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1、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
2、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
3、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，
4、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
5、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6kV30kV及30kV150kV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
6、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21-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11-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
7、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：绝绦芯线 防水隔捣层吸潮垫层外护套（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
8、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 1.01.5mm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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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）阻水椽胶填充聚乙晞内談星 钢带及阻加包带防水陽离套外护套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。旦采用紧压
15、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
16、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。如图铜带阻出屋导体遮蔽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图2吸水带的结构2）吸水聚合物吸
