淺談電力電纜絕緣的分類與發展

高翾宇 王然 閆洪瑞 商朝陽 楊家銘

摘 ? 要：隨著科技的發展和經濟改革的深化，人們的生活水平得到極大提高，電能在日常生活中也扮演著越來越重要的角色。作為傳輸電磁能信息和實現電磁能轉換的線材產品，電線電纜在電能系統中起“神經”的作用。電力電纜絕緣層的發展經歷了天然橡膠、聚氯乙烯、合成橡膠、聚乙烯以及交聯聚乙烯等階段。為適應現代不斷提高的輸電要求，許多新興電纜也不斷問世。本文簡述了橡皮絕緣、塑料絕緣、浸漬紙絕緣、充油電纜、充氣電纜五大電力電纜的發展及特性。

關鍵詞：電力電纜 ?橡皮絕緣 ?塑料絕緣

中圖分類號：TM247 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0026-02

1 ?電力電纜絕緣的概述

電力電纜是指電力系統的主干線路中，用以傳輸和分配大功率電能的電纜，主要由線芯、絕緣和護層3個部分組成，其中絕緣起承受電壓的作用。在運行過程中，絕緣層一定程度上決定了電力電纜的耐壓等級，也就決定了適用場合。按絕緣材料可將電力電纜分為橡皮絕緣、塑料絕緣、浸漬紙絕緣、充油電纜、充氣電纜。本文主要對橡皮絕緣和塑料絕緣的發展及特性進行了簡要分析。

2 ?電力電纜絕緣的分類及發展

2.1 橡皮絕緣電力電纜

橡皮是硫化后的橡膠，結構為網狀。由于液固組合絕緣變為固體絕緣，馬來樹膠（雙環戊二烯）最先得到應用。隨著化學合成工業的發展，橡皮絕緣電力電纜得到了迅速發展。現在使用的多為天然橡膠（聚異戊二烯）、丁苯橡膠（丁二烯、苯乙烯聚合）、丁基橡膠（異丁烯、異戊二烯聚合）、氯丁橡膠和乙丙橡膠（乙烯、丙烯共聚，又稱二元乙丙橡膠）。前4種由于多含不飽和雙鍵，故耐臭氧性、耐老化性較弱，在電暈作用下會發生開裂，擊穿場強較低，主要應用于6kV以下的電壓等級。而乙丙橡膠主鍵由化學穩定的飽和烴組成，不含雙鍵，故耐臭氧性和耐老化性得到極大提高，交流擊穿強度在35～45kV/mm。為了改善其硫化性能，向原橡膠中加入第三單體（如雙環戊二烯或乙叉降冰片烯），得到三元乙丙橡膠，可用于35kV級電力電纜或高壓電機引出線。若和其他橡膠共混使用更可獲得優異性能。

2.2 塑料絕緣電力電纜

2.2.1 聚氯乙烯絕緣電力電纜

聚氯乙烯塑料是在聚氯乙烯樹脂的基礎上加以增塑劑、穩定劑、防老劑等多組分的混合材料。相比于橡皮絕緣，聚氯乙烯的主鏈中不含雙鍵，耐腐蝕、耐化學性能好，并且使用溫度從橡皮的65℃提高到70℃。但由于它是極性材料，耐電強度低，長期工頻擊穿強度4kV/mm左右，脈沖擊穿強度為40～50kV/mm。并且在燃燒時產生氯化氫有毒氣體，極大程度上限制了它的使用和發展。

2.2.2 聚乙烯樹脂

聚乙烯與聚氯乙烯相比，是非極性材料，電氣性能良好，且分子式中不含氯原子，燃燒過程中產生的無毒氣體少。但是由于它的分子結構是結晶相和無定形相兩相并存，在生產和運行過程中由于溫度和應力的變化容易在界面上產生氣隙從而引發樹枝化放電，并且其耐熱性不好，耐環境應力開裂性差，耐蠕變性差。目前在我國聚乙烯主要用于做聚乙烯護套。

