阻水电缆的结构设计与材料选择

阻水电缆的结构设计与材料选择阻水型电力电缆材料及结构设计摘要: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。该文就阻水电力电缆结构设计和阻水材料提出一些看法。关键词：阻水型电力电缆;结构;选材;工艺特性;改进第一章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选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。电力电缆大多采用直埋敷设方式，所以电缆承受来自于土壤压力和由于人为因素而受到外力损伤的可能性很大。从敷设形式看，国外大多采用机械保护和防水为目的的金属保护套，或者采用包覆薄金属带等防水层的电缆。但是这种电缆，一旦受到损伤，水便从损伤处侵入电缆内部，进而渗入到电缆内部的间隙（导体绞线间，挤包外半导电层，屏蔽层或金属护套之间等）。沿着电缆纵向扩展，从而导致大长度电缆无法使用。当直埋电缆发生故障时，通常在事故发生点处要换一段新的电缆，使线路恢复运行，因此水一旦浸入电缆内部时，其渗水距离应越短越好，为了阻止浸水后的渗水，一般采用间隙部分绕包吸水性膨胀材料的方法，一旦浸入水便于堵住间隙。1.1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的危害。一般而言，水分浸入到电缆中后主要影响是电缆的导体和绝缘。就导体而言，电缆在正常运行时处于一个热稳定状态，导体温度一般都在60以上，如果有水分浸入就会导致导体氧化，使得导体单线间的能量损耗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容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。1.2可行性分析现在我国电力电缆的阻水结构大多是借鉴于通信电缆，主要是通过增防水层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°IEC国际标准中也推荐额定电压6kV~30kV及30kV~150kV挤包绝缘电力电缆具备纵向阻水结构。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20世纪70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，并且很多国爱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。此举虽有一定效果但并不显著，末能从根本解决问题。后来的实践经验证明，防止外来水分侵入是解决交聚乙烯电力中水树问题的最佳途径。第二章结构、选材及关键工艺2.1电缆内部纵向渗水处（如图1）a）金属丝屏蔽型b）铝护套型2导体2-内半导体3-绝缘层4-外半导电层5-屏蔽层6-包带7-塑料护套8-垫层9-间隙10-波纹铝护套塑料防护层阴影-纵向渗水可能发生处2.2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，目前要实现电缆的纵向阻水在技术上的不存在问题，只要在护套内加一层水密性材料构成的阻水曾即可。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氯乙烯内护套或纵包一层铝塑复合带作为纵向阻水隔离套。纵向阻水电缆结构如图所示：

绝缘芯线防水隔离目吸潮垫房外护套（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性不好。聚乙烯材料的水密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纵向阻水防潮要求。采用聚乙烯材料在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1.0〜1.5mm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。如果把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聚乙烯复合带。