参 考 文 献
5. 1 引 言
Bruce S. Bernstein
电气绝缘材料用于为地下电缆的导体提供绝缘保护。 绝缘材料包裹住导体, 为电缆提供安全裕度。 这些材料通常是人工或者天然的聚合物。 不同电压等级的电缆选用的绝缘材料也有所不同。 在中压等级的电缆结构中, 聚合物屏蔽材料被挤出在导体和绝缘之间以及绝缘层外表面。 这种材料是在柔软性聚合物基体中掺入炭黑,使该材料具有半导电特性。 在电缆线芯外包裹有金属丝或金属带作为承载中性回流的外导体, 在电缆外导体之外是聚合物护套。
本章的 5. 2 ~ 5. 10 节介绍了主要应用于配电及输电电缆的聚合物绝缘材料, 必
要时也涉及低压电缆材料, 同时也介绍了材料的基本原理。 5. 11 节讨论了低压电
缆的聚合物材料。 5. 12 节介绍了通过注入对老化电缆进行修复的基本方法。 本章
涉及材料的电气特性将放在第 6 章作单独讨论。
到 20 世纪 80 年代初期, 输电级别电缆 ( 运行电压等级高于 46kV) 仍主要使用传统的油浸渍纸绝缘作为电缆绝缘层。 这种工艺是将薄的绝缘纸一层层包绕在电缆线芯上, 然后将包绕好绝缘纸的电缆线芯放进绝缘液体中浸渍。 纸绝缘铅套
( PILC) 电缆也使用在配电电压级别电缆中。 纸绝缘电缆到今天仍在使用, 但是随着人造聚合物材料技术应用的日趋成熟, 在输电电压级别电缆用绝缘材料的选择上, 交联聚乙烯 ( XLPE) 为主的挤出型聚合物绝缘逐渐代替了纸绝缘。 尽管纸绝缘电缆比交联聚乙烯电缆有更长的运行经验及可靠性, 但交联聚乙烯具备优良的可加工性及低廉的成本, 使其成为电缆绝缘材料的首选。 对所有绝缘挤出型电缆, 在整个材料加工及挤出过程中都必须确保超净的工艺条件。
最初用于配电电压级别 (15 ~ 35kV) 电缆的挤包绝缘材料是 20 世纪 60 年代使用的高分子量聚乙烯 ( HMWPE) [1] 。 然而, 在 20 世纪 70 年代晚期至 80 年代早期, 由于水树问题导致的不可预期的早期运行故障 ( 见第 19 章), 这种材料 ( 属热塑性聚合物, 可回收) 被交联聚乙烯 ( XLPE) ( 属热固性聚合物, 不可回收)所代替, 已敷设的聚乙烯绝缘电缆也逐渐更换为交联聚乙烯电缆 ( 或者是对绞合导体电缆进行了现场的注入修复 [ 见 5. 12 节])。 在这一时期, 乙丙橡胶 ( EPR 或
EPDM) 也用于中低压电缆及附件的绝缘。 前缀 “ EP” 一般用来表示 EPR 和 EP-
DM 绝缘电缆, 这里使用术语 “ EPR” 来表示这类电缆。 在 20 世纪 60 年代, EPR
电缆就已经出现, 但由于较高的成本及运行损耗, 其应用并不如 HMWPE 和 XLPE使用广泛。 直到 20 世纪七八十年代, 由于配方工艺的改进, 显著提高了 EPR 绝缘的挤出性能, 从而降低了加工难度及制造成本, 其使用才开始增加。 与 XLPE 相比, XLPE 是一种半结晶态聚合物, 而 EPR 是一种橡胶弹性体, 因此需要通过添加无机矿物填料 ( 或其他添加剂) 来使其能满足功能绝缘的应用, 这就给材料供应商增加了额外的制造工艺流程和加工难度[2] 。
