淺談高壓XLPE絕緣電力電纜外護(hù)套材料的選擇

胡超

摘? 要：該文首先闡述了高壓XLPE絕緣電力電纜外護(hù)套材料的類型，其次探討了絕緣電力電纜外護(hù)套在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的主要問題，最后結(jié)合實(shí)踐從機(jī)械性能、電性能和光老化等多個方面探討外護(hù)套材料的理化性能。希望與同行共同分享經(jīng)驗(yàn)，能夠更科學(xué)合理地選用外護(hù)套材料，保證選用的外護(hù)套材料能在不同運(yùn)行環(huán)境下體現(xiàn)出良好的適用性，推動高壓電力系統(tǒng)安全、有效地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓XLPE;電力電纜;外護(hù)套材料;選擇方法

中圖分類號：TM215? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高壓交聯(lián)聚乙烯（GHCI）絕緣電力電纜（>66 kV）的構(gòu)成以導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層金屬護(hù)套和非金屬外護(hù)套等為主。其中，非金屬外護(hù)套是電力電纜的最外層，其作用在如下2個方面有所體現(xiàn)，即保護(hù)金屬防護(hù)套結(jié)構(gòu)完整性以及防止金屬護(hù)套因?yàn)槎帱c(diǎn)接地而形成環(huán)流。有研究發(fā)現(xiàn)，XLPE絕緣電力電纜導(dǎo)體正常運(yùn)行的最高溫度為90℃，因此站在導(dǎo)體作業(yè)溫度上分析，可以將外護(hù)套分為2個類型，分別是以PVC、PE為基料的ST2與ST7的外護(hù)套混合料。但是因?yàn)楦邏弘娎|運(yùn)行方式的特殊性，對外護(hù)套材料的屬性提出較高要求。基于此，筆者結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做出較詳細(xì)的分析。

1 高壓XLPE絕緣電力電纜外護(hù)套常見類型

結(jié)合電纜導(dǎo)體正常運(yùn)行的最高溫度，可以將外護(hù)套分為2種類型：1）以PVC為基料的代號是ST2的外護(hù)套混合料;2）以PE為基料的代號是ST7的外護(hù)套混合料。

PVC類電纜外護(hù)套主要有軟PVC、軟阻燃PVC、半硬質(zhì)PVC、防蚊半硬質(zhì)PVC及低煙低鹵阻燃PVC。PE類主要有線性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、防蟻（HDPE）等。其中以PE為基料的代號ST3的外護(hù)套混合料對應(yīng)的電纜導(dǎo)體運(yùn)行時(shí)的最高溫度為80 ℃，ST7為90 ℃;以PVC為基料的代號ST1對應(yīng)的最高溫度為80 ℃，ST2為90 ℃。

2 電纜外護(hù)套運(yùn)行期間的常見問題

2.1 完工試驗(yàn)擊穿，被迫探查擊穿位點(diǎn)

外護(hù)套10 kV? 1 min直流耐壓不達(dá)標(biāo)的情況基本在全國各地均存在，象大連一回路66 kV長度為2.6 km XLPE絕緣電纜民港線直接敷設(shè)，選用了PVC外護(hù)套，完工試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)10 kV? 1 min耐壓試驗(yàn)一相擊穿。沈陽崇山路變電站66 kV國產(chǎn)同類電纜PVC外護(hù)套僅大于200 m，雙回6條竣工試驗(yàn)時(shí)，合格與不合格分別占50.0%，且每回線均存在不合格的情況，無法進(jìn)行正常送電，經(jīng)探查處理數(shù)日后，依然不合格。

2.2 運(yùn)行中金屬屏蔽層被環(huán)流損傷

沈陽電業(yè)局66 kV? XLPE絕緣電纜南青線B相，電纜長度為800 m，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到2年后，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)外護(hù)套絕緣電阻為0.5 MΩ，并在后續(xù)的幾年中有持續(xù)降低的趨勢，最后降低至15 kΩ，經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)有環(huán)流出現(xiàn)，探查到接地位點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)PVC外護(hù)套上形成一個長度為350 mm的樹枝裂紋，波紋鋁護(hù)套上部存有>30 mm2的燒穿孔洞。

3 外護(hù)套材料主要性能的分析

3.1 機(jī)械性能

有資料記載，PE、軟PVC的抗張力強(qiáng)度分別為≥20.0 MPa、≥16.0 MPa，斷裂伸長率為≥650%、≥180%，老化后抗張強(qiáng)度變化率為±20%、±20%，邵氏D級硬度為54～58、36～40。對以上數(shù)據(jù)整體分析后，發(fā)現(xiàn)PE的機(jī)械性能相對優(yōu)良，其在抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率2個方面均占據(jù)優(yōu)勢。而傳統(tǒng)的軟PVC的邵氏D級硬度為36～40，其在≤35 kV電線電纜的絕緣或護(hù)套領(lǐng)域中表現(xiàn)出較高的適用性。當(dāng)高壓電纜應(yīng)用軟PVC護(hù)套材料后，因?yàn)閮?nèi)電纜自重較大，因此在現(xiàn)場敷設(shè)過程中，外護(hù)套結(jié)構(gòu)完整性被刮損、異物扎進(jìn)等情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)會相應(yīng)增加，一方面使廠家承受較大的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面在探查故障位點(diǎn)過程中也會拖延現(xiàn)場施工進(jìn)度，這提示選用該種護(hù)套材料不合適。而半硬質(zhì)阻燃PVC的邵氏D級硬度為50～55，有益于提升外護(hù)套的耐磨損性，符合高壓電纜敷設(shè)施工的基本要求。