理论上讲，铝-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，只要复合带的接逢处完全粘结密封水分几乎是无法透过，纵包铝-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-聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水电缆需要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）。定位导轮及成型涡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阴水包带）生产铝/聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水电缆需要一定的奖金投入和设备改造。2.3纵向阻水的电缆结构前文己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信道（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家考虑是如何从电缆外部阻断纵向水流信道，对于单芯电缆较易实现，但对于多芯电缆和铠装结构的电缆实现起来仍有许多难点。目前用于电缆中的阻水材料主要有填充膏，热熔胶及阻水带等，从材料的阻水材料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部流动的目的;另一类是主动吸水并迅速膨胀，从而达到阻断水分在电缆内的流动信道。阻水填充膏和热熔胶均属于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，阻水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。多芯电缆还需要在成缆线芯的间隙中用阻水绳，阻水纱进行有效填充，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，阻水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，一是价格问题，由于阻水绳价格高，采用其作为填充材料会使电缆成本大幅上升，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。国外早期采用石油膏，由于其存在接头施工困难，导电性能下降等缺陷而逐步淘汰，取而代之的是采用超强吸水膨胀材料其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水分后膨胀材料。其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水份后膨胀形成和保持凝胶状，从而阻止水进一步侵入及造成纵向流动，引起绝缘破坏。超强吸水膨胀材料是一种吸水特别强的物质，它的吸水量为自身的几十乃至几千倍。目前超强吸水材料发展极快种类繁多，就其原材料来源可分为:淀粉系，纤维系，合成聚物系。制品形态有粉末状，纤维状和薄膜状。在电缆工业中应用于径向阻水各种电缆中，也有超强吸水绳绞合在导电线芯中，以起到纵向阻水作用。超强阻水材料填充导电线芯空隙一般采用两种方法。一种为采用绳子形态与导电线芯均匀分布后一起绞合，另一种采用粉末状态在每层导电电单线绞合后都均匀涂覆表面。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、成本相对于阻水绳要低得多，3、不会为电缆施工带来不便，4、材料中不含增朔剂，硫化剂等，与绝缘护套及金属屏蔽层等兼容性好采用上述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，（结构如下图）R］R］水包带理乙烯拘垫层殳阳技叫愕实现电缆的全面阻水特性，还需要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，业内也早己认识到这个问题并作了努力，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绞线之间填充疏水材料或阻水材料从而达到切断导体内间隙信道的目的。如导体绞合时各层单线之间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。2.4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

