電纜護套材料自修復性能的評價方法研究

林木松 李麗 彭磊

摘 ?????要： 電纜外護套絕緣材料在運行或者施工時，由于老化或機械損傷造成絕緣材料絕緣性能下降，導致停電、漏電等故障，造成嚴重經濟損失，引發嚴重的安全隱患。而現有的修復不僅存在效果差，而且還需要依靠故障定位技術。由于電網線路長，架接方式復雜，現有修復難以滿足生產需要。在對材料自修復技術研究的基礎上，研發了新型的自修復電纜外護套絕緣材料。自修復性能評價是研發新材料必須關注的問題，一方面新材料是否具備自修復性能需通過評價方法進行評價，另一方面，材料合成配方優化及性能改進也需要在評價的基礎上進行。在自修復研究基礎上，提出了采用拉伸試驗和顯微法來評價自修復性能。

關 ?鍵 ?詞：電纜護套材料;自修復;性能評價

中圖分類號：TQ 01 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-296-04

Abstract： The insulation property of outer sheath insulation material in the operation or construction of the cable always declines due to aging or mechanical damage， which can result in the failures of power outage or leakage， causing serious economic loss and serious security risks. The existing repair process not only has a poor repair effect， but also needs the fault location technique. In this paper， a new type of self repairing cable outer sheath insulation material has been developed on the basis of the in-depth study of the self repairing technology of material. But the self repairing performance evaluation is still a problem in the development of the new material. On the one hand， whether the new material has self repairing performance or not need be evaluated. On the other hand， formula optimization and performance improvement need be carried out on the basis of evaluation results. At last， the tension testing and microscope testing for the evaluation of self repairing performance were put forward.

Key words： Cable sheath materials; Self-healing; Evaluation method

1 ?電纜外護套老化或損傷帶來的危害

電纜絕緣材料故障容易造成停電、漏電等故障，造成嚴重經濟損失，引發嚴重的安全隱患。電纜事故中因絕緣護套層老化損傷而引起的電纜故障所占比例最大[1]。我國電線電纜用絕緣材料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）以及交聯聚乙烯（XLPE）。這些材料的共同優點是電氣性能優異、絕緣性能好，但共同的缺點是作為傳統的聚合物材料均不具備智能性。即使輕微的老化損傷，也會造成材料性能的劣化，并且隨時間推移，小損傷會不斷加重，最后導致材料力學性能或絕緣性能的徹底喪失[2]。

2 ?常用的電纜絕緣護套修復技術

目前，對現有電纜絕緣護套材料的修補修復主要為以下三種方法：

2.1 ?修復液灌裝修復

該方法是將具有修復功能的液體灌入纜芯[3]，電纜修復液通常是一類低粘度小分子液體，具有較高的反應活性，滲透力很強。可在滲入材料微觀缺陷后與其中的水分發生聚合反應，生成膠狀的有機聚合物，一定程度上修補微觀絕緣缺陷。這種方法對水樹類缺陷有較好的修復效果，對XLPE類易發生水樹老化的電纜，可有效延長使用壽命。但是，首先，電纜修復液的使用的工藝過程比較麻煩，需要相應的注入設備和電纜附件。電纜修復液注入裝置包括氣體壓力罐、修復液罐、連接管路、出液罐、限壓閥、壓力傳感器、電磁開關閥、監視窗口以及氮氣等近10個組成部分，作業施工復雜;其次，電纜修復液只有對含水的缺陷有修補作用，對其它侵蝕類缺陷不能產生任何修復。

2.2 ?熱焊修復

該方法是在電纜絕緣護套層出現碰傷、刮傷、壓傷或擊穿等缺陷點時，對PVC類熱塑性絕緣層可在缺陷區填入同質塑料后，利用熱焊將材料部分熔融進行粘結修補，然后在修補處用修復帶進行繞包。但是，這種方法不適合XPLE等已經產生交聯的材料。并且，熱焊修補需采用電烙鐵或熱風焊槍為工具，工藝也相對復雜，要求操作人員具備較高的技術水平。另外，對于截面較小的線芯，不易保證質量。

2.3 ?熱縮管修復

對于大尺寸缺陷或XLPE等交聯材料的缺陷、或者小截面線芯的絕緣損傷，目前一般采用熱縮管進行修復。這種方法是把尺寸合適的熱縮管套于缺陷區，加熱使套管收縮至緊包缺陷。工藝較為簡單，適用的范圍也比較廣。但是，采用熱縮管修復后，電纜絕緣層厚度增加，使散熱難度加大，容易導致接頭發熱，并進一步產生故障，同時，熱縮管還不能抵擋潮氣的侵入對絕緣性能的影響。

3 ?電纜絕緣護套材料自修復技術及其評價方法

自修復是指材料自我修復并恢復正常性能的能力，目前的修復技術主要包括含修復劑和不含修復劑兩種修復方式。含修復劑的自修復方法是在材料內部加入微膠囊等，由裂紋撕破膠囊釋放修復劑實現自修復。優點是可自主修復并且位點專一，缺點是制備難度大，只能一次行修復，微膠囊的穩定性、靈敏性、均勻性不容易控制[3]。不含修復劑的修復方式包括通過動態化學鍵（如熱可逆共價鍵）和超分子作用力兩種方式，動態化學鍵自修復是損傷后的切面在動態化學鍵作用下愈合，優點是可多次修復，缺點是動態化學鍵需要加熱或光照等條件方能進行[4]。超分子作用力自修復是在超分子作用力（如氫鍵、主客體包合、靜電相互作用等）作用下自行修復，優點是自主并且多次修復，無需外界條件刺激。

