电力电缆的阻水技术

电力电缆的阻水技术刘召见;常军;房鹏【摘 要】主要介绍了阻水电力电缆在国内外的应用背景及产品具体分类,结合多年 的产品研发和生产实际,对当前电力电缆阻水的一些最新技术和应用效果进行研究 和分析,并重点介绍了结构阻水电力电缆的结构设计及应用效果.期刊名称】电线电缆年(卷),期】2013(000)001【总页数】4页(P12-14,20)关键词】 阻水电力电缆;结构阻水;径向阻水;全阻水 【作 者】 刘召见;常军;房鹏【作者单位】 特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司,山东新泰 271200;特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司,山东新泰 271200;特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司,山东新泰 271200正文语种】 中 文中图分类】 TM2470 引言伴随着交联电缆在我国的大规模应用，因周围环境水分侵入电缆内部而造成绝缘水 树老化并导致电缆击穿的事故逐年增加，越来越多的用户迫切需要具有良好阻水性 能的电缆，以进一步提高电力系统的安全及可靠性。因此，如何设计阻水电力电缆，使其具有良好的阻水结构和更好的阻水方法，以提 高电缆的阻水性能，成为我们当前电力电缆阻水技术研究和分析的关键点。1 应用背景及分类1.1 电力电缆阻水技术的应用背景 在电力工程应用中，电缆通常采用直埋、电缆沟、隧道等敷设方式，难免与水直接 接触，甚至会短期或长期浸泡在水中，致使水分会慢慢渗透到电缆内部。一般的交 联聚乙烯(XLPE )绝缘材料，在电缆运行一段时间后均会产生水树现象，当水树生长 到一定程度将导致电缆绝缘层击穿。自1967年首次发现XLPE绝缘水树老化现象 起，目前水树已被国际上公认为XLPE电缆老化的主要原因之一。据统计，国内城 网10-35 kV电力系统中，地下敷设的普通XLPE绝缘电缆在运行8至12年时会 生长出大量水树，致使交联电缆因水树击穿而寿命缩短、事故频发，严重影响了电 网的安全运行。而其它一些不易产生水树的电缆绝缘材料，如聚氯乙烯(PVC)绝缘 等，也会在长期的水浸泡下逐渐吸收周围环境中的水分，引起绝缘电气性能急剧下 降，最终导致电缆击穿。日本曾对电缆老化现象做过试验和调查，通过对空气中与浸入水中的电缆老化特性 进行比较，有以下结论1:对已运行12年、12.4年、14年的3回77 kV电缆(干法交联、三层共挤结构) 撤出后进行了工频和冲击击穿试验，结果显示其绝缘击穿电压均比运行初期降低 25% -50%。同时，水树分布的考察结果显示，地下电缆因浸水而造成的水树生 长情况比在空气中的情况显著。对275 kV具有径向防水构造的铝包XLPE电缆投产10年后抽检，撤出3条 25 m长电缆做绝缘击穿测试，结果显示其绝缘性能与投产前相近。其领结形水树 的长度最大约为160 pm,被确认对绝缘性能不会造成影响。(3)对仅有普通PVC夕卜护层、含铅箔的简易防水层和铝护套这3种结构的66 kV电 缆，按外部浸水条件做对比测试研究。结果表明，具有径向防水构造的电缆绝缘性 能与初始情况相同，而没有径向防水层的普通PVC外护层电缆，在较短时间内其 绝缘性能已有降低趋势。当电缆需要敷设在水中运行时，一般都需要电缆具有良好的阻水结构，以便阻止水 分侵入电缆内部，对电缆造成损害。从广义概念上来讲，能在水中正常使用的电缆 统称阻水电力电缆。对于一些水位较高或雨量集中的地区都应使用阻水电力电缆， 很多发达国家特别是美国，80%的电缆都是阻水电力电缆（以抗水树电缆为主）。而 受其成本较高等因素所限，目前国内仅有少量场合使用，但随着国内经济发展和用 户需求的提升，阻水电力电缆的使用量将会快速增大。