高壓XLPE絕緣電力電纜外護套材料的選擇

宋麗亞， 張道利， 盛洞天

（沈陽古河電纜有限公司，遼寧沈陽110115）

高壓XLPE絕緣電力電纜外護套材料的選擇

宋麗亞， 張道利， 盛洞天

（沈陽古河電纜有限公司，遼寧沈陽110115）

介紹了高壓電力電纜外護套材料的種類，從機械性能、電性能、阻燃性能等多方面分析了各種材料的優(yōu)缺點，并希望用戶在選型過程中，能夠根據(jù)不同的使用環(huán)境采用性能最合適的非金屬護套，以保證電纜在壽命期內(nèi)安全運行。

電力電纜；護套材料；機械性能；電性能；阻燃；無鹵低煙

0 引 言

高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜（66kV及以上）主要由導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、緩沖（縱向阻水）層、金屬護套和非金屬外護套組成。非金屬外護套作為電力電纜的最外層，主要起兩個作用：一是保護金屬護套，防止其被腐蝕；二是使金屬護套對地絕緣，避免金屬護套由于多點接地而產(chǎn)生環(huán)流。

非金屬外護套的材料從種類上分主要有聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）兩大類，具體如表1所示。另外還有一種無鹵低煙阻燃聚烯烴護套料，嚴(yán)格來說不能劃分到聚乙烯一類。

對于XLPE絕緣電力電纜，電纜導(dǎo)體正常運行的最高溫度為90℃，所以從導(dǎo)體工作溫度上外護套也分為兩大類，即以PVC為基料的代號為ST2的外護套混合料和以PE為基料的代號為ST7的外護套混合料，而ST1和ST3型護套材料是不適用于XLPE絕緣電力電纜的，它適用于導(dǎo)體溫度為80℃的電力電纜（見表2）。退滅蟲（Termigon）或退敵蟲護套料是一種物理防蟻的超高硬度PE類護套材料，它應(yīng)屬于ST7型護套材料，而無鹵低煙阻燃聚烯烴護套料既不屬于ST2也不屬于ST7，按照IEC 60502標(biāo)準(zhǔn)，它屬于ST8。

表1 高壓電力電纜外護套種類

表2 電纜非金屬護套混合料

由于高壓電纜在運行時金屬護套不允許多點接地，一旦金屬護套多點接地，金屬護套內(nèi)由于感應(yīng)電壓的存在將產(chǎn)生巨大的環(huán)流，不僅嚴(yán)重影響電纜的載流量，甚至可能會引起火災(zāi)，因此對外護套材料的機械物理性能和電性能都提出了嚴(yán)格的要求。面對繁多的護套材料，用戶如何進(jìn)行合理的選擇，盡量減少電纜使用過程中由護套產(chǎn)生的問題，是一個比較困難的事情。本文對目前國內(nèi)常用的高壓電纜護套材料的性能進(jìn)行分析比較，找出每種護套材料的優(yōu)缺點，以方便用戶進(jìn)行合理的選擇。

1 外護套材料的性能分析

1.1 機械物理性能

表3為幾種常見護套材料的機械物理性能比較。從中可看出，PE及退滅蟲或退敵蟲材料的機械性能非常優(yōu)良，其抗張強度和斷裂伸長率都有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)的軟PVC材料的邵氏D級硬度只有36～40，適用于35 kV及以下電線電纜的絕緣或護套。當(dāng)高壓電力電纜使用這種PVC護套材料后，由于電纜比較重（220 kV 1×2 500 mm2電纜單位重量可達(dá)37 kg/m），在現(xiàn)場敷設(shè)時，經(jīng)常出現(xiàn)外護套被刮壞、硬物硌傷或異物扎入的情況，不但造成電纜廠家的損失，還由于要查找故障點進(jìn)行修補而大大影響現(xiàn)場施工進(jìn)度，選用軟PVC護套料顯然已不合適，最佳的選擇為半硬質(zhì)阻燃PVC，這種護套材料邵氏D級硬度可達(dá)50～55，不僅大大提高了外護套的耐刮磨性，而且提高了護套材料的絕緣性能，滿足了高壓電纜敷設(shè)的要求。