从 20 世纪 80 年代中期开始, 抗水树交联聚乙烯 ( TR- XLPE) 作为新一代配电电缆的绝缘材料, 逐渐代替了交联聚乙烯。 从 20 世纪 80 年代早期到 90 年代晚期, 有一种抗水树交联聚乙烯材料已经在北美实现了商业化应用。 通过对几种不同的改进工艺技术的优化结合, 已有几种 TR- XLPE 材料可供使用[3] 。
尽管在很多电力系统中, 仍使用老式的 HMWPE、 EPR 和 XLPE 绝缘电缆, 但新一代中压电缆的绝缘材料选择应是 TR- XLPE 和 EPR。 必须说明的是, EPR 种类众多, 这里新型材料所指的 EPR 和老式的 EPR 并不是同一个品种, 具体细节会在本章的稍后部分进行详细讨论。
今天使用的 XLPE、 TR- XLPE 和 EPR 等材料最早使用经验可以追溯到第二次世界大战。 如第 1 章所述, 几种应用于电线电缆的早期绝缘材料按发展阶段可划分为天然橡胶、 人造橡胶、 丁基橡胶, 后一种都是前一种的改进版。 即使在很多场合下被乙丙橡胶所代替, 在一般应用中仍采用丁基橡胶。 高分子量聚乙烯以其优异的电气性能和可加工性能也被广泛采用。 在今天的配电系统中, 所有使用丁基橡胶的旧式电缆已经被更换。
聚合物材料, 例如聚乙烯、 交联聚乙烯、 聚丙烯 ( PP) ( 护套材料) 和三元乙丙橡胶都是碳氢聚合物, 通称为聚烯烃。 聚乙烯和聚丙烯是由相同单体聚合而成,而乙丙橡胶是由两种不同化学结构的单体聚合而成的共聚物。 这些聚合物完全是由碳和氢两种元素构成。
可以用其他单体代替丙烯来与乙烯共聚, 可以形成新的聚合物, 如乙烯- 醋酸乙烯共聚物 ( EVA) 和丙烯酸乙酯 ( EEA), 这两种共聚物常用于屏蔽材料 ( 见
5. 7 节)。 用其他烯烃单体与乙烯共聚而成的商品化材料也被称为乙烯烯烃共聚物
( EAM)。
聚烯烃基聚合物绝缘材料的优越性主要表现在:
● 优越的电气性能: 低介电常数、 低功率因数、 高介电强度。
● 优越的耐湿性能。
● 极低的湿气传导性。
● 耐化学溶剂腐蚀。
● 良好的加工性能。
纸绝缘是历史上第一种用于电缆的聚合物绝缘材料, 因为纸可以方便地从自然资源中获取。 绝缘纸提取自木浆, 是一种由纤维素构成的天然聚合物。 在使用时,
绝缘纸要浸渍在电介质液体 ( 一种低分子量烃类) 中, 因此纸绝缘结构实际上由两相构成。 铅护套纸绝缘电缆从 20 世纪早期开始就应用于配电电缆。 其中很大一部分直到现在还在运行, 运行时间已经达到 60 ~ 70 年 ( 甚至更长)。 铅护套纸绝缘电缆具备很高的运行可靠性 ( 部分原因是由于铅护套提供了对外部环境保护),使其成为很多城镇配电的主要选择, 它们也更适合使用在管道或是其他空间受限的场合。 关于纸绝缘将在 5. 10 节中做更详细的讨论。
聚烯烃材料的介质损耗比纸绝缘低, 抗潮湿性能也明显强于纸绝缘。 在纸绝缘电缆设计中通常都要加入防潮护套。
在更低的操作电压等级, 聚合物绝缘材料的选择就变得更加广泛。 可供选择的材料有聚氯乙烯 ( PVC)、 硅橡胶 ( SIR) 以及其他更容易获取和加工的聚合物材料。 PVC 材料曾在欧洲中压电缆 (10 ~ 20kV) 中使用过一段时间, 但不久就中止使用。 PVC 本身是一种质地较硬的聚合物材料, 需要通过加入增塑剂来使其达到线缆应用所需的柔软度。
