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电力电缆的结构和材料

电缆的结构看似简单,其实它的每一个组成部分都有各自重要的使用目的,所以制造电缆时必须仔细选择每一种组成材料,从而保证这些材料制成的电缆在运行过程中的可靠性。
1 导体材料
    历史上,用于电力电缆导体的材料是铜和铝。人们还短暂地试用过钠。铜和铝具有更好的导电性,在传输同样的电流时,铜的用量相对要少,所以铜导体外径比铝导体小。铝的价格又明显地低于铜。另外,由于铜的密度比铝大,即使在载流量相同的情况下,铝导体的截面比铜导体大,但是铝导体电缆仍要比铜导体电缆轻。
    当电缆在高电压和电流下运行时,交流电流趋向导体表面流动(集肤效应),另外,临近的电缆产生的磁场会干扰导体中电流的分布(临近效应)。这些影响会导致导体电阻增加,使得交变电流条件下导体电阻的增值要比直流条件下明显。因此大截面导体的设计可以采用典型的“分割导体”结构。
2 绝缘材料
    MV电力电缆能够采用的绝缘材料有很多,甚至包括技术成熟的浸渍纸绝缘材料,这种材料已经成功使用了100多年。现在,挤包聚合物绝缘已经被广泛认可。挤包聚合物绝缘材料包括PE(LDPE和HDPE),XLPE、WTR-XLPE以及EPR等。这些材料的热塑性的,也有热固性的。热塑性材料一旦受热会产生变形,而热固性材料在运行温度下可保持其形状。
2.1 纸绝缘
    MV纸绝缘电力电缆已经有超过100年的可靠运行经验。直到今天,纸绝缘电缆损坏的大多数原因仍然是由于使用在该电缆外部的铅护套开裂或被腐蚀,使水分渗入电缆内部而导致的。然而需要重点指出的是,在纸绝缘电缆运行初期,它们只承载了较小的负荷且被相对良好的维护。但是电力用户不断地使电缆承载越来越高负荷,原来的使用条件不再适合现在电缆的需要,那么原来好的经验也就不能代表电缆未来的运行状况也一定良好。近年来,纸绝缘电缆已经很少被使用。
2.2 聚氯乙烯
    PVC首次被用于电缆的绝缘材料是在20世纪早期,直到PE和XLPE发展起来,PVC一起都普遍应用在电缆的绝缘中,尤其是低电压等级的电缆。然而与PE材料相比,PVC在击穿场强、老化特性、温度等级以及耐潮湿性能等方面的劣势迅速地显现出来。另外,在运行中PVC绝缘电缆表现了较高的事故率。因此,目前1kV以上电压等级的电力电缆已经不再使用PVC绝缘。
  2.3 聚乙烯(PE)
    低密度聚乙烯(LDPE)从20世纪30年代发展起来,现在用于交联聚乙烯(XLPE)和抗水树交联聚乙烯(WTR-XLPE)材料的基体树脂。PE是一种长链的,热塑性碳氢化合物分子结构,在压力作用下由乙烯气体聚合而成。与绝缘相比,由于聚乙烯材料具有低成本、良好的电性能及加工性能、耐潮湿、耐化学腐蚀和良好的低温特性,目前已经被广泛使用。但是,聚乙烯材料不具有良好的耐电性能,导致PE很容易被局部放电腐蚀以及被电晕烧蚀,而且在潮湿环境和电场共同作用下,易产生水树。在早期的电缆设计中,局部放电和水树生长导致电缆的绝缘劣化,并最终致使电缆的失效。
 2.4 交联聚乙烯(XLPE)
    XLPE是通过把低密度聚乙烯(LDPE)和交联剂(如过氧化物)混合而制成的一种热固性材料。1963年3月,通用电气研究实验室发明了XLPE。长链的PE分子在硫化过程中发生“交联”,形成了XLPE。XLPE不仅具备了同热热塑性PE同样良好的电性能,还具备了更好的机械性能,尤其是在高温度下。XLPE绝缘电缆的最高导体工作温度为90℃,过载测试高达140℃,短路温度可达250℃。XLPE具有极好的电介质特性,可用于600V到500kV的电压范围内。
2.5 抗水树交联聚乙烯(WTR-XLPE)
    水树现象会减少XLPE电缆的使用寿命。在几个月或者几年的时间里,水树的生长相对缓慢。当水树生长时,水树尖端电场强度增加,这时会在水树顶部激发出电树枝。电树一旦生成,就会迅速地生长,导致绝缘材料性能减弱,以致不再能够承担运行电压,从而致使电缆在生长水树/电树的位置击穿。