现在上海电力局已经开始将额定电压10KV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来增加却简化了生产工艺，同时也大大提高了阻水效果，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2.5吸水带1）吸水带的结构吸水带的材料容易改进，所以广泛应用于阻水电缆中。吸水带是由聚酯无纺布作基布和添加了吸水聚合物的橡胶及塑料涂料构成吸水带如图标EG：5EG：5图2吸水带的结构2）吸水聚合物吸水聚合物有丙烯醇，纤维素，聚氧化乙烯等多种材料，但考虑到吸水速度，吸水凝胶的粘度，分解率，耐热性，不洁物和使用环境等因素，有必要对其进行选择，这其中丙烯酸的吸水聚合物显示出较好的特性。3）吸水带的特性吸水带阻水的机理是当进水膨胀后吸水带应充满电缆内空隙，从而确保不再纵向渗水。因此在带子周围的间隙处添加适量的吸水聚合物，特别是较大空隙处的吸水带要求有较高的吸水能力;还要求其膨胀后的吸水凝胶不从空隙内流出。故对膨胀后吸水凝胶的粘度，吸水带及电缆的结构进行研究。另外，用在导体部分的吸水带。需要耐受近200摄氏度的交联温度导体部分吸水带在加热过程中的吸水能力见图2.6电缆的构造研究阻水结构时，由于电缆的结构不同，渗水特性也不同，因此需要对适合电缆结构的吸水带的特性，如吸水高度，吸水速度（吸水后达到带的吸水高度的时间），进行带材的选择。此外，将吸带包在外半导电层上时，带的P-T（固有热阻率-温度）特性和电缆的tg上升值有关。因此采用p-t特性稳定的吸水带，并且在电缆上测试tg-t（时间），需确认吸水带在使用时不发生问题。以下就是电缆的不同结构提出各种不同的阻水结构1）阻水型导体导体的阻水以往主要是在导体内填充水密化合物，填充绞线间的空隙，但是为了提高制造的工作效率，缩短电缆在中间连接时清洗化合物所需工时和施工作业的时间，采用了绞线过程中将吸水带插入绞层间的结构，如下图，关于导体导通的问题，经过实践的确定，插入的吸水带因绞线压缩时导线间挤压而部分破损，从而导通，并在电缆连接和终端组装时不发生问题。

导体阻水糊或川水沙明水粉或的水纱或阻水带2） 阻水型铅包结构对于铅包结构电缆，外导电层和铅包的交界面是光滑的。插入外半导电层和铅包间的吸水带不需要特别高的吸水高度。因在铅包挤出时的热量将吸水带融化在外导电层及铅包上，因此应采用耐热性较好的吸水带。3） 阻水型金属丝屏蔽结构对于金属屏蔽结构电缆，将金属下的垫带及金属丝上的包带改作为吸水带，使其紧压金属丝，这包带的张力与以往使用的布带具有同等张力。这种结构的阻水效果很好。此外还要考虑到，带子的吸水高度充满金属丝的间隙，却使吸水高度很充分，但实际上一旦绕包在缆芯上，由于带子的结构及包带的压力，其得不到期望的高度，故采用吸水高度较大的材料可取得了充分的阻水效果。4） 阻水型铝护套结构对于铝护套结构电缆，绝缘线芯在负载作用下，反复热膨胀或收缩，所以在铝波纹管内侧必须设置空隙，因此吸水带要使用膨胀性好且吸水高度高的材料，来填充间隙。因此吸水带使用膨胀性好且吸水高度高的材料。来填充间隙，却使螺旋状的波纹也是可以阻水的但需要较厚的绕包带和膨胀性好的吸水带，这就造成了电缆成本的提高。因此采用环形（独立环形）的铝波纹护套作阻水电缆如图，为环形波纹管和螺旋纹管护套的结构比较环形波纹管的特点是自我独立空隙，可以封锁水路，而螺旋波纹管的空隙呈螺旋形连接而形成水路，吸水带及其它阻水材料同样需要考虑p-t特性，吸水高度，吸水速度及耐热性，而且因为绕包在铝护套下，其膨胀性也很重要。另外还要考虑渗水时吸水带的化合物不能流出。第三章阻水材料（一）聚丙烯聚丙烯是丙烯的均聚物，简称PP。它具有优良的力学和电绝缘性，良好的耐化学腐蚀性，而且耐热性好，因此PP的应用范围很广。在电线电缆方面，由于聚丙烯优异的电绝缘性能，且不受湿度的影响，工艺上可连续挤包或以薄膜绕包制造电缆电缆，故特别适用于高频通信电缆、大长度油矿测井电缆的绝缘、10KV及以下的电力电缆及电缆终端盒。聚丙烯的结构特点聚丙烯的分子结构式如下：[CH-CH]nCH3聚丙烯是典型的立体规整型的高聚物，其性能除和分子量有关，还受到立体规整性的影响。聚丙烯通常是等规聚合物，具有高度的结晶性。当熔融状聚丙烯冷却时，便生成结晶，在杂质或内应力集中处首选生成晶核，然后从晶核向四周以球形成长，形成球晶。冷却速度大，则生成的球晶小;缓慢冷却时，球晶的大小为急冷时的数倍。球晶的数量、大小和种类，对聚丙烯的物性及工艺性能有很大的影响。