浅谈高压XLPE绝缘电力电缆外护套材料的选择

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　　摘  要：该文首先阐述了高压XLPE绝缘电力电缆外护套材料的类型，其次探讨了绝缘电力电缆外护套在应用过程中可能出现的主要问题，最后结合实践从机械性能、电性能和光老化等多个方面探讨外护套材料的理化性能。希望与同行共同分享经验，能够更科学合理地选用外护套材料，保证选用的外护套材料能在不同运行环境下体现出良好的适用性，推动高压电力系统安全、有效地运行。
　　关键词：高压XLPE;电力电缆;外护套材料;选择方法
　　中图分类号：TM215                文献标志码：A
　　高压交联聚乙烯（GHCI）绝缘电力电缆（>66 kV）的构成以导体、导体屏蔽层、绝缘层金属护套和非金属外护套等为主。其中，非金属外护套是电力电缆的最外层，其作用在如下2个方面有所体现，即保护金属防护套结构完整性以及防止金属护套因为多点接地而形成环流。有研究发现，XLPE绝缘电力电缆导体正常运行的最高温度为90℃，因此站在导体作业温度上分析，可以将外护套分为2个类型，分别是以PVC、PE为基料的ST2与ST7的外护套混合料。但是因为高压电缆运行方式的特殊性，对外护套材料的属性提出较高要求。基于此，笔者结合多年实践经验做出较详细的分析。
　　1 高压XLPE绝缘电力电缆外护套常见类型
　　结合电缆导体正常运行的最高温度，可以将外护套分为2种类型：1）以PVC为基料的代号是ST2的外护套混合料;2）以PE为基料的代号是ST7的外护套混合料。
　　PVC类电缆外护套主要有软PVC、软阻燃PVC、半硬质PVC、防蚊半硬质PVC及低烟低卤阻燃PVC。PE类主要有線性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、防蚁（HDPE）等。其中以PE为基料的代号ST3的外护套混合料对应的电缆导体运行时的最高温度为80 ℃，ST7为90 ℃;以PVC为基料的代号ST1对应的最高温度为80 ℃，ST2为90 ℃。
　　2 电缆外护套运行期间的常见问题
　　2.1 完工试验击穿，被迫探查击穿位点
　　外护套10 kV  1 min直流耐压不达标的情况基本在全国各地均存在，象大连一回路66 kV长度为2.6 km XLPE绝缘电缆民港线直接敷设，选用了PVC外护套，完工试验过程中发现10 kV  1 min耐压试验一相击穿。沈阳崇山路变电站66 kV国产同类电缆PVC外护套仅大于200 m，双回6条竣工试验时，合格与不合格分别占50.0%，且每回线均存在不合格的情况，无法进行正常送电，经探查处理数日后，依然不合格。
　　2.2 运行中金属屏蔽层被环流损伤
　　沈阳电业局66 kV  XLPE绝缘电缆南青线B相，电缆长度为800 m，运行时间达到2年后，经检测发现外护套绝缘电阻为0.5 MΩ，并在后续的几年中有持续降低的趋势，最后降低至15 kΩ，经现场检测发现有环流出现，探查到接地位点后发现PVC外护套上形成一个长度为350 mm的树枝裂纹，波纹铝护套上部存有>30 mm2的烧穿孔洞。
　　3 外护套材料主要性能的分析
　　3.1 机械性能