1.2 阻水电力电缆分类 广义上的阻水电力电缆通常分为两大类:材料阻水（防止水树发生）和结构阻水（阻止 水分进入）。目前我们常说的阻水电力电缆是狭义上的阻水电力电缆，即结构阻水， 本文也是重点讨论狭义上的阻水电力电缆，下面分类来进行介绍。材料阻水是指绝缘料使用防水树型材料，如美国陶氏化工公司的HFDB 4202NT EC绝缘料。特变电工鲁缆公司以该种绝缘材料生产的抗水树交联电缆样 品已于2005年通过武高院的检测，试验证明防水树效果很好，并于2007年底完 成新产品鉴定工作，目前已批量出口印度、阿根廷等国家。中压单芯抗水树交联电 缆结构见图1。图1 中压单芯抗水树交联电缆结构示意图（2）结构阻水（即狭义上的阻水电力电缆）一般可分为两类:一类是径向阻水（也称防水 电缆，行业常用FS -表示）;另一类是纵向、径向阻水，在电缆命名方面因没有统一 的国家标准，有公司称阻水电力电缆，也有公司称全阻水电力电缆。为与径向阻水 电力电缆区别，本文称全阻水电力电缆（行业常用 ZS 表示），如图 2 所示3 图2 中压单芯全阻水交联电缆结构示意图2 结构阻水电缆的技术分析 针对上述两类结构阻水型电缆，我们将对工艺技术进行分析，并对实际的生产过程 进行重点介绍。2.1 径向阻水结构 径向阻水电力电缆因结构简单而实际应用比较广泛，常用结构是指在绝缘线芯金属 屏蔽(包带)或成缆线芯包带外纵包一层铝塑复合带(铝塑复合带规格常用0.15 0.25 mm厚度，一般重叠宽度取10 20 mm,也有公司取重叠率15%)，有时也 可根据客户需要纵包一层铜塑复合带，并在纵包时用热风枪加温重叠处进行熔胶焊 接，接着挤制PE护套。以上结构也简称综合防水层，该结构其每天单位面积水分 渗透量为(0.05 -0.1) x10- 8(g/cm2)。而PVC护层材料每天单位面积水分渗透 量为160x10 - 8(g/cm2) , PE护层材料每天单位面积水分渗透量为28x10- 8(g/cm2)。由此可见，综合防水层其径向阻水性能良好。金属护套也是电缆径向阻水常用结构，如铝、铅、铜、不锈钢等。虽然金属护套不 透水，阻水性能优异，但因其生产成本高，一般常用于高压电缆，当然特殊情况下 也使用，如我公司出口孟加拉国33 kV单芯400 mm2等电缆均使用过皱纹铝护 套。同时，中低压海底电缆主要使用铅护套径向阻水。据资料统计，约70%的中 低压海底电缆使用铅护套，25%使用综合防水层(铝塑复合带)，其中综合防水层的 稳定性较好，可长期运行于水下。当前，因国家或行业标准没有具体规定阻水结构，也没规定径向阻水试验方法，目 前不少电缆企业为降低成本采用直接挤制厚度为2.0 mm的聚乙烯(PE)材料作为径 向阻水层，该种结构比较适合电缆短期浸泡在水中的情况，也是德国国家标准推荐 的普通电缆结构。2.2 全阻水结构(1)导体纵向阻水在热带潮湿地区，由于电缆施工安装过程中端头极易进水，所以很多客户需要导体 纵向阻水。导体阻水方法一般是在导体内部及表面填充阻水材料，常用的阻水材料 有阻水粉、阻水带、阻水纱、阻水绳等，但无论是何种材料形式，都是阻水粉在其 中起作用。阻水粉含有丙烯酸钠、单体丙烯酰胺、交联剂、引发剂和去离子水成分，其成分的重量配比是丙烯酸钠60-80份，单体丙烯酰胺20-40份，交联剂0.10.8份， 引发剂0.1 -0.6份，去离子水200份。阻水粉的特点是能吸收比自身重几百或上 千倍的无离子水，但对于有离子水，如海水（含氯化钠0.8%左右） ，阻水粉的膨胀 性能急剧下降，如含国产阻水粉的阻水带在一般水中膨胀10 mm，在海水中只膨 胀2 mm,进口阻水粉略好，但也不到5 mm。目前，还没有公司供应专用于海 水的阻水带。阻水带是实现导体阻水的主要方式。如图3所示，在导体中心线采用单面绝缘阻 水带（常用厚度0.15-0.25 mm）纵包，除外层、中心线外其余采用分层绕包。