問及屏蔽層內外表面就會發生相對位移，仍會產生微小縫隙。

      目前，阻水電纜已經基本不采用被動阻水材料，而是采用阻水性能更加優良的主動阻水材料。

    2．2 主動阻水材料

      鑒于被動阻水材料的種種缺陷，工程上逐漸開發出超強吸水膨脹的主動阻水材料。主動阻水材料的基本特點是具有強吸水性和高膨脹率，它能夠強力吸水并迅速膨脹，形成凝膠狀物質阻斷滲水通道，從而保障電纜絕緣安全。

      超強吸水膨脹的主動阻水材料是吸水能力特別強的物質，它的吸水量為自身的幾十倍乃至幾千倍。日本昭和電工、美國National Starch AntoChemistry等公司利用溶性的聚丙烯酸，采用不同的交聯方法制成超強吸水劑，吸水能力達800～1000 g／g；美國UCC公司用放射線處理交聯了各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型超強吸水材料，其吸水能力為自身的2000倍。目前超強吸水材料發展極快，種類繁多，就其原料來源可分為淀粉系、纖維素系、合成聚合物系；制品形態有粉末狀、纖維狀和薄膜狀。

      目前電纜中采用的主動阻水材料主要是阻水帶、阻水粉、阻水繩以及阻水紗。相對于石油膏，這些主動阻水材料吸水強度大、膨脹率高，能夠迅速阻斷滲水通道。另外，主動阻水材料重量輕、清潔，便于敷設和接頭。但主動阻水材料存在一定的缺點，比如：阻水粉附粉困難；采用阻水帶、阻水紗時會造成電纜外徑增大，散熱困難，從而加快電纜熱老化和限制電纜的傳輸容量等；主動阻水材料的價格一般都比較貴。

      主動阻水材料和被動阻水材料各有其優缺點，但總的來說，主動阻水材料的綜合性能更加優越。因此，目前電纜阻水采用的阻水材料基本都是主動阻水材料。

3 阻水機理分析

      電纜滲水途徑通常有如下兩種：① 沿著電纜徑向(或橫向)透過護套滲水；② 沿著電纜導體和纜芯間隙縱向(或軸向)滲水。因此要想實現電纜阻水也可以從這兩個方面著手。

    3．1 徑向阻水

      徑向阻水一般可在結構上采用：聚乙烯外護套；鉛、鋁、銅或不銹鋼金屬套；鉛塑、鋁塑復合綜合護層。盡管聚乙烯不溶于水，也具有一定的阻水性能，但是不能采用單一的聚乙烯護套進行阻水。因為采用聚乙烯(或聚氯乙烯)護套的通信電纜長期實踐運行經驗已經證實，塑料護套通信電纜在地下敷設時，盡管護套完好，水分或水氣仍然會通過塑料護套滲入到電纜的纜芯中，造成電纜傳輸性能的惡化，所以單獨使用聚乙烯護套阻水不能滿足電纜徑向阻水要求。聚乙烯護套一般是配合里面的鉛、鋁、不銹鋼金屬護套或鉛塑、鋁塑復合縱包層共同進行徑向阻水。

      中壓電纜徑向阻水通常采用鋁塑復合綜合護層，通過縱包的鋁塑復合帶和擠包的聚乙烯外護套共同作用達到阻水目的。其阻水機理為：當擠包聚乙烯護套時，由于聚乙烯融體高溫和壓力的作用，鋁塑復合帶表面的聚乙烯薄膜與聚乙烯護套的內表面得以很好地粘結，同時鋁塑復合帶縱包之間的搭蓋也獲得良好的粘結。從而完全堵塞了水分(氣)滲入電纜的途徑，達到良好的阻水效果。但是該阻水方式的缺點是，熔接可靠性較差，且無法準確檢測聚乙烯薄膜的熔接及損壞的程度。

      高壓電纜則采用具有完全密閉的密封金屬套，使電纜達到徹底的徑向阻水。金屬套種類很多，主要有熱擠壓的鋁或鉛套、冷拔的金屬套，以及縱包氬弧焊并軋紋的皺紋鋁或不銹鋼套。目前采用較多的是，縱包氬弧焊并軋紋的皺紋鋁護套和熱擠壓并軋紋的皺紋鋁護套。在金屬套外，通常還要擠包聚乙烯或聚氯乙烯外護套。應該說，聚乙烯的阻水性能優于聚氯乙烯，但采用金屬套后也可采用聚氯乙烯，這并不影響電纜徑向阻水特性 。