球晶越大、越脆，这是因为在紧密性增加的同时也造成了易于分离的结果。聚丙烯等规度高，结晶度越大。此外，在通常情况下，分子量依存性越大，分子链的扩散越难，结晶度则下降。但即使同样的分子量，由于成型条件的不同，或以后加热方式的不同，结晶度也会变化。结晶度的大小直接影响聚丙烯的密度。聚丙烯非结晶部分的密度为330.85g/cm结晶部分的密度为0.935g/cm一般聚丙烯的结晶度介于30%~70%之间，密度为30.90g/cm左右。当聚丙烯结构、结晶薄片的厚度、球晶结构、无定形部分状态产生变化时，即使结晶度相等，其物理性能也不同。一般说来，球晶小的，在急冷和低温下热处理处，结晶度即使相等，但屈服强度和冲击强度等也会变大。聚丙烯的分子量及其分布情况，对熔融时的流动性能（即加工性能）有很大的影响，其规律与一般高分材料相同。聚丙烯的性能电线电缆用聚丙烯有粒料和薄膜两种，下表为聚丙烯的基本性能。项目单位数值3密度g/cm0.90-0.91吸水度%0.03-0.04抗拉强度Mpa30-39伸长率%屈服点10-20断裂点?200抗拉伸性模数Mpa1100-1600压缩强度Mpa39-56弯曲强度（屈服点）Mpa42-56-5线膨胀系数10/c10.8-11.2成型收缩率%1.0-2.0洛氏硬度95-1052冲击强度kJ/m无缺口不断有缺口2.2-5.1体积电阻率Q.m?1014穿场强MV/m30相对介电常数（1MHZ）2.0-2.6介质损耗角正切（1MHZ）s0.0005耐电弧125-185热变形温度-6负荷4kg/cm100-11618.6kg/cm56-67耐磨性(负荷17.1kg1000r/min)mg25物理力学性能聚丙烯为白色蜡状材料，外观很像高密度聚乙烯，易燃烧，离开火后能继续燃烧，并发出石油气味，它的透气性与聚乙烯相同。由于聚丙烯为结晶性高聚物，其力学性能不仅与了量有关，而且与结晶性有关。如果球晶大而结晶度高，则聚丙烯的硬度，强度增大，但柔软性变差。聚丙烯的抗拉强度比聚乙烯、等塑料来得大、特别是当温度超过18摄氏度时，随温度上升，聚丙烯抗拉强度的下降比较小，即使在100摄氏度以上，你可保留常温时抗拉强度值的一半。聚丙烯的表面硬度比聚乙烯高，比聚苯乙烯低。聚丙烯的耐磨性比较好。聚丙烯还具有十分良好的耐弯曲变形的能力和较好的耐环境应力开裂性。电绝缘性能等规聚丙烯是非极性材料，有很好的电绝缘性能。因为聚丙烯吸水性很小，所以，绝缘性能基本上不受湿度的影响。聚丙烯相对介电常数很小(2.0〜2.6)，介质损耗角正切很低(0.0005)，在温度和频率变化时，介电常数和介质损耗角正切的值变化较小。聚丙烯具有很高的绝缘电阻(10Q.m以上)，在温度升高时，体积电阻率逐渐下降。聚丙烯的击穿场强比较高(30kV/mm)，随温度上升，击穿场强反而上升，因此可以制造耐热绝缘材料。3.热性能聚丙烯的耐热性能较好，在聚烯烃类塑料中是属最高的。熔点为165-170摄氏度，即使在荷重时，也可在100摄氏度下连续使用，若无负荷，使用温度可更高。聚丙烯的耐寒性较差，低温脆化温度为,5摄氏度左右。聚丙烯的耐寒性与等规度及平均分子量有关。当等规度相同时，熔融指数越小，其脆化温度越低;反之，熔融指数相同而等规度较高时，则脆化温度也较高。为改善聚丙烯的耐寒性，可采取与乙烯共聚改性，常见的有丙烯-乙烯无规共聚和丙烯-乙烯嵌段共聚。也可采用其它塑料和弹性体共混改性，常见有聚乙烯、聚异丁烯、乙丙橡胶等。耐化学稳定性聚丙烯和聚乙烯一样，耐化学药品好。它对于一般无机化学药品，也表现出高度的稳定性，例如耐硫酸、盐酸及氢氧化钠的能力较聚乙烯、聚氯乙烯为好。而且耐受温度较高，对含量为80%的硫酸及浓盐酸的耐受温度可达100摄氏度。但是聚丙烯分子结构有叔碳原子，容易被氧化性药品侵蚀;对于有机化学药品和同类的非极性溶剂性，但也有例外，如在卤化烃中比在非极性溶剂中更容易溶解。其它性能聚丙烯虽有许多优点，但由于化学结构的关系，它在高温下对氧很敏感，容易氧化老化，特别在有紫外线和铜存在的情况下，更能加速这一老化过程。为了改善聚丙烯的耐老化性能，在实践中聚丙烯等防老剂，以制止由于光或热能在聚丙烯中形成受激励部分和游离基，并捕获己产生的游离基，使之不引起链式反应;分解己生成的过氧化氢化合物;钝化在聚丙烯中存在的重金属。(二)聚乙烯的结构和性能聚乙烯的结构聚乙烯是一种只含有碳和氢两种元素的高分子聚合物，其通式可用(CH2-CH2-)表示。26其中n为10-10。由于乙烯聚合时需要加入催化剂，所以聚乙烯还含有残余的少量催化剂杂质。聚乙烯的分子并不是一般长，由于聚合反应器内的温度、压力和催化剂含量的差异，乙烯聚合反应的过程，如链增长、链传递和链终止反应都不尽相同，所以得到的聚乙烯最终产品实际上是大大小小各种不同分子量的聚乙烯的混合物。因此实际上聚乙烯的化学结构并不是这样简单，而是较为复杂的。其分子主链上有不少短的甲基支链和较长的烷基支链。并且分子中还存在着双键的可

