電力電纜的阻水技術(shù)

劉召見， 常 軍， 房 鵬

(特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271200)

0 引言

伴隨著交聯(lián)電纜在我國的大規(guī)模應(yīng)用，因周圍環(huán)境水分侵入電纜內(nèi)部而造成絕緣水樹老化并導(dǎo)致電纜擊穿的事故逐年增加，越來越多的用戶迫切需要具有良好阻水性能的電纜，以進一步提高電力系統(tǒng)的安全及可靠性。

因此，如何設(shè)計阻水電力電纜，使其具有良好的阻水結(jié)構(gòu)和更好的阻水方法，以提高電纜的阻水性能，成為我們當(dāng)前電力電纜阻水技術(shù)研究和分析的關(guān)鍵點。

1 應(yīng)用背景及分類

1.1 電力電纜阻水技術(shù)的應(yīng)用背景

在電力工程應(yīng)用中，電纜通常采用直埋、電纜溝、隧道等敷設(shè)方式，難免與水直接接觸，甚至?xí)唐诨蜷L期浸泡在水中，致使水分會慢慢滲透到電纜內(nèi)部。一般的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣材料，在電纜運行一段時間后均會產(chǎn)生水樹現(xiàn)象，當(dāng)水樹生長到一定程度將導(dǎo)致電纜絕緣層擊穿。自1967年首次發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣水樹老化現(xiàn)象起，目前水樹已被國際上公認為XLPE電纜老化的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)城網(wǎng)10～35 kV電力系統(tǒng)中，地下敷設(shè)的普通XLPE絕緣電纜在運行8至12年時會生長出大量水樹，致使交聯(lián)電纜因水樹擊穿而壽命縮短、事故頻發(fā)，嚴重影響了電網(wǎng)的安全運行。而其它一些不易產(chǎn)生水樹的電纜絕緣材料，如聚氯乙烯(PVC)絕緣等，也會在長期的水浸泡下逐漸吸收周圍環(huán)境中的水分，引起絕緣電氣性能急劇下降，最終導(dǎo)致電纜擊穿。

日本曾對電纜老化現(xiàn)象做過試驗和調(diào)查，通過對空氣中與浸入水中的電纜老化特性進行比較，有以下結(jié)論［1］:

(1)對已運行12年、12.4年、14年的3回77 kV電纜(干法交聯(lián)、三層共擠結(jié)構(gòu))撤出后進行了工頻和沖擊擊穿試驗，結(jié)果顯示其絕緣擊穿電壓均比運行初期降低25% ～50%。同時，水樹分布的考察結(jié)果顯示，地下電纜因浸水而造成的水樹生長情況比在空氣中的情況顯著。

(2)對275 kV具有徑向防水構(gòu)造的鋁包XLPE電纜投產(chǎn)10年后抽檢，撤出3條25 m長電纜做絕緣擊穿測試，結(jié)果顯示其絕緣性能與投產(chǎn)前相近。其領(lǐng)結(jié)形水樹的長度最大約為160 μm，被確認對絕緣性能不會造成影響。

(3)對僅有普通PVC外護層、含鉛箔的簡易防水層和鋁護套這3種結(jié)構(gòu)的66 kV電纜，按外部浸水條件做對比測試研究。結(jié)果表明，具有徑向防水構(gòu)造的電纜絕緣性能與初始情況相同，而沒有徑向防水層的普通PVC外護層電纜，在較短時間內(nèi)其絕緣性能已有降低趨勢。

當(dāng)電纜需要敷設(shè)在水中運行時，一般都需要電纜具有良好的阻水結(jié)構(gòu)，以便阻止水分侵入電纜內(nèi)部，對電纜造成損害。從廣義概念上來講，能在水中正常使用的電纜統(tǒng)稱阻水電力電纜。對于一些水位較高或雨量集中的地區(qū)都應(yīng)使用阻水電力電纜，很多發(fā)達國家特別是美國，80%的電纜都是阻水電力電纜(以抗水樹電纜為主)。而受其成本較高等因素所限，目前國內(nèi)僅有少量場合使用，但隨著國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展和用戶需求的提升，阻水電力電纜的使用量將會快速增大。