表3 機械物理性能比較

除了軟PVC及低煙低鹵阻燃PVC外，其他幾種護套材料都有較高的硬度、較好的耐刮磨性和抗撕裂性能。因此從用戶角度來看，當(dāng)高壓電纜用于直埋敷設(shè)而對電纜無阻燃要求時，最好的選擇是PE類護套，而對電纜有防蟻要求時，可在護套外層擠包一層退滅蟲或退敵蟲材料。

1.2 電性能

表4為幾種常見護套材料的電性能比較。從中可看出，PE及退滅蟲或退敵蟲護套材料有著優(yōu)良的電性能，其介電強度在25 kV/mm以上，體積電阻率在1014Ω·m以上，試驗證明其體積電阻率隨溫度的變化不大。而PVC類材料，其電阻率隨著溫度的升高而急劇減小，用作絕緣材料時，20℃的絕緣電阻是40℃時的16倍（見圖1）。圖1中的縱坐標(biāo)是溫度換算系數(shù)k′，是以20℃絕緣電阻（RV0）為基準(zhǔn)值，將其他溫度的絕緣電阻（RVt）經(jīng)過換算得到的系數(shù)。此時絕緣電阻公式RV0=k′RVt［2］，40℃時k′為16，即20℃的絕緣電阻是40℃時的16倍。

表4 電性能比較

圖1 PVC材料絕緣電阻溫度換算系數(shù)曲線

以220 kV 2 500 mm2電纜為例，當(dāng)采用不同種類的護套時，其絕緣電阻如表5所示。

表5 采用不同護套材料時的絕緣電阻

由于PVC類護套材料對溫度很敏感，因此，如采用PVC作為電纜護套，在使用中遇到護套絕緣電阻過低或泄露電流過大時，可以考慮降低護套溫度或者換一臺泄露電流較大的設(shè)備再進(jìn)行試驗；在無法改變護套溫度時，用戶也應(yīng)該明白護套絕緣電阻在什么范圍內(nèi)是正常的。

1.3 阻燃性能

XLPE絕緣皺紋鋁護套電纜的阻燃性能與非金屬護套的氧指數(shù)及鋁護套的防腐層的材料有很大關(guān)系。

圖2～圖4是不同護層材料組合的電纜所做的成束燃燒試驗照片。從中可以看到，不同護層材料結(jié)合方式不同，燃燒試驗結(jié)果也不同，阻燃PE+熱涂敷瀝青這種組合方式的電纜連C類成束燃燒試驗都不能通過（見圖3），而采用瀝青漆或熱熔膠作為防腐層時，電纜則可以通過C類或更高一級的成束燃燒試驗。

圖2 半硬質(zhì)阻燃PVC通過A類成束燃燒試驗

圖3 阻燃PE護套全部燒光，不能通過C類成束燃燒

表6是各種防腐層和護套材料組合后的燃燒試驗結(jié)果。PVC類護套具有良好阻燃性，不加阻燃劑（即氧指數(shù)為27）且防腐層為瀝青時，就可以達(dá)到GB/T 18380規(guī)定的C類成束燃燒試驗的要求，當(dāng)氧指數(shù)為30時，就能達(dá)到GB/T 18380規(guī)定的A類成束燃燒試驗的要求（見圖2）；無鹵低煙阻燃護套當(dāng)采用熱熔膠時可以通過A類成束燃燒試驗（見圖4）。

圖4 無鹵低煙阻燃護套通過A類成束燃燒試驗

表6 阻燃性能比較

綜上所述，阻燃PE的阻燃性能并不理想，而半硬質(zhì)PVC材料本身具有自熄性，阻燃效果非常好。因此，當(dāng)電纜暴露在空氣中，如隧道、電纜夾層、電纜溝或橋架等有阻燃要求的場所敷設(shè)時，推薦采用半硬質(zhì)PVC護套電纜；當(dāng)然，如果采用瀝青替代材料（瀝青漆或熱熔膠等），采用阻燃PE或無鹵低煙阻燃護套材料也是可以的。