2.2.3 交聯聚乙烯絕緣電力電纜

為了克服聚乙烯的缺點，應用交聯將聚乙烯的線性結構變為三維空間網狀結構，可以極大地提高其擊穿強度和耐熱性能。交聯方法有物理交聯和化學交聯兩種。物理交聯使用高能粒子照射，有能量交換到分子，使C-H鍵斷裂，線性結構變為網狀結構。分為輻照交聯和紫外線交聯。但在交聯過程中如果絕緣層厚度過厚容易出現交聯不均勻的現象，主要應用于薄絕緣。化學交聯分為硅烷交聯（溫水交聯）和過氧化物交聯。硅烷交聯通過加入交聯劑（如硅烷偶聯劑A151）在80℃～100℃的水中實現聚乙烯的交聯，成本低，方法簡單方便。但是在生產過程中有水的小分子產物，容易產生水樹枝，主要應用于中低壓電纜絕緣。在低壓系統中交聯聚乙烯絕緣電力電纜可以完全取代聚氯乙烯絕緣電力電纜。過氧化物交聯通過交聯劑（如過氧化二異丙苯DCP），在惰性氣體的保護下奪取分子中的氫原子使生成游離基進而進行交聯。由于沒有水的生成與參與，極大程度上避免了水樹枝的形成與發展。這種交聯方法應用范圍廣泛。經過交聯后，交聯聚乙烯的工作溫度從聚乙烯的70℃提高到90℃，載流量增大，電氣性能得到提升。耐化學性能好、重量輕、可垂直及高落差敷設、安裝維護方便也是交聯聚乙烯絕緣電力電纜的主要優點[1]。但由于其網狀結構，不溶不熔，給材料的回收造成了一定困難。

2.3 其他絕緣電力電纜

油浸紙絕緣是由木纖維紙和浸漬劑組成的復合絕緣。主要由粘性型浸漬紙絕緣電力電纜、滴干型浸漬紙絕緣電力電纜和不滴流型浸漬紙絕緣電力電纜組成。粘性型浸漬紙絕緣電力電纜主要應用于平鋪敷設，滴干型浸漬紙絕緣電力電纜主要應用于10kV以下小角度敷設，不滴流型浸漬紙絕緣電力電纜主要應用于大角度敷設。

充油電纜利用補充浸漬劑的辦法消除因負荷變化而在油紙絕緣層中形成的氣隙，以提高電纜的工作場強。根據絕緣層和護套是否緊密相連可分為自容式充油電纜和鋼管式充油電纜。為了提高絕緣層的擊穿強度，防止護套破裂時潮氣浸入，便于補充浸漬，一般浸漬劑壓力均高于大氣壓。充油電纜的結構大多采用單芯自容式。

為了適應遠距離輸電要求，產生了充氣電纜。充氣電纜分為普通充氣電纜和管道式充氣電纜。普通充氣電纜通過充氮氣作為絕緣，結構與充油電纜相似，主要應用于中壓絕緣。管道式充氣電纜作為絕緣的壓縮氣體一般采用六氟化硫，它是一種無毒的不燃氣體，化學穩定性好，絕緣強度高，主要應用于大容量輸電，特別是封閉式電站。

3 ?結語

隨著我國經濟的發展和國民水平的提高，電力已經成為日常生活中不可或缺的必要元素。由于我國資源與需求的逆向分布，建設遠距離大容量傳輸線路是電力行業發展的趨勢。電力電纜以敷設間距小、線路壓降小、安全可靠等優點得到廣泛應用。電纜能夠承受的電壓是運行過程中需要考慮的重要因素之一。根據不同的需求選擇不同形式絕緣的電力電纜是非常必要的。交聯聚乙烯電纜代替油浸紙絕緣電纜、發展直流電纜、多種模式混合輸電成為高壓電纜的發展趨勢。

參考文獻

[1] 黃興溢，張軍，江平開.熱塑性電力電纜絕緣材料：歷史與發展[J].高電壓技術，2018，44（5）：1377-1398.

[2] 王沐雪，何知純，王紫葉，等.高壓及超高壓電力電纜關鍵技術現狀研究[J].電子世界，2019（10）：191-192.