本文研究的自修復技術是通過主客體包合[5]實現自修復，這種技術是對原有電纜故障修復方式的一次重大突破。在材料遭遇老化等損傷時，體系中的超分子作用力（即客體分子金剛烷進入環糊精中空內孔形成主客體包合的超分子力）將斷面拉合在一起，自行修復。這種修復可多次進行，并且，無需外界條件刺激，修復自主完成，并且能夠多次完成自修復。

自修復絕緣材料在修復過程中表現為傷口裂痕變小至完全修復，同時，恢復原有的機械電氣性能，其中包括抗拉伸性能的恢復，因此，可以通過損傷前以及修復后傷口裂痕截面積以及拉伸應力的變化來評價自修復性能。

4 ?采用拉伸試驗評價自修復性能

4.1 ?試驗部分

4.1.1 ?試驗設備及樣品

拉伸試驗設備采用的萬能拉力試驗機。樣品的準備：將0.8 mm厚度的樣品按照國標裁成長為75 mm，兩端寬為12.5 mm，中間部分寬為4 mm的啞鈴狀試件，共制備8個形狀一樣的樣品。

4.1.2 ?拉伸試驗

將將啞鈴試件置于萬能拉力試驗機的夾具上，首先是對未損傷樣品進行拉伸試驗：拉伸速度為500 mm·min-1， 測定拉伸斷裂時的拉伸應力δ0（單位：MPa），共測定4個樣品，取4個試樣的算術平均值作為最終的測定值。

接著測定自愈合后試樣的拉伸應力：將另外4根的試樣用小刀切成兩段，然將傷口兩端相互接觸，在室溫下等待2 h后，待試樣完全自愈合后再用萬能拉伸試驗機測定愈合后試樣的拉伸應力δ1，拉伸速度為500 mm·min-1，共測定4個樣品，取4個試樣的算術平均值作為最終的測定值。將試樣再從原來位置斷開，重新愈合，測定第二次愈合的拉伸應力δ2。那么，同樣操作，則得到第三次愈合、第四次愈合....的拉伸應力δ3、δ4....。

自愈合之后的拉伸應力δ1、δ2、δ3與斷裂前的拉伸應力σ0的百分比即為自愈合效率η1、η2、η3。

4.2 ?自愈合性能的評價

要求自愈合次數超過3次以上，同時自修復效率達到70%以上。

4.3 ?測定結果

將某一樣品分別切斷3次，分別測定損傷前拉伸應力σ0及自修復后的拉伸應力δ1、δ2、δ3，得到結果如表1。

5 ?采用顯微法評價自修復性能

5.1 ?試驗部分

5.1.1 ?設備及試樣

試驗設備采用激光共聚顯微鏡。樣品的準備：將材料制成30 mm×5 mm×1 mm長條形的試樣，共制備3根試樣。

5.1.2 ?傷口橫切面積測定

將3根的試樣用小刀切成兩段，然后將傷口兩端相互接觸，采用激光共聚焦顯微鏡觀察測定傷口初始橫切面積S0（見圖1）， 分別測定3根的試樣的傷口初始橫切面積。

5.1.3 ?自修復效率的計算

自修復效率為自愈合前后傷口橫切面積變化值與自愈合前傷口橫切面積的百分比，表達式如下：

5.2 ?自愈合性能的評價

要求自愈合次數超過3次以上，同時自修復效率達到70%以上。

5.3 ?測定結果

將某一樣品分別切斷3次，分別測定損傷時初始傷口橫截面積及自修復后傷口橫截面積，結果見表2。

6 ?結 論

在對自修復技術深入研究的基礎上，提出采用拉伸試驗及顯微法評價材料的自修復性能，建立了自修復性評價規范。自修復性能的評價是自修復技術研究過程必不可少的環節，一方面可以對材料是否具有自修復性能進行評價，另一方面通過評價進一步改進材料自修復及其他性能。

參考文獻：

[1]焦振， 夏泉. 高壓電力電纜線路事故統計與分析[J]. 供用電， 2011， 28（2）：64-66.

[2]周陽. 影響電纜絕緣性能的因素研究及其對策[D]. 大連理工大學， 2015.

[3]黃曉峰，范平濤，等.基于硅氧烷的XLPE電纜水樹的修復方法[J].高壓電器，2014（1）：61-66.

[4]曾飛， 陳傳峰. 基于三蝶烯雙冠醚形成的具有自修復、刺激響應性能的超分子聚合物凝膠[C].全國超分子化學學術討論會， 2012.

[5]王偉鋼，林再富，徐莉莎，丁春梅，李建樹.基于環糊精包合的超分子水凝膠骨修復材料[J]. 高分子材料科學與工程，2016，32（8）：28-31.