耐寒型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的研制

郭儉旭， 林 磊， 肖云濤， 楊建偉， 吳衛(wèi)峰

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

在我國北方及西部等高寒地區(qū)，冬季溫度低、時(shí)間長(zhǎng)、早晚溫差大，很多電纜廠生產(chǎn)的電力電纜會(huì)出現(xiàn)過低溫敷設(shè)護(hù)套開裂的現(xiàn)象。近年，眾多客戶在電纜的技術(shù)協(xié)議中增添耐寒要求，然而行業(yè)并未提供耐寒電纜具體的性能指標(biāo)和驗(yàn)證方法，這無疑給成品驗(yàn)證增添了難度。為了解決上述問題，我們通過與材料廠家合作，最終設(shè)計(jì)出一種在低溫條件下(不低于－15℃)敷設(shè)時(shí)護(hù)套不開裂的耐寒型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。本文介紹該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路、材料性能指標(biāo)、成品測(cè)試指標(biāo)以及試驗(yàn)方法等。

1 設(shè)計(jì)思路

據(jù)了解，在電纜施工敷設(shè)過程中，聚乙烯護(hù)套電力電纜護(hù)套開裂的比例相對(duì)較大，鎧裝型電力電纜更甚。一是由于聚乙烯材料本身的線性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其冷卻結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生局部應(yīng)力致使護(hù)套開裂;二是由于大部分電力電纜采用地埋敷設(shè)，鎧裝型結(jié)構(gòu)的電力電纜在彎曲時(shí)，鋼帶間隙發(fā)生變化，受力主要在護(hù)套內(nèi)側(cè)，且鋼帶邊緣與護(hù)套層內(nèi)側(cè)接觸點(diǎn)最大，形成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致護(hù)套開裂［1］。因此，鎧裝型結(jié)構(gòu)的耐寒型電力電纜并不適合采用聚乙烯護(hù)套。根據(jù)GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)電纜護(hù)套的要求“在－15℃以下低溫環(huán)境應(yīng)選用聚乙烯護(hù)套，在－15℃以上環(huán)境中可選用聚氯乙烯護(hù)套”，以及上述對(duì)電纜材料和結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)時(shí)將護(hù)套材料定為聚氯乙烯，并按確定的耐寒電纜的性能指標(biāo)，制定其護(hù)套材料的性能指標(biāo)。

2 耐寒電纜性能指標(biāo)的確定

為了保證電力電纜在不低于－15℃的低溫環(huán)境中敷設(shè)時(shí)護(hù)套不開裂，首先要保證成品電纜的主要性能指標(biāo)滿足低溫環(huán)境敷設(shè)的要求。

在GB/T 12706標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電纜的最低敷設(shè)溫度為0℃，我們參照90℃聚氯乙烯護(hù)套的性能指標(biāo)，制定耐寒電纜聚氯乙烯護(hù)套料的性能指標(biāo)。

(1)護(hù)套開裂主要取決于護(hù)套的斷裂伸長(zhǎng)率，在標(biāo)準(zhǔn)中，90℃聚氯乙烯護(hù)套料在23℃的斷裂伸長(zhǎng)率為150%，那么，其在0℃時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率將不足150%。理論上說，若將耐寒電纜護(hù)套料的斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)定為 －15℃時(shí)不小于150%，就可以滿足－15℃環(huán)境敷設(shè)時(shí)拉伸的要求。

(2)90℃聚氯乙烯護(hù)套料的抗拉強(qiáng)度為12.5 MPa，若將耐寒電纜護(hù)套料的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)提高至－15℃時(shí)不小于16 MPa，性能則優(yōu)于普通PVC護(hù)套在0℃的指標(biāo)要求。

(3)為保證電纜敷設(shè)后可以在更低的環(huán)境溫度下正常工作，制定耐寒電纜護(hù)套料在－40℃的斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)，不小于30%。

(4)為保證電纜在－15℃時(shí)敷設(shè)能夠滿足外力沖擊的要求，特將沖擊脆化溫度降至－40℃，確保在不低于－40℃時(shí)電纜可以抵御外力的撞擊。

3 電纜低溫試驗(yàn)要求

電纜一般在敷設(shè)過程中主要受外界壓力、拉力、彎曲、碰撞、摔打等作用。為了保證電纜在－15℃低溫條件下承受上述外力作用時(shí)不受損傷，我們模擬了電纜低溫敷設(shè)的條件，通過低溫彎曲試驗(yàn)、低溫拉伸試驗(yàn)以及低溫沖擊脆化試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 －15℃低溫彎曲試驗(yàn)、局部放電和耐壓試驗(yàn)