对于更低电压等级的电缆, 例如次级电缆, 其可靠性受运行温度的影响要高于运行电压或损耗。 此时材料热阻性能必须优先考虑。 在低压等级, 还需考虑材料的一些其他性能, 例如容易获取, 阻燃性能。 这就使氯丁橡胶和氯磺化聚乙烯合成橡胶可以应用在低电压等级上。 这些内容会在 5. 11 节进行讨论。
每种绝缘材料都有其优势与不足, 下表列出了目前中压电缆采用的各种绝缘材料的主要特性:
绝 缘 类 型 | 关 键 特 性 |
聚乙烯交联聚乙烯 乙丙橡胶 抗水树交联聚乙烯纸绝缘铅套电缆 | 低介质损耗 电场作用下易受潮湿环境影响 稍高于聚乙烯的介质损耗 较聚乙烯更好的耐湿性能及更慢的老化速率在干燥环境下性能优异 较 XLPE 及 TR- XLPE 更高的介质损耗 较 XLPE 及 PE 更好的柔软性及耐潮湿性能需添加无机填料 多种不同的配方设计, 部分已申请专利 介质损耗稍高于 XLPE, 低于 EPR 比 XLPE 更好的耐潮湿性, 老化速率更慢 高运行可靠性配有铅护套 |
除了作为最早的绝缘材料, 聚合物材料还用于导体和绝缘屏蔽。 例如在聚合物基体中加入可控浓度的导电炭黑, 以使其具有屏蔽材料所需的半导电特性。 这种方
法是将导电材料分散在聚合物基体中使混合材料具备类似半导电材料的特性, 因此, 所谓的 “ 半导电” 一般是指屏蔽材料。 这种共聚物可以看成是一种具有导电性的载体, 这种载体必须具有与相接触的绝缘间良好的黏结性。
几乎现在所有的挤包绝缘电缆结构中都包含有一层挤包绝缘外护套。 这层护套的作用是阻止水分进入, 增强电缆的机械性能 ( 如保护加工及敷设过程中电缆不受损害, 提高耐磨性), 保护电缆本体不受阳光和紫外线的侵害。 护套材料通常是某种聚乙烯 ( 低密度、 中密度和高密度) 或者聚丙烯, 也可能会在这些材料中加入炭黑以增强其耐光性。 外护套有绝缘和半导电两种类型。 绝缘型护套添加的是不导电的炭黑, 且添加炭黑的浓度较半导电型更低。 而半导电型护套添加的炭黑材料和屏蔽材料中的类似。 对聚合物护套的讨论会放在 5. 8 节中进行。 如前所述, 纸绝缘电缆采用铅套作为外护套。
本章将主要介绍以下内容:
1) 半结晶态聚合物材料的基本特性, 从分子量、 分子量分布、 支链、 结晶度和交联性等几个方面进行探讨。
2) 减少聚烯烃交联性的方法, 过氧化物与抗氧化剂的作用。
3) 聚烯烃的制造工艺。
4) 交联聚乙烯和抗水树交联聚乙烯及其热效应。
5) 乙丙橡胶的特性及其与聚乙烯、 交联聚乙烯和抗水树交联聚乙烯的不同点。
6) 电缆屏蔽和护套的挤出技术。
7) 纸绝缘材料基本原理及与聚合物绝缘的区别。
8) 低压电缆绝缘材料基本原理。
9) 挤包绝缘电缆在线修复的处理工艺。
电气绝缘材料的加工性能和各项性能表现与其物理化学结构密切相关, 后者不仅决定了材料的物理特性, 也影响着其电气性能。 因此理解以上列出的材料基本原理, 对了解绝缘材料的特性至关重要。 通过掌握材料的基本化学结构, 我们甚至可以预测材料的特性。 实质上, 本书将会对材料的结构和性能关系作一个概述。