    3．2 縱向阻水

      在工程實際中，縱向阻水相對徑向阻水實現起來復雜。縱向阻水也采用過很多種方法，例如將導體改為緊壓結構并逐步提高導體的緊壓系數。但緊壓結構的阻水效果并不明顯，因為緊壓結構導體中還會存在空隙，水分在虹吸作用下依然會沿導體擴散，同時過分提高導體緊壓系數會破壞導體中單線的金屬結晶結構，導致導體變硬、電阻增加。要實現真正的縱向阻水，必須在絞合導電線芯的空隙中填入阻水材料。

      可以通過下面兩個層次措施和結構來實現電纜縱向阻水：

      (1)采用阻水型導體。在絞合緊壓導體時添加阻水繩、阻水粉、阻水紗或繞包阻水帶。

      (2)采用阻水型的纜芯。在纜芯成纜工藝中，填充阻水紗、繩及繞包半導電阻水帶或絕緣阻水帶。

      它們的阻水機理：如果在外力作用下發生電纜接頭損傷或護套破損，水分或潮氣就會沿著電纜的導電線芯和纜芯縱向滲入。這些水分和潮氣會被含有吸水膨脹粉末的阻水帶、阻水紗或阻水繩吸收，這些阻水材料吸水后迅速膨脹形成凝膠狀物質，阻塞滲水通道，終止水分和潮氣的進一步擴散和延伸，使電纜的損失降到最小。

      由阻水導體構成阻水型纜芯基本不存在什么技術難題。對于多芯電纜來說，由于多根的絕緣線芯之間的空隙較大，所以成纜時通常需要在絕緣線芯之間填充阻水繩、紗等，然后再繞包膨脹阻水帶構成阻水型纜芯；對于單芯電纜而言，可以在阻水型導體表面纏繞阻水帶構成阻水型纜芯。

      由于繩、帶材料易于纏繞、包裹，且能保證纜芯表面的平整，因此中壓電纜線芯和外屏蔽表面的阻水膨脹帶繞包層通常采用阻水繩和阻水帶。目前縱向阻水的難題在于阻水型導體，即如何在各導線之間填充阻水物質和填充什么樣的阻水物質一直是研究的熱點問題。

 

4 阻水電纜結構分析

      實現電力電纜的全阻水，既要考慮電纜的徑向阻水也要考慮電纜的縱向阻水。國內外也有很多關于XLPE阻水電纜結構的專利和文章。下面主要就中國專利公開頒布的徑向和縱向阻水電纜結構進行舉例分析。

    4．1 交聯聚乙烯絕緣電力電纜的徑向阻水結構

      普通型交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜的結構由里向外依次為導體、導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、金屬屏蔽、外護套；具有徑向阻水功能的XLPE電纜結構由內向外依次為阻水型導體、導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、內半導電阻水膨脹帶、金屬屏蔽層、外半導電阻水膨脹帶、縱包鋁塑層、聚乙烯外護套。圖1為根據文獻和專利總結出的幾種典型的徑向阻水電纜結構。

圖1a是一種典型的單芯徑向阻水結構。與普通型XLPE電纜相比，防水型XLPE電纜的加工工藝較為復雜，需要在生產線上增加繞包阻水帶和縱包鋁塑的專門設備。理論上講鋁塑復合帶的水密性非常好，只要復合帶的接縫處完全粘接密封，水分幾乎無法透過。縱包鋁塑復合帶的關鍵工藝有兩方面：① 縱包工藝，縱包時要做到緊且圓整，消除縱包處的“荷葉邊”(即復合帶邊緣的縱包彎曲)；② 粘接工藝，應保證復合帶與聚乙烯內護套及其復合帶搭縫處粘接完善。