1.4 毒性與煙密度

PVC護套電纜在燃燒時會釋放大量有毒的氯化氫氣體，因此這類產(chǎn)品一般不建議敷設(shè)在有環(huán)保要求的場所。

阻燃PE的阻燃劑主要是十溴二苯醚和三氧化二銻（Sb2O3）。多溴對人體有害，歐盟RoHS指令已禁止使用，金屬氧化物含有毒重金屬銻，阻燃PE燃燒時發(fā)煙量大，釋放有毒、有腐蝕性的溴化氫氣體，也不能滿足環(huán)保及消防日益嚴(yán)格的要求。

想要實現(xiàn)高壓電力電纜的無鹵、低煙、阻燃及環(huán)保等要求，采用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的無鹵低煙阻燃聚烯烴護套是一個較好的選擇。需要注意的是應(yīng)同時開發(fā)一種瀝青的替代材料以滿足產(chǎn)品的無鹵、低煙和阻燃要求。對于110 kV及220 kV電纜來說，由于電纜外徑較大，可燃燒的材料體積較多，其透光率要想達(dá)到GB/T 17651規(guī)定的60%是相當(dāng)困難的，同一種材料在不同外徑的電纜上試驗所得到的透光率是有很大差異的。圖5是220 kV 2 500 mm2無鹵低煙阻燃護套電纜煙密度和溫度試驗曲線，而圖6是同一種無鹵低煙阻燃護套材料在小直徑中低壓電纜上的煙密度試驗曲線，可以看到前者透光率只有36%，而后者透光率卻為84.1%，兩者差距明顯。新版的IEC 61034對煙密度的試驗方法考慮到了這點，規(guī)定外徑大于80 mm的電纜在測試的最小透光率基礎(chǔ)上乘以D/80加以修正（D為被測電纜的實際外徑），此值才是實際的最小透光率。因此，透光率為36%的結(jié)果修正以后大于60%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 220 kV 2 500 mm2無鹵低煙阻燃護套電纜煙密度試驗

圖6 小直徑中低壓無鹵低煙阻燃護套電纜煙密度試驗

1.5 吸水性

對各種材料做吸水性試驗，按照 GB/T 2951.13-2008的重量吸水試驗方法進(jìn)行，結(jié)果如表7所示。從中可看出，PE材料的防水防潮性能特別好，阻燃PE和PVC類材料的吸水值差不多，均比較大。所以，從實際情況看，阻燃PE材料并不像理想中那樣，既能阻燃，又能保持PE優(yōu)良的防水防潮性能，其主要原因是阻燃PE中含有大量的添加劑，已經(jīng)徹底改變了PE原有的優(yōu)良的機械物理性能。

表7 吸水性比較

因此，電纜在排管敷設(shè)、地下直埋或有防水要求時應(yīng)采用普通PE護套材料，而不建議采用吸水值很大的阻燃PE和PVC類護套材料。

1.6 光老化

PE材料容易發(fā)生光老化，PE本身沒有吸收光線的基本基團，其產(chǎn)生光氧降解的原因在于聚合物合成和加工過程中體內(nèi)的殘留微量過渡金屬和引發(fā)劑殘基，或聚合物鏈中含有少量羰基、過氧化氫基團等。這些生色基團能強烈吸收紫外光，引起聚合物光氧降解反應(yīng)，導(dǎo)致PE護套在紫外線的照射下發(fā)生開裂。黑色的PE類護套材料中含有炭黑，不僅起到著色的作用，還作為很好的紫外線吸收劑。當(dāng)炭黑含量在（2.6±0.25）%范圍內(nèi)，分散度≤3級時，護套的殘余斷裂伸長率在30年內(nèi)不會低于80%，可以滿足電纜30年的使用壽命；而當(dāng)炭黑含量小于1%時，護套在陽光的照射下就會產(chǎn)生光降解反應(yīng)，一般1～2年內(nèi)護套的斷裂伸長率會急劇下降。

彩色的PE護套材料不含炭黑，因此需要加入UV穩(wěn)定劑防止護