交聯聚乙烯絕緣使用壽命及其影響因素的研究

田馳 徐鋼 劉暢

【摘 要】交聯聚乙烯電纜絕緣料，簡稱XLPE是以電纜專用低密度聚乙烯（LDPE）為基礎樹脂，加入過氧化物體系，抗氧化物體系等，經過特殊的工藝制成的電纜絕緣料，改型后其各方面性能得到了大幅度改善，如力學性能，耐應力開裂性能和電性能等 [1]。本文針對用戶使用中出現的問題，通過試驗數據分析，討論了光、氧、熱三者對交聯聚乙烯絕緣電纜（以下簡稱XLPE電纜）使用壽命及安全運行的影響，并提出了使用中須采取有效保護措施保障電力穩定輸送的建議。

【關鍵詞】交聯聚乙烯絕緣電纜 使用壽命 絕緣層斷裂 影響

1 引言

近年來，XLPE電纜憑借結構輕便，施工簡單，維護運行容易等優點應用于各個領域。但某用戶使用時發現，安裝在設備內部的電力電纜，運行2年后，接線端部的線芯絕緣層發生竹節龜裂現象。該電纜為低壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜，型號為YJV 0.6/1kV 4*16。

2 試驗分析

現場觀察，電纜端頭接線部分線芯裸露在護套外部約10cm左右。絕緣層表面呈龜裂，脆化無彈性。其中紅色線芯最為明顯，顏色啞光半透明，可用手將絕緣材料掰成小碎塊，斷裂處呈白色參差狀。為查明絕緣斷裂是材料質量不達標還是使用方法不規范所致，本文取該型號電纜的三處不同使用部位作為研究樣本，如下：

（1）包覆在護套內部的電纜絕緣層；（2）安裝在室外的電纜絕緣層（自然光照射）；（3）安裝在設備內部的電纜絕緣層（設備內部光源照射）。

在例行試驗和型式試驗中，抗張強度和斷裂伸長率是反映絕緣本身性能是否達標的主要參數。GB/T12706.1-2008規定，XLPE絕緣抗張強度應不小于12.5N/mm2，斷裂伸長率應不小于200%。按照GB/T2951.11-2008試驗方法，選取足夠長度XLPE絕緣層作為研究對象。不同位置絕緣層試驗數據見表1。

表1 不同位置的XLPE絕緣層試驗數據

線芯

顏色 抗張強度N/mm2 斷裂伸長率%

位置1 位置2 位置3 位置1 位置2 位置3

紅 14.5 6.8 8.9 328 65 98

黃 14.6 7.2 10.3 336 94 128

藍 15.0 8.4 9.8 350 102 140

綠 14.3 7.0 10.1 322 88 98

由于無法獲得安裝前絕緣材料原始參數，故主要以位置1為參考值。數據顯示，位置1試樣絕緣抗張強度在（14.3～15.0）N/mm2范圍內，斷裂伸長率在（322～328）%區間，均達到標準規定值，屬合格產品。位置2和位置3中，絕緣機械性能明顯下降。位置2的絕緣抗張強度降低約50%，斷裂伸長率數值降低約70%。其中，紅色線芯絕緣性能下降幅度最大，斷裂伸長率降低了80%。位置3抗張強度和斷裂伸長率降低幅度達到30%和60%以上。可見，由于使用位置和安裝方式的不同，經長期使用后電纜在各部位的絕緣性能差異較大。有護套包覆的絕緣材料性能比較穩定，可繼續使用；無外護套的部分，由于受到外界環境的影響，絕緣材料外觀龜裂，性能降低，遠低于國家標準規定值。在所有顏色的絕緣線芯中，紅色線芯機械性能最差，也進一步解釋了其表面龜裂現象更嚴重的問題。

3 影響因素分析

當安裝電纜或是固定終端時，電纜接頭處絕緣層若未經保護處理，裸露在外的部分將在光、氧、熱三者的共同作用下，引起高分子材料的斷裂老化[2]。

（1）光加速了交聯聚乙烯的開裂。對高分子材料而言，最易造成破壞是紫外光，波長介于 290～400 nm 之間。以聚乙烯為例，在較強的紫外光長期照射下，會引入較多的含氧基團，聚合物鏈大量斷裂，分子量降低，分子量分布加寬，發生光氧化降解。本文研究的紅、黃、綠、藍這四種顏色線芯中，紅色可見光波最長，吸收大量紫外線，形成了較多含羰基分解產物和發色團，進一步加重了其顏色的變化。（2）氧氣促進了老化進程。長期曝露在空氣中的絕緣，除光老化外，還會受到氧氣的影響。氧化反應包括聚合物氧化、斷裂降解等過程，終極產物包括羰基化合物、過氧化物、烷氧基化合物等。研究表明，在無氧條件下受熱，交聯聚乙烯等聚烯烴類材料特性是穩定的。而在有氧環境下，即使溫度較低，聚稀烴類材料也能發生氧化反應。尤其光輻射積累一定時間后，會引起材料溫度上升，加速與氧氣的反應速度，推進斷裂老化進程。（3）熱機械性能的化。載荷運行時導體和絕緣產生熱量，達到一定工作溫度將發生熱伸縮和熱應力變化，且熱伸縮過程復雜，受熱時發生熱膨脹和塑性收縮。熱脹冷縮是可逆過程，而熱收縮是不可逆的[3]。尤其在頻繁的電力通斷切換條件下，會引起電纜溫度起伏，導致塑性變形增大，收縮量增加，影響絕緣壽命和性能。

光、氧、熱三者對絕緣材料的作用是相輔相成的[4]，是一種協同作用的方式。光老化作用促進了含羰基分解產物和發色團的產生，在氧和熱的協同下，使得發色團的官能基進一步增加，同時也促進了光化學反應中的氧在材料中的擴散。

4 使用建議

通常在生產電纜時，外護套材料需添加光穩定劑、紫外線吸收劑和抗氧劑等。而絕緣材料一般沒有這方面的考慮。因此，在電力電纜施工時需要對接線端部作以處理。電力部門通常對裸露的絕緣層外進行繞包保護，或加設熱收縮套管、絕緣膠帶等等，很大程度上防止了絕緣層受外環境影響而老化開裂。相關設計、使用規范對電纜安裝時的終端保護措施也做了規定要求。G B/T 50168-2006第 6. 2. 3 條和G B/T50217-2007第 5. 1. 12條都提出對裸露的絕緣層進行保護措施的要求。為此，延長電力電纜的使用壽命，不僅要注重直埋、管道、豎井敷設等各個主要環節的安全防范，更要在細節上處理好接線終端絕緣層的保護措施，尤其是戶外終端的預防措施，以保障電力電纜長期穩定可靠的運行。

參考文獻：

[1] 蔣佩南，鄭長勝，王國興.交聯電纜的發展動向與需求預測[J].供用電，1995（01）：10-12.

[2] 韓雪梅.交聯聚乙烯絕緣料在電線電纜中的地位[J].化學與黏合，2008，53-56.

[3] 王柏東，程仁良，戴忠華，楊吉成，劉鵬，盧文躍等.電纜開裂原因分析[J].核電工程與技術，2005（3）.