1.2 阻水電力電纜分類

廣義上的阻水電力電纜通常分為兩大類:材料阻水(防止水樹發(fā)生)和結(jié)構(gòu)阻水(阻止水分進入)。目前我們常說的阻水電力電纜是狹義上的阻水電力電纜，即結(jié)構(gòu)阻水，本文也是重點討論狹義上的阻水電力電纜，下面分類來進行介紹。

(1)材料阻水是指絕緣料使用防水樹型材料，如美國陶氏化工公司的HFDB 4202NT EC絕緣料。特變電工魯纜公司以該種絕緣材料生產(chǎn)的抗水樹交聯(lián)電纜樣品已于2005年通過武高院的檢測，試驗證明防水樹效果很好，并于2007年底完成新產(chǎn)品鑒定工作，目前已批量出口印度、阿根廷等國家。中壓單芯抗水樹交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 中壓單芯抗水樹交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

(2)結(jié)構(gòu)阻水(即狹義上的阻水電力電纜)一般可分為兩類:一類是徑向阻水(也稱防水電纜，行業(yè)常用FS－表示);另一類是縱向、徑向阻水，在電纜命名方面因沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，有公司稱阻水電力電纜，也有公司稱全阻水電力電纜。為與徑向阻水電力電纜區(qū)別，本文稱全阻水電力電纜(行業(yè)常用 ZS－ 表示)，如圖2 所示［3］。

圖2 中壓單芯全阻水交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)阻水電纜的技術(shù)分析

針對上述兩類結(jié)構(gòu)阻水型電纜，我們將對工藝技術(shù)進行分析，并對實際的生產(chǎn)過程進行重點介紹。

2.1 徑向阻水結(jié)構(gòu)

徑向阻水電力電纜因結(jié)構(gòu)簡單而實際應(yīng)用比較廣泛，常用結(jié)構(gòu)是指在絕緣線芯金屬屏蔽(包帶)或成纜線芯包帶外縱包一層鋁塑復(fù)合帶(鋁塑復(fù)合帶規(guī)格常用0.15～0.25 mm厚度，一般重疊寬度取10～20 mm，也有公司取重疊率15%)，有時也可根據(jù)客戶需要縱包一層銅塑復(fù)合帶，并在縱包時用熱風(fēng)槍加溫重疊處進行熔膠焊接，接著擠制PE護套。以上結(jié)構(gòu)也簡稱綜合防水層，該結(jié)構(gòu)其每天單位面積水分滲透量為 (0.05 ～0.1) ×10－8(g/cm2)。而PVC護層材料每天單位面積水分滲透量為160×10－8(g/cm2)，PE護層材料每天單位面積水分滲透量為28×10－8(g/cm2)。由此可見，綜合防水層其徑向阻水性能良好。

金屬護套也是電纜徑向阻水常用結(jié)構(gòu)，如鋁、鉛、銅、不銹鋼等。雖然金屬護套不透水，阻水性能優(yōu)異，但因其生產(chǎn)成本高，一般常用于高壓電纜，當(dāng)然特殊情況下也使用，如我公司出口孟加拉國33 kV單芯400 mm2等電纜均使用過皺紋鋁護套。同時，中低壓海底電纜主要使用鉛護套徑向阻水。據(jù)資料統(tǒng)計，約70%的中低壓海底電纜使用鉛護套，25%使用綜合防水層(鋁塑復(fù)合帶)，其中綜合防水層的穩(wěn)定性較好，可長期運行于水下。