11型次甲基支链和12型能，根据双键位置的不同，又可能分为10型端双键，双键等。11型次甲基支链和12型高压法低密度聚乙烯，由于是游离基反应聚合而成的，所以分子支化度较高。特别是釜式法，因反应停留时间长，使得长链较多。而中、低压法聚乙烯由于是离子型聚合，所以分子支化度也很少，基本上呈直链接构，不存在长支链，短支链也极少。但线性低密度聚乙烯和超低密度聚乙烯的短支链要多些，短支链的长度和数量取决于共聚单体的碳链长度和数量，一般短支链长度为C1-C8。低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯的分子示意图如图L司 b} c|司 b} c|图聚乙烯分子示意图低密度聚乙烯(LDPE)高密度聚乙烯(HDPE)线性低密度聚乙烯(LLDPE)聚乙烯的性能聚乙烯是一种热性塑料。外观为乳白色，薄时半透明，厚时不透明，表面呈蜡状。它具有优异的介电性能，广泛用于国防工业、无线电工业、雷达、电线电缆和电信装置等绝缘材料。低温性能好，能在低达-70摄氏度的低温条件下使用，不脆裂，不硬化。化学稳定性好，3耐水性、耐火性、耐老化性优良。密度小于1g/cm。但遇火时容易燃烧和熔解。并放出与石蜡燃烧时同样的气体。熔解温度在110〜135摄氏度之间，能用挤出、注射、吹塑、模压和粘贴等各种方法加工成型。序号性能单位LDPEMDPEHDPE3密度1G/cm0.910-0.9250.926-0.9400.941-0.970透明性半透明半透明-不透明半透明-不透明2透气速率相对性311/31/3吸水性（质量分数），0.015,0.01,0.01%（24H）4抗拉强度5Mpa8-168-2620-40伸长率6%400-60050-80015-1000弹性模量7Mpa100-300200-400400-1200弯曲模量8Mpa250-1000肖氏硬度9D41-4650-6060-70结晶熔点10?108-126120-130126-135热变形温度？（荷重186N/cm）1132-4141-4943-49线膨胀系数2.2,10-1412M/mc?1.7*10-141.5*10-14热导率13W/m?0.35-0.48长期使用温度14?65-7075-8080脆化温度,,70,-70,-7015?体积电阻率，1016,1016,101616Q.cm击穿强度（瞬时）17Kv/mm18-4018-4018-40相对介电常数2.25-2.352.25-2.352.30-2.351860-100HZ102.25-2.352.25-2.352.30-2.35介电损耗角正切，0.0005,0.0005,0.0005（60-100HZ,10）19耐弧性,20020S135-160200-235弱酸性耐很耐很耐21强酸受氧化酸侵蚀受氧化酸侵蚀较慢受氧化酸侵蚀较慢22碱耐很耐很耐23耐溶剂性常温下不受侵入常温下不受侵入常温下不受侵入24燃烧性易燃易燃易燃易燃25第四章水树对电线电缆的影响电缆进水后，在电场的作用下，会发生水树老化现象，最后导致电缆击穿。水树是直径在0.1m到几微米充满水的空隙集合。绝缘存在中的杂质、气孔及绝缘与内外半导电层结合面的不均匀处所形成的局部高电场部位是发生水树的起点。水树发生过程一般在八年以上，湿度、温度、电压越高，水中所含离子越多，则水树发展越高。在潮气和电场的共同作用下，水树是诱发高压电力电缆的主要原因。自从日本遇到水树这种现象以来，许多文献中都涉及到这一问题。在人们对材料的超纯性以及材料表面的光滑性的重要作用识别以后，这一方面的技术己取得了巨大的进步。尽管对于电缆和其材料的水树测试是必要的，但目前的电力电缆己基本具备了抑制水树的能力。4.1水树的定义在交流电场和水分的作用下，水树是聚合物绝缘材料发生降解的一种现象。然而在这种条件下也可以产生电树和聚合物的完全击穿，这依赖于准确的实验条件。电树和击穿与水树是有区别的。出于这种考虑，对水树的准确定义是非常必要的。水树是聚合物的降解结构，降解结构具有下列的性能：永久性；在极少的潮气和极小的电场下可以成长；与原始的材料相比较，当潮湿时有极小的电应力，但水树不是短路也不是击穿；(4)实质上降解结构比原始聚合物有较强的亲水性。