　　有资料记载，PE、软PVC的抗张力强度分别为≥20.0 MPa、≥16.0 MPa，断裂伸长率为≥650%、≥180%，老化后抗张强度变化率为±20%、±20%，邵氏D级硬度为54～58、36～40。对以上数据整体分析后，发现PE的机械性能相对优良，其在抗张强度与断裂伸长率2个方面均占据优势。而传统的软PVC的邵氏D级硬度为36～40，其在≤35 kV电线电缆的绝缘或护套领域中表现出较高的适用性。当高压电缆应用软PVC护套材料后，因为内电缆自重较大，因此在现场敷设过程中，外护套结构完整性被刮损、异物扎进等情况发生的风险会相应增加，一方面使厂家承受较大的经济损失，另一方面在探查故障位点过程中也会拖延现场施工进度，这提示选用该种护套材料不合适。而半硬质阻燃PVC的邵氏D级硬度为50～55，有益于提升外护套的耐磨损性，符合高压电缆敷设施工的基本要求。
　　3.2 电性能
　　在20 ℃时，PE（防蚁PE）、半硬质PVC材料、软PVC对应的体积电阻率分别为≥1×1 014 Ω/m、≥5×1 014 Ω/m、≥1×1 012 Ω/m;以上3种防护材料对应的介电强度依次为≥25 kV/mm、≥20 kV/mm、≥20 kV/mm。由此可见，PE护套材料的电性能优良，其介电强度≥25 kV/mm，体积电阻率≥1 014 Ω/m，这提示该种材料随着环境温度的改变而体积电阻率不会出现明显变动。而对于PVC类材料，温度的上升，其体积电阻率有持续降低的趋势，将其作为高压电缆的绝缘材料，20 ℃对应的绝缘电阻大概是40 ℃时的16倍。因为PVC类材料对温度表现出高度敏感性，如果电缆护套时选用PVC类材料，在应用过程中遇到护套绝缘电阻偏低或泄露的电流较大的情况时，可以采用降低护套温度指标或更换一台泄漏电流相对较大的设备进行试验。在不能调整护套温度的情况下，用户应对PVC类护套绝缘电阻正常取值范围有明确掌握。
　　3.3 光老化
　　PE材料光老化发生的概率相对较大，PE自身无吸收光线的基团，其出现光氧降解的成因是由于聚合物合成与加工环节中体内残余少量过渡金属与诱发剂残基，或聚合物链被含有微量过氧化氢基团等。以上生色基团会对紫外光形成强吸收作用，促进聚合物光氧降解反应的发生发展过程，造成PE护套在有紫外线照射的环境条件下出现裂痕。黑色PE类护套材料内有炭黑，着色是其基础作用，其对紫外线还能具有良好的吸收功效。若炭黑含量在（2.61±0.25）%区间内取值，其分散度≤Ⅲ级时，在30年中护套的残余断裂伸长率会≥80%，这提示其符合电缆30年的使用寿命。
　　彩色的PE护套材料中无炭黑，因此在生产制造过程中应混合适量UV稳定剂，其对护套光老化过程能形成较明显的抑制作用。但最近几年中有实践指出，即便是彩色PE防护套中加入UV稳定剂，在阳光长时间的暴晒作用下，该类PE护套也很难符合电缆的寿命要求，这提示UV稳定剂具有一定时效性。一项调查研究发现，红色PE护套在强阳光长时间的照射下，3年后断裂伸长率就有明显降低的趋势8年后断裂伸长率仅为10%，老化现象极为严重。
　　3.4 吸水性
　　普通PE（LLDPE、MDPE与HDPE）的吸水值为0.883 mg/cm2、阻燃PE为169.2 mg/cm2、PVC类护套为164.6 mg/cm2。分析后发现，PE材料在防水防潮性方面占据很大优势，而阻燃PE与PVC类材料的吸水值基本无差异，均相对较大。因此，立足于高压电力电缆的运行实况，发现阻燃PE材料的应用效果并不理想，这主要是由于阻燃PE内含有大量的添加剂，其造成PE初有优良的机械物理性能形成巨大影响。正因如此，电缆在排管敷设、地下直埋或有防水要求时，建议选用普通PE护套材料进行。
　　4 结语
　　非金属外护套对保护电缆内部结构形成的影响是极为深刻的，外护套质量与电缆的使用年限之间存在明显的相关性。该文对PE与PVC不同护套材料的性能进行分析与对比，希望能协助用户对非金属护套的性能有更全面的认知，立足实践，合理选择与应用，确保电缆设施能在寿命期中安稳运行。
　　参考文献
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