當(dāng)前，因國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有具體規(guī)定阻水結(jié)構(gòu)，也沒規(guī)定徑向阻水試驗方法，目前不少電纜企業(yè)為降低成本采用直接擠制厚度為2.0 mm的聚乙烯(PE)材料作為徑向阻水層，該種結(jié)構(gòu)比較適合電纜短期浸泡在水中的情況，也是德國國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的普通電纜結(jié)構(gòu)。

2.2 全阻水結(jié)構(gòu)

(1)導(dǎo)體縱向阻水

在熱帶潮濕地區(qū)，由于電纜施工安裝過程中端頭極易進水，所以很多客戶需要導(dǎo)體縱向阻水。導(dǎo)體阻水方法一般是在導(dǎo)體內(nèi)部及表面填充阻水材料，常用的阻水材料有阻水粉、阻水帶、阻水紗、阻水繩等，但無論是何種材料形式，都是阻水粉在其中起作用。

阻水粉含有丙烯酸鈉、單體丙烯酰胺、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和去離子水成分，其成分的重量配比是丙烯酸鈉60～80份，單體丙烯酰胺20～40份，交聯(lián)劑0.1～0.8份，引發(fā)劑 0.1 ～0.6 份，去離子水200份。阻水粉的特點是能吸收比自身重幾百或上千倍的無離子水，但對于有離子水，如海水(含氯化鈉0.8%左右)，阻水粉的膨脹性能急劇下降，如含國產(chǎn)阻水粉的阻水帶在一般水中膨脹10 mm，在海水中只膨脹2 mm，進口阻水粉略好，但也不到5 mm。目前，還沒有公司供應(yīng)專用于海水的阻水帶。

阻水帶是實現(xiàn)導(dǎo)體阻水的主要方式。如圖3所示，在導(dǎo)體中心線采用單面絕緣阻水帶(常用厚度0.15～0.25 mm)縱包，除外層、中心線外其余采用分層繞包。其特點為阻水效果好、工藝簡單、應(yīng)用廣泛，特別是海底電纜80%以上使用該結(jié)構(gòu)。

圖3 導(dǎo)體阻水(絕緣阻水帶)結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)試驗證明，因阻水粉與銅導(dǎo)體粘合能力差，阻水效果不理想，常用粘合劑(如硅油)雖然增加了導(dǎo)體與阻水粉的粘合能力，但卻給三層共擠帶來隱患，并影響阻水粉的膨脹效果。在實際生產(chǎn)過程中，主要采用在導(dǎo)體各層前面撒阻水粉(或過阻水粉槽)。該方式工藝簡單，但阻水效果不理想，應(yīng)用較少。

阻水紗被應(yīng)用在導(dǎo)體單線間隙中，其直徑的選擇對阻水效果的好壞起到至關(guān)重要的作用。阻水紗阻水效果很好，使用比較普遍，但生產(chǎn)中易斷線［2］、工藝復(fù)雜、成本高。

根據(jù)以上對比分析，在設(shè)備允許的前提下，應(yīng)優(yōu)選阻水帶，其次阻水紗，最后是阻水粉。當(dāng)然，根據(jù)公司的實際情況，綜合各方面的因素(成本、工藝)，也可采用二者或三者并用。與銅導(dǎo)體相比，鋁導(dǎo)體與阻水粉粘合性要好一些，但仍不適合單獨使用阻水粉。鋁線的延展性低于銅線，單獨用阻水紗，可能會增加導(dǎo)體緊壓系數(shù)或增大導(dǎo)體外徑，如設(shè)計不合理時，容易造成整根斷線。總之，鋁導(dǎo)體阻水應(yīng)優(yōu)選阻水帶。

除上述阻水方法以外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，高壓電纜用緊壓圓形阻水導(dǎo)體外面應(yīng)包半導(dǎo)電尼龍帶。為達到阻水要求，必須將半導(dǎo)電尼龍帶改為半導(dǎo)電阻水綁扎帶(帶有阻水粉的一面應(yīng)面向?qū)w)，如采用半導(dǎo)電雙面阻水綁扎帶可不考慮里外。如單線直徑較大，在導(dǎo)體內(nèi)部宜選用阻水紗，同樣一般不能僅僅用阻水粉阻水。