在PE中其典型的吸水量超过1%。第(3)和第(4)的性能仍然没有定量化。水树枝化的降解过程就产生了水树。另一重要性是这个定义并不依赖水的含量。水树实际上是聚合物的降解结构，该结构有利于水的进入，并存在于降解结构中。一串水滴并不是水树。水树是亲水性的内含物或者是亲水性空洞。依据这个定义，如果水树中的不蒸发了，那么水树并不流失，而仅仅是变干了。另外，这个定义也可以应用于LDPE、XLPE和EPR（乙丙胶）等材料。4.2水树的分类由于对水树的发生、进展的机理并没有完全弄清楚，因此对水树作明确的分类是比较困难的。但就水树的形成而言，一般分为蝴蝶结构和空穴型水树。对电缆而言，一般看得见发生的地方，比较多的认为大致可分为两种类别，即在绝缘体上半导电层（以下简称外导）和导体上的半导电层（以下简称内导）的表面发生的水树和绝缘体中的发生的水树。属于前者的水树有发生起源于内导和外导表面的，是向绝缘体内部进展的水树，这种水树在电缆的内导和外导用棉织带作半导电层特别容易发生，内导的棉织带端部和起毛等不整齐部位是绝大多数水树发生和进展的起源。另外，用导电性丝织带、半导电性尼龙带、半导电性聚酯带以代替半导电电性棉织带后，实验己确认发生水树的程度要少些。关于这些有内导和外导发生的水树，有许多例子在以前的报告中己讲述过。另外，从内导发生的水树中，在绝缘体中产生白浊环状物，它的进展认为会促进水树。关于内导和外导发生这些水树的事例，在采用内外半导电挤出层，内导不整齐部分用加速老化实验也发生了水树，但这种挤出层一般能防止水树的发生，使抑制树枝有了可能。除电缆中看到的水树外，实验室里有用各种模型试验来观察水树。这种水树都可分为两种不同类型，而模型试验中看到的水树多少有点不同。首选，由水电极生长的水树，进行加热处理时并没有完全消失，形状和电缆中的水树有点不同，且短时间能够发生、进展，这是它的优点。在实际电缆中，水树的发生、进展机理也许是和有不同的。以上是聚乙稀中的水树。若把材料分类，在其它有机绝缘材料中也会有水树的分类，在其它有机绝缘材料也会有水树的发生。特别是在水电极中的硅树脂的水树，能短时间内发生并具有在外加电压消失的性能。还有，在最近的电机通用的环氧树脂中，在水或湿气中也能发生水树，能在短时间发生并具有在外加电压消失的性能。还有，在最近的电机通用的环氧树脂中，在水或湿气中也能发生水树。此外，聚丙烯、聚氧乙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等确实也有水树的发生。4.3水树的发生和进展4.3.1用电子显微镜观察水树用扫描电子显微镜观察结果的要点如下：水树发生的部位是0.典m级的极小气隙的集合，比0."m稍大点的气隙也混合一起。水树在发生端前面部分随着气隙数目的增大加便造成大气隙并混合其中。和电树不同，管道分支的辨认比较难，要确认气隙和气隙的连结是困难的。4.3.2水树的染色性因为干的水树几乎无法同PE的周围环境相区别，因此对水树的染色几乎在一开始就进行了。自从那时就发展了各种合适的染色方法。CIRGE提出了标准的亚甲基蓝染色方法。早期的染色方法是由MatsubaraYamanouchiAscraft和EichhornHenkel等提出。亚甲基蓝是一种氧化还原指示剂，是应用其氧状态进行染色的。该溶液以碳酸作为缓冲剂以防亚甲基蓝褪色。染色之后，亚甲基蓝仍然处于氧化状态。因此，染色并不是化学反应而可以认为是扩散过程并且随后使着色缔结在水树中。由于二聚化过程的缔结可以解释染色的稳定性。对水树的选择性染色主要是由于水树形成过程中有较强的亲水性组分生成。OLLEY许多最近的文章认为永久性的刻痕技术可适合用光学方法检测水树的存在，例如扫描电子显微技术(SEM)和透射电子显微技术(TEM)。MOREAU等人描述了用若丹名染色以获得荧光显微的分析方法。4.4水树的发生、进展的影响因子对水树的发生、进展会产生影响的因子有:时间;外加电压和频率;温度;水质；绝缘材料；电极材料。着眼以上些因子，归纳实验结构以表示这些因素的影响。以下就分别各个因素叙述使用这些电极结构做实验或把电缆作试样的实验结构。时间:在一定条件下对于外加电压时间和水树伸长或发生数的变化情况，有几个报告是不一样的。例如，在水电极里，外1kHZ、2kV电压时，时间直到140h，水树对于时间的伸长达到100h的一定值后，观察到几乎不再增加。有时也看到水树伸长与时间的变化关系呈饱和特性。