其 特点为阻水效果好、工艺简单、应用广泛，特别是海底电缆 80%以上使用该结构。图3 导体阻水（绝缘阻水带）结构示意图 经试验证明，因阻水粉与铜导体粘合能力差，阻水效果不理想，常用粘合剂（如硅 油）虽然增加了导体与阻水粉的粘合能力，但却给三层共挤带来隐患，并影响阻水 粉的膨胀效果。在实际生产过程中，主要采用在导体各层前面撒阻水粉（或过阻水 粉槽）。该方式工艺简单，但阻水效果不理想，应用较少。阻水纱被应用在导体单线间隙中，其直径的选择对阻水效果的好坏起到至关重要的 作用。阻水纱阻水效果很好，使用比较普遍，但生产中易断线2、工艺复杂、 成本高。根据以上对比分析，在设备允许的前提下，应优选阻水带，其次阻水纱，最后是阻 水粉。当然，根据公司的实际情况，综合各方面的因素（成本、工艺），也可采用二 者或三者并用。与铜导体相比，铝导体与阻水粉粘合性要好一些，但仍不适合单独 使用阻水粉。铝线的延展性低于铜线，单独用阻水纱，可能会增加导体紧压系数或 增大导体外径，如设计不合理时，容易造成整根断线。总之，铝导体阻水应优选阻 水带。除上述阻水方法以外，根据标准要求，高压电缆用紧压圆形阻水导体外面应包半导 电尼龙带。为达到阻水要求，必须将半导电尼龙带改为半导电阻水绑扎带（带有阻 水粉的一面应面向导体），如采用半导电双面阻水绑扎带可不考虑里外。如单线直 径较大，在导体内部宜选用阻水纱，同样一般不能仅仅用阻水粉阻水。同样，在高压电缆用分割阻水导体中，由于分割块为扇形，一般不能采用分层绕包 阻水带方式，所以常用阻水纱填充，也可用阻水粉配合。分割块成缆时将绝缘皱纹 纸改为绝缘阻水带，中心线由铜绞线（单线）改为阻水绳，半导电尼龙带改为半导电 阻水绑扎带。目前，国产该结构产品已通过凯马试验，并批量出口埃及、巴基斯坦 等国家，例如我公司出口巴西的铝芯138 kV 2000 mm2高压电缆就是采用此种 结构。（2）绝缘屏蔽外阻水结构 对于单芯中压电缆（结构可参考图2），其绝缘屏蔽外阻水结构一般分为三种（低压电 缆也是类似结构）:1）绕包半导电阻水带、铜带屏蔽、无纺布或半导电阻水带，生产 外护套时再纵包铝塑复合带;2）绕包半导电阻水带、铜丝屏蔽、半导电阻水带，生 产外护套时再纵包铝塑复合带；3）用挤出PE层代替铝塑复合带阻水。其中半导电阻 水带的厚度一般为0.3 mm。上述三种结构是最常见的结构，其中前两种结构得到 电缆行业的广泛认可。对于多芯中压电缆，其绝缘屏蔽外阻水结构一般分为两种（低压电缆也是类似结 构）:1）分相阻水即其结构类同单芯电缆；2）不分相阻水，即如图4所示，其具体结构 为绝缘屏蔽+半导电阻水带+铜带+（半导电阻水带），成缆时填充阻水绳、绕包阻水 带，并纵包铝塑复合带等。从实际应用情况来看，目前 80%的综合阻水层海底电缆都是分相阻水结构，且相 比于不分相阻水结构在施工过程中容易出现损伤阻水层等事故，分相阻水效果更好， 但生产成本较高。图4 三芯中压全阻水电力电缆(不分相)结构示意图3 结论(1) 对于单纯径向阻水结构，在用户没有特殊要求时，可用挤制PE层作为防水层。(2) 对于导体阻水结构，优先选用阻水带。若设备不满足上述结构要求时，再选阻 水纱或混合结构阻水，但不能单独采用阻水粉阻水。(3) 对于中压全阻水结构，应采用阻水带作为纵向阻水、铝塑复合带作为径向阻水。(4) 鉴于阻水粉的膨胀与介质有着密切关系，特别是在海水中(有机介质)应用时，若 没有专用阻水粉，应选用进口阻水粉。参考文献:【相关文献】1吴倩，刘毅刚高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评J 广东电力，2003(4):1-6. 2 陈佶民，刘旌平，曾纪刚.电缆纵向水密封性能检测技术研究 J .电线电缆，2005(3):27-29.3李 涛，岑 锐.阻水型中高压交联电缆阻水机理及结构的探讨 J .电线电缆，2008(2):36-37.