－15℃低溫彎曲試驗(yàn)可以驗(yàn)證電纜在敷設(shè)過程中是否能承受一定程度的彎曲作用。局部放電和耐壓試驗(yàn)是為了驗(yàn)證電纜在彎曲過程中是否對(duì)電纜造成了損傷。

試驗(yàn)方法:采用動(dòng)態(tài)模擬敷設(shè)的方式，將試樣置于－15℃的環(huán)境中24 h后，將試樣繞試驗(yàn)圓柱體(例如線盤的筒體)三圈，然后展開放直，再在相反方向上重復(fù)此過程。此操作循環(huán)應(yīng)進(jìn)行三次，觀察試樣表面是否有裂紋。

試樣圓柱體的直徑應(yīng)為:單芯電纜，20(D+d)±5%;三芯電纜，15(D+d)±5%。式中，D為電纜試樣實(shí)測(cè)外徑(mm);d為導(dǎo)體的實(shí)測(cè)外徑(mm)。

本試驗(yàn)完成后，將試樣立即進(jìn)行局部放電試驗(yàn)(試驗(yàn)靈敏度不大于5pC)和耐壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)絕緣是否存在缺陷。

3.2 －15℃低溫拉伸試驗(yàn)

－15℃低溫拉伸試驗(yàn)可以證明該電纜在－15℃下具有較好的拉伸性能，能夠滿足電纜在放線過程中受到的拖拉和彎曲作用。試驗(yàn)方法按照GB/T 2951.14的規(guī)定完成。

3.3 －40℃低溫拉伸試驗(yàn)

－40℃低溫拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)方法與－15℃低溫拉伸試驗(yàn)方法相同，該試驗(yàn)可以證明電纜在－40℃的環(huán)境中能夠正常使用，而且仍具有一定的拉伸性。

3.4 －40℃低溫沖擊脆化試驗(yàn)

－40℃低溫沖擊脆化試驗(yàn)驗(yàn)證電纜在－40℃時(shí)具有較好的抗沖擊能力，借此推斷電纜在－15℃時(shí)的抗沖擊能力更優(yōu)，完全可以保證電纜在－15℃敷設(shè)放線時(shí)受外界沖擊、撞擊時(shí)的安全性。

試驗(yàn)方法:取3個(gè)成品電纜試樣，每個(gè)試樣長(zhǎng)度至少是電纜直徑的5倍，最短150 mm。將試樣及實(shí)驗(yàn)設(shè)備置于－40℃的低溫箱中24 h后，將每個(gè)試樣依次放在沖擊試驗(yàn)設(shè)備上;根據(jù)GB/T 2951.14—2008標(biāo)準(zhǔn)中表2的規(guī)定選擇落錘重量，落錘從1 m高處落下，試驗(yàn)后，當(dāng)試樣恢復(fù)到室溫后浸入熱水(40～50℃)，然后沿著電纜軸向?qū)⒆o(hù)套切開，觀察護(hù)套是否開裂。如果3個(gè)試樣中有1個(gè)有裂紋，再取3個(gè)試樣重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn);如果3個(gè)試樣均無裂紋，則試樣符合試驗(yàn)要求;如有任何1個(gè)試樣有裂紋，則表示該電纜的護(hù)套不符合要求。

4 電纜材料指標(biāo)的確定

(1)絕緣材料。交聯(lián)聚乙烯在低溫環(huán)境下仍能保持良好性能［2］，因此，該電纜選用介電常數(shù)低、絕緣電阻大的優(yōu)質(zhì)過氧化物交聯(lián)聚乙烯材料作為絕緣。材料性能指標(biāo)符合GB/T 12706的要求。

(2)護(hù)套材料。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，制定材料性能指標(biāo)時(shí)，需考慮生產(chǎn)過程對(duì)產(chǎn)品性能的影響，經(jīng)過與材料廠家進(jìn)行溝通，并協(xié)助其進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定護(hù)套材料的性能指標(biāo):－15℃時(shí)抗拉強(qiáng)度16 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為160%，優(yōu)于產(chǎn)品指標(biāo)。

5 成品電纜實(shí)測(cè)性能

該電纜經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中低溫性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求(見表1)。

表1 耐寒電纜實(shí)測(cè)性能指標(biāo)

6 結(jié)束語

該產(chǎn)品已取得國家實(shí)用新型專利(ZL 200920048808.1)并在東北、華北部分寒冷地區(qū)敷設(shè)使用。

［1］毛文沛.無鹵低煙阻燃鋼帶鎧裝電纜護(hù)套應(yīng)力開裂的探討［J］.電線電纜，2008(4):44-46.