      圖1b是高壓徑向阻水結構的示意圖。高壓XLPE電纜一般采用密封鉛、鋁、不銹鋼金屬套實現徑向阻水，這種徑向阻水方式理論上絕對安全 。

      圖1c是三芯中低壓XLPE電纜徑向阻水結構圖 。三芯XLPE徑向阻水電纜也可以如圖1d所示結構 ，把金屬屏蔽層改成無縫金屬套，這樣電纜的徑向阻水結構就得到了簡化，且阻水的持久性好；其次由于其電纜纜芯外采用的是常規電纜結構，對電纜散熱影響小，有利于確保電纜的使用壽命，保持電纜輸送功率基本不降低，所以圖1c所示的外阻水層結構可以提高傳輸功率10％左右 ；另外，因內阻水結構的存在，即使電纜外護層損傷也不會影響電纜的阻水效果。對于三芯電纜也可以采用圖1a所示的三根單芯阻水電纜絞合形成，這種結構節約了大量的阻水填充材料，使電纜的成本大幅下降，同時電纜的散熱好載流量也增大許多，是一種理想的低成本三芯阻水電纜。三芯鎧裝阻水電纜可以采用圖1d和1e所示結構，優缺點與上面分析相同。

 

    4．2 XLPE電纜縱向阻水結構

      所謂縱向阻水，就是在XLPE電纜纜芯處填充阻水材料，防止水分通過纜芯在電纜中擴散。前面論及的電纜縱向阻水可以通過兩個層次的措施來實現：一是采用阻水型導體；二是采用阻水型纜芯。目前縱向阻水的難題在于阻水型導體，即如何在各導線之間填充阻水物質和填充什么樣的阻水物質是當前研究的熱點。下面就國內已有的技術進行分析。如圖2a所示，在絞合導體的部分層間繞包或縱包半導電阻水帶 ，再通過導體正常圓形緊壓，使導體層間不存在間隙，以達到導體間的連接和導體的縱向阻水。這種阻水結構具有良好的阻水性能、安全可靠、壽命長、易于實現、可利用現有設備生產、成本較低。但這種結構使導體的外徑增大、散熱困難，還會出現電纜的電性能不穩定情況。

      圖2b的阻水導體結構是在絞合導體之間全部用阻水粉填充。這種結構不增加導體的外徑，不改變電纜的其他結構，但是存在一個技術難題，就是阻水粉附粉困難和難以均勻附粉。根據專利(CN200710164734．3)介紹 ，可以用熱塑性彈性體包裹阻水粉，然后利用靜電噴涂技術使導體附粉，較好地解決了阻水粉附粉困難和難以均勻附粉等技術難題。因為填充阻水粉不增粗電纜的外徑，不改變電纜的尺寸，且阻水粉填充的工藝問題得到解決，所以目前阻水粉填充的阻水導體結構相對較好。

 

      上面介紹的幾種阻水結構都是針對導體單絲直徑(1．5～4 mm)較粗的硬導體設計的，一般適用于固定敷設電纜。對于移動場合使用的絕緣軟電纜，其導體單絲直徑(0．25～0．5 mm)較小，阻水粉、阻水紗填充困難，上述阻水結構并不適用。對于細軟單絲可以在細軟單絲表面涂覆阻水粘結劑層，或者在單絲上涂抹粘合劑，然后再粘附阻水粉，構造阻水導體，以達到阻水效果。

圖3為兩種單芯全阻水XLPE電纜結構示意圖，一種為全阻水粉填充，另一種為阻水帶填充。三芯電纜也是這種結構，只是纜芯由單芯改成三芯而已。在工程實際中也可以根據實際情況對電纜結構進行適當的改動，但結構改動后的電纜必須要符合國家相關標準。

 

5 結 論

      (1)水分浸入聚烯烴絕緣電力電纜會極大地縮短電纜的使用壽命，XLPE電力電纜防水抗潮問題已引起業內人士的極大關注。XLPE電纜的全防水，包括徑向阻水和縱向阻水兩種阻水結構。同時，可能還需從材料性能出發，研究開發具有優良耐水樹性能的絕緣材料。

      (2)徑向阻水技術主要采用在絕緣屏蔽和金屬屏蔽層外面繞包半導電阻水膨脹帶，在金屬屏蔽層外面添加金屬防水層，中壓電纜一般使用鋁塑復合帶，高壓電纜則采用鉛、鋁、不銹鋼的金屬密封套。

      (3)縱向阻水主要采用在導線之間和纜芯屏蔽區添加阻水性物質，阻斷水分在纜芯中的擴散通道。從目前的技術發展來看，縱向阻水用阻水粉填充相對較好。

      (4)實現電纜防水必然會影響電纜的散熱、導電性能，要根據工程實際需要，選擇或設計合適的阻水電纜結構。

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