2.6 乙丙橡胶(EPR)
    EPR是一种由乙烯、丙烯(有时会有第三种单体)共聚而成的热固性材料,三种单体的共聚物称为三元乙丙橡胶(EPDM)。在柔软的共聚物中,添加一系列经过设计的填料,会使材料具备良好的热性能,挤出性能及电性能。这类绝缘以EPR为代表。在较宽的温度范围内,EPR始终保持柔软,并且具有良好的耐电晕性能。然而,EPR材料的介质损耗明显高于XLPE和WTR-XLPE。
3 绝缘硫化过程
    交联工艺对所使用的聚合物是特定的。可交联聚合物的制造是从一种基体聚合物开始,然后加入稳定剂和交联剂形成混合物。交联过程在分子结构中加入更多的连接点。一旦被交联,聚合物分子链仍保持弹性,但是不能被完全切断,变成易流动的熔融体。
    XLPE绝缘电力电缆采用的交联方式基本有两种:
   1)过氧化物交联:未交联的绝缘材料被挤包到电缆导体上以后,在硫化管中过氧化物交联剂受热分解,使熔融态的聚合物发生交联。这种方式适用于XLPE和EPR绝缘材料。过氧化物交联方法是全球最主广泛使用的交联技术,已应用在MV、HV以及EHV绝缘电缆的制造中。湿法交联基本用于低压电缆的制造,有时也用于MV电缆。
    2)湿法交联:将化学组分(硅烷)引入到聚合物分子链中,当这些组分接触水后,就会引发交联反应。交联反应发生在绝缘挤出后的固相中。生产MV电缆时,如果挤出生产线需要生产不同结构设计的电缆,并且(或者)制造长度相对较短的时候,湿法交联是最常用的方式。在这种情况下,从产品的角度来讲,将挤出过程与硫化过程分开是非常合适的。
3.1 过氧化物交联
    生产绝缘材料的第一步是从聚合物反应器开始的,突出的特点是它由一个很长的钢管组成,这个钢管经过设计能够承受很高的温度和压力,一般也称作“高压管”反应器。反应器被设计用来传送具有相容特性的聚合物,并且避免引入降低聚合物绝缘材料介电性能污染物或者化学物质。实际上,这就意味着在反应器中,聚合物的生产过程和在其组分中所使用的材料必须非常仔细地控制。
3.2 湿法交联
    湿法交联过程的关键步骤是如何使化学活性组分结合到聚合物骨架上。有三种办法可以实现:
    1) Siloplas:使合适的硅烷材料与过氧化物及聚合物在熔融状态下混合。在这个过程中,硅烷接枝到聚合物材料分子链上,然后将这样的材料制成适合电缆挤出设备使用的粒料。交联反应催化剂和其他添加剂(抗氧剂和一些加工助剂)在挤出过程中以母料形式加入。这种方法最主要的缺点是混合物降解在使硅烷接枝到聚合物分子链上的挤塑机中即开始,从而限制了混合物制品的存入周期和工艺性能。
    2) Monosil:这种方法与Siloplas类似,只是在这种方法中,所有组分(包括催化剂、过氧化物、硅烷和稳定剂)全部在电缆的挤出设备中一起混合,因此接技反应在电缆的挤出过程中同时发生。
    3) EVS:这种方法并不是将硅烷接枝到聚合物分子链上,而是当聚合物在反应器中聚合的时候将硅烷组分插入到聚合物分子链上。这些反应器中聚合物可以直接用于挤出。交联反应催化剂和其他添加剂在挤出过程中以母料形式加入。
4 导体屏蔽和绝缘屏蔽材料
    半导电屏蔽层被挤出在导体和绝缘的外表面,用来均匀电场,以及把电场包容在电缆绝缘线芯中。这种材料包含了工程等级的炭黑材料,以使电缆的屏蔽层能够达到要求范围内的稳定的电导率。
      制备半导电屏蔽料需要认真考虑的问题与制备XLPE绝缘料相同。因为制备半导电屏蔽料时需要添加炭黑,所以它选择的基体聚合物材料的化学特性有别于制备绝缘料的基体聚合物。炭黑和其他重要的添加剂(不包括交联剂)被混和进入基体聚合物中,制成半导电高分子合成物。用来输送材料的传输和混料设备能够使材料均匀的混合。在添加交联剂之前可能需要过滤,以进一步确保材料的光滑度。

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点击次数:  更新时间:2014-05-03  【打印此页】  【关闭
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