同樣，在高壓電纜用分割阻水導(dǎo)體中，由于分割塊為扇形，一般不能采用分層繞包阻水帶方式，所以常用阻水紗填充，也可用阻水粉配合。分割塊成纜時將絕緣皺紋紙改為絕緣阻水帶，中心線由銅絞線(單線)改為阻水繩，半導(dǎo)電尼龍帶改為半導(dǎo)電阻水綁扎帶。目前，國產(chǎn)該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品已通過凱馬試驗，并批量出口埃及、巴基斯坦等國家，例如我公司出口巴西的鋁芯138 kV 2000 mm2高壓電纜就是采用此種結(jié)構(gòu)。

(2)絕緣屏蔽外阻水結(jié)構(gòu)

對于單芯中壓電纜(結(jié)構(gòu)可參考圖2)，其絕緣屏蔽外阻水結(jié)構(gòu)一般分為三種(低壓電纜也是類似結(jié)構(gòu)):1)繞包半導(dǎo)電阻水帶、銅帶屏蔽、無紡布或半導(dǎo)電阻水帶，生產(chǎn)外護套時再縱包鋁塑復(fù)合帶;2)繞包半導(dǎo)電阻水帶、銅絲屏蔽、半導(dǎo)電阻水帶，生產(chǎn)外護套時再縱包鋁塑復(fù)合帶;3)用擠出PE層代替鋁塑復(fù)合帶阻水。其中半導(dǎo)電阻水帶的厚度一般為0.3 mm。上述三種結(jié)構(gòu)是最常見的結(jié)構(gòu)，其中前兩種結(jié)構(gòu)得到電纜行業(yè)的廣泛認可。

對于多芯中壓電纜，其絕緣屏蔽外阻水結(jié)構(gòu)一般分為兩種(低壓電纜也是類似結(jié)構(gòu)):1)分相阻水即其結(jié)構(gòu)類同單芯電纜;2)不分相阻水，即如圖4所示，其具體結(jié)構(gòu)為絕緣屏蔽+半導(dǎo)電阻水帶+銅帶+(半導(dǎo)電阻水帶)，成纜時填充阻水繩、繞包阻水帶，并縱包鋁塑復(fù)合帶等。

從實際應(yīng)用情況來看，目前80%的綜合阻水層海底電纜都是分相阻水結(jié)構(gòu)，且相比于不分相阻水結(jié)構(gòu)在施工過程中容易出現(xiàn)損傷阻水層等事故，分相阻水效果更好，但生產(chǎn)成本較高。

圖4 三芯中壓全阻水電力電纜(不分相)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

(1)對于單純徑向阻水結(jié)構(gòu)，在用戶沒有特殊要求時，可用擠制PE層作為防水層。

(2)對于導(dǎo)體阻水結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選用阻水帶。若設(shè)備不滿足上述結(jié)構(gòu)要求時，再選阻水紗或混合結(jié)構(gòu)阻水，但不能單獨采用阻水粉阻水。

(3)對于中壓全阻水結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用阻水帶作為縱向阻水、鋁塑復(fù)合帶作為徑向阻水。

(4)鑒于阻水粉的膨脹與介質(zhì)有著密切關(guān)系，特別是在海水中(有機介質(zhì))應(yīng)用時，若沒有專用阻水粉，應(yīng)選用進口阻水粉。

［1］吳 倩，劉毅剛.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術(shù)述評［J］.廣東電力，2003(4):1-6.

［2］陳佶民，劉旌平，曾紀剛.電纜縱向水密封性能檢測技術(shù)研究［J］.電線電纜，2005(3):27-29.

［3］李 濤，岑 銳.阻水型中高壓交聯(lián)電纜阻水機理及結(jié)構(gòu)的探討［J］.電線電纜，2008(2):36-37.