一般水树随时间变成有饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和长度各个实验是不同的，这是与电极结构、外加电压、浸水条件等各种实验有关。外加电压和频率水树的伸长随外加电压增加而增加的报告较多。水树伸长和外加电压的关系一般是直线关系。也有水树伸长从电压500V到6kV几乎没有差别。水树伸长和外加电压的关系认为是电极配置与成为水树发生起点的电极曲率半径等有关。一般做实验认为到几千赫兹频率具有加速性。对于水树作加速性研究实验中，试样是否作过吸水处理对实验结果有很大的影响。一般温度于水树的伸长的影响关系上不明确的，从实验中可得到不同结果。关于水树的发生数，一般是温度越高，则特别小的水树数目变得越多。以上是温度恒定的时候，然而实际运行的电缆负荷电流常是变化的。因此，常处于热循环的状态下。这时热循环比起常温来则是促进水树老化。像这样的关于温度对水树影响，依据实验方法得到完全相反的结果，认为这是各种实验条件的微妙的综合结果，现在还没有得到统一的见解。水质：一般用于实验的水是自来水，用各种电解质和去离子水等作实验的目的在于研究水质的影响。把电导率相等的三种溶液和去离子水作水电极使用时的水树伸长比较。电解质溶液方面比去离子水的水树伸长来得大的多，这三种电解质认为没有多大差别。用同样的电极的结构作实验，以氯化钠、氯化钾、自来水、去离子水作比较，水树容易发生的顺序是：电解质溶液、自来水、去离子水。还有得到水树的伸长、形状和电解质浓度有关的结果。绝缘材料:PE的密度、熔解指数(M.I.)和水树进展的速度有关。一般PE的分子量和结晶度对水树的进展特性没有多大的影响。PE以外的有机绝缘材料中确实也发生过水树。电极材料电极材料对水树的影响，在实际电缆中从防止水树的观点看是很重要的。以碳黑纸、半导电性棉布带、牛皮纸、珞珞(纤维质)纸、半导电性PE作式样，在常温下，外加60Hz、6kV电压时，经100h后，除半导电性PE外，其它发生了水树，其伸长程度没有什么差别。一般水树不发生在挤出半导电层，但当绝缘接口有凸出等缺陷存在时发生水树。4.5水树和应变由于XLPE电缆是以挤出机挤出的电缆绝缘层，加工时的条件不同，会造成绝缘内有残余应变，在电缆管路敷设和海底电缆的敷设时，都存在附加的弯曲、扭转等机械应力。试样是预先加50%拉伸应变的半交联(交联度30%-40%)的PE片，由碳黑的纤维端发生水树，不管纤维是什么方向，水树伸长的方向都垂直于试样的拉伸应变方向，而无拉伸应变的试样容易引起水树拉伸。用水针电极讨论PE在加拉力状态下的水树伸拉特性，和残余应变一样，水树伸随着外力增加而变大。从上述实验结果表明，不论是内部应变，还是外部应力，若在应力方向有水树，其伸长就会变得容易。关于伴随水树进展的应变发生原因还不太清楚，有认为应力源处应变增加是由于浸水耐电中因介电电泳方向高场强集中的水的反复膨胀收缩造成的。4.6水树与电荷YINGLI等人用电声脉冲法研究了交流电场下含水树的聚乙烯中的空间电荷分布。实验发现在水树区和非水树区的接口上有空间电荷，而在水树区并无空间电荷。空间电荷的量直接正比于测定时的电压。这证明了在水树区和非水树区由于不同的电导率引起的接口极化现象。实验中提出的模型能够解释全部的实验结果。己证明空间电荷仅仅存在于水树的尖端，而电声脉冲法能够用于非破坏性预估水树的长度和方向。另外，我们实验室研究了聚乙烯材料的吸水与空间电荷的关系。实验发现随着材料吸水量的增加，在直流电场的作用下材料中的空间电荷有增加的趋势。4.7水树的抑制实验通用的抑制水树的方法如下：（1）提高绝缘强度作为目的的添加剂效果。实验结果是水树发生数和结果减少；（2）加入电解性物质，气隙内发生水的凝结，电场下降，增大了水气吸内的化学势，防止水再进入气隙，能够抑制水树；（3）添加剂（电压稳定剂）的效果。当电压稳定剂加入电缆时，比没有添加剂的电缆水树发生数要少。用添加剂的任务是：（1）缓和绝缘体中的凸出物、气隙的局部高场强；⑵增加气隙内的化学势，预防气隙内进入水。4.8水树引起的绝缘老化的诊断水树发生、进展和绝缘电阻的关系一般而言，水树的发生次数越多、长度越长，电缆的绝缘电阻率下降的倾向，以及直流泄漏电流增加。水树的发生、进展和tg5的关系水树发生的概率越大，水树越长，tg6一般增大。当发生水树电缆的tg5,5%时，电缆将无法安全运行。水树的发生、进展和交流击穿电压的关系一般而言，水树变长，交流击穿电压都下降。