3.2 電性能

在20 ℃時(shí)，PE（防蟻PE）、半硬質(zhì)PVC材料、軟PVC對應(yīng)的體積電阻率分別為≥1×1 014 Ω/m、≥5×1 014 Ω/m、≥1×1 012 Ω/m;以上3種防護(hù)材料對應(yīng)的介電強(qiáng)度依次為≥25 kV/mm、≥20 kV/mm、≥20 kV/mm。由此可見，PE護(hù)套材料的電性能優(yōu)良，其介電強(qiáng)度≥25 kV/mm，體積電阻率≥1 014 Ω/m，這提示該種材料隨著環(huán)境溫度的改變而體積電阻率不會出現(xiàn)明顯變動。而對于PVC類材料，溫度的上升，其體積電阻率有持續(xù)降低的趨勢，將其作為高壓電纜的絕緣材料，20 ℃對應(yīng)的絕緣電阻大概是40 ℃時(shí)的16倍。因?yàn)镻VC類材料對溫度表現(xiàn)出高度敏感性，如果電纜護(hù)套時(shí)選用PVC類材料，在應(yīng)用過程中遇到護(hù)套絕緣電阻偏低或泄露的電流較大的情況時(shí)，可以采用降低護(hù)套溫度指標(biāo)或更換一臺泄漏電流相對較大的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。在不能調(diào)整護(hù)套溫度的情況下，用戶應(yīng)對PVC類護(hù)套絕緣電阻正常取值范圍有明確掌握。

3.3 光老化

PE材料光老化發(fā)生的概率相對較大，PE自身無吸收光線的基團(tuán)，其出現(xiàn)光氧降解的成因是由于聚合物合成與加工環(huán)節(jié)中體內(nèi)殘余少量過渡金屬與誘發(fā)劑殘基，或聚合物鏈被含有微量過氧化氫基團(tuán)等。以上生色基團(tuán)會對紫外光形成強(qiáng)吸收作用，促進(jìn)聚合物光氧降解反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展過程，造成PE護(hù)套在有紫外線照射的環(huán)境條件下出現(xiàn)裂痕。黑色PE類護(hù)套材料內(nèi)有炭黑，著色是其基礎(chǔ)作用，其對紫外線還能具有良好的吸收功效。若炭黑含量在（2.61±0.25）%區(qū)間內(nèi)取值，其分散度≤Ⅲ級時(shí)，在30年中護(hù)套的殘余斷裂伸長率會≥80%，這提示其符合電纜30年的使用壽命。

彩色的PE護(hù)套材料中無炭黑，因此在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)混合適量UV穩(wěn)定劑，其對護(hù)套光老化過程能形成較明顯的抑制作用。但最近幾年中有實(shí)踐指出，即便是彩色PE防護(hù)套中加入U(xiǎn)V穩(wěn)定劑，在陽光長時(shí)間的暴曬作用下，該類PE護(hù)套也很難符合電纜的壽命要求，這提示UV穩(wěn)定劑具有一定時(shí)效性。一項(xiàng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，紅色PE護(hù)套在強(qiáng)陽光長時(shí)間的照射下，3年后斷裂伸長率就有明顯降低的趨勢8年后斷裂伸長率僅為10%，老化現(xiàn)象極為嚴(yán)重。

3.4 吸水性

普通PE（LLDPE、MDPE與HDPE）的吸水值為0.883 mg/cm2、阻燃PE為169.2 mg/cm2、PVC類護(hù)套為164.6 mg/cm2。分析后發(fā)現(xiàn)，PE材料在防水防潮性方面占據(jù)很大優(yōu)勢，而阻燃PE與PVC類材料的吸水值基本無差異，均相對較大。因此，立足于高壓電力電纜的運(yùn)行實(shí)況，發(fā)現(xiàn)阻燃PE材料的應(yīng)用效果并不理想，這主要是由于阻燃PE內(nèi)含有大量的添加劑，其造成PE初有優(yōu)良的機(jī)械物理性能形成巨大影響。正因如此，電纜在排管敷設(shè)、地下直埋或有防水要求時(shí)，建議選用普通PE護(hù)套材料進(jìn)行。

4 結(jié)語

非金屬外護(hù)套對保護(hù)電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的影響是極為深刻的，外護(hù)套質(zhì)量與電纜的使用年限之間存在明顯的相關(guān)性。該文對PE與PVC不同護(hù)套材料的性能進(jìn)行分析與對比，希望能協(xié)助用戶對非金屬護(hù)套的性能有更全面的認(rèn)知，立足實(shí)踐，合理選擇與應(yīng)用，確保電纜設(shè)施能在壽命期中安穩(wěn)運(yùn)行。

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