(4)非破坏性试验方法诊断因水树引起的绝缘老化以下提出从直流绝缘电阻与静电电容的乘积和tg5两个方面对额定电压6.6kVXLPE电缆进行绝缘老化的综合判断的方法；(5)当绝缘电阻与静电电容的乘积(Q.F)和tg5(%)同时满足表1所列判断标准时，就发生了有害于运行的水树。幻禅诚条件泄网w.叫m界g胸何如+F饷啪定电出衅啊的H沌电即明珥1而E的茫Hg础tIDmnfiJ.jt<i|g6|"t*■5.0(注：因为电缆的绝缘电阻值受到供实验的电缆的断面积、绝缘厚度和长度的影响，因而以绝缘电阻值和静电电容值和乘积表示)。tg5,5%，并且在直流测定电压是10kV或16kV，泄漏电流分别大于0.1UA和0.3uA时就断定存在着水树的某些缺陷。提议采用直流的充放电特性检测水树。第五章新型阻水材料一类新的用于电信电缆的密封填充油膏已得到ANSI和ICEA的认可。这项技术将超级吸水聚合物与触变胶体物质相结合从而达到电容稳定和超强防水的话缆性能.此外，这种新型油膏具有独特的性能，能自愈因水侵入而引起的短路，(这种短路会发生于绝缘导线存在裂缝时）同时补偿铜导线受热时的电容变化。在此说明这类油膏的合成技术及材料作用的机理，涉及的特性包括：1、 承受较高的水柱压力的能力；2、 在湿度及温度变化时钢缆的电容稳定性；3、 老化时导线绝缘层的氧诱导时间：4、 涮试自愈特性，消除由水引起的短路；5、 绝缘稳定性。5.1当前的技术状况在现在所采用的技术中，电缆的生产通常基于两种设计:空气缆和填充缆。空气缆空隙处没有油膏或任何其它的阻水材料，而填充缆的空隙在生产过程中填充有油膏以防止水浸人电缆。用于填充缆的油膏绝大部分是热熔性材料，像油、石蜡和橡胶混合物。采用这些材料的目的在于通过疏水及充填空隙，阻止水进人电缆。然而，由于热熔性材料在冷却过程中会产生收缩，这类材料实际上只是延缓了水之进入电缆。〃干燥的〃阻水电缆设计近来已经被采用，利用附着于带材、线或散在电缆内的超级吸水剂达到阻水目的。这些粉剂的作用就是在水分进人缆芯之前吸收全部水分，膨胀形成阻水墙阻隔更多水分流动。然而，这类技术的缺点在于这种〃干燥的〃电缆构造会导致较高的维护费用，否则，会造成整个电缆的失效。例如，〃干燥的〃电缆设计是基于一种认识，即超级吸水剂遇水膨胀，在吸水的情况下，阻断了更多的水进人电缆。这个概念与实际情况不符，即超级吸水剂干了，它吸收的水份以水蒸气的形式蒸发了（水蒸气将存在于电缆内部环境中），且在一个封闭的空间内保持着35%-95%的相对湿度，换句话说，一旦水进入了〃干燥〃电缆结构，水汽能渗入代电缆空隙，这在接续盒和系统接续箱的空隙中也是普遍存在的，最终在光纤、导线或接续盒中凝结的水汽开始腐蚀、短路铜缆系统，微结晶，分层或影响光纤系统。在新的分类系下，美国国家标准局(ANSI)和绝缘工程师协会(ICEA)最近已列出一类新油膏〃吸水触变油膏〃，(ATG)用于ANSI/ICBA标准S-86-634项下的〃直埋配线及用户通讯线的填充、聚烯烃绝缘、铜导体〃°ICEA标准S-91-674-1996项下的〃同轴电缆和同轴/对绞复合直埋用户线〃和ICBA标准S-99-689-1997项下的〃填充、聚烯烃绝缘、铜导体、宽带绞对电缆及通讯线的材料〃。5.2ATG的工作原理由悬浮于介电触变胶体基的阳性聚合物合成的ATG油膏能防止水进入电缆，方法是在进水点的油膏与进人电缆的水的分子形成氢键，氢键固定了水分并形成阻水墙阻止更多的水分进人电缆。ATG的触变特性使填充能够在常温下进行，并达到100,的填充效果。若在生产中产生空隙，ATG将在分子水平上与水构成氢键，将水转入非流体的、高粘度的胶体，不可流动。传统的填充油膏试图通过消除空隙阻水，但由于油膏的热膨胀和冷却收缩，会产生空隙，积流水分。ATG还有能力消除由水引起的电性短路，这种短路发生在有水渗人小针孔或绝缘导线的裂缝中时。特性这部分给出与ATG油膏特性有关的性能参数，这是在电缆外部测量的。主要包括：l)包括在材料规格中的物理特性；稳定的互电容测试(在温度及湿度变化时)；分别填充ATG和ETPR的电缆的水柱测试；测试自愈特性；物理特性ATG电缆填充油膏的电性能和PEPJ和ETPR热熔性油膏的相似。由于ATG是冷填充油膏，较之热熔性油膏，其充满率更高。ATG油膏是触变性的。因为不存在油分离，用户不必担心电缆受热时会发生滴流。具有这种特性是因为ATG油膏不受温度影响。表1资料表明ATG的优越性能:在离心机上的试验显示普通的用于光缆填充的油膏的油分离特性较之ATG的要高许多；80?时用Seicor试验方法测得ETPR油膏的油分离程度是ATG的10倍。表-1给出的吸水资料取自已被证实在电缆测试中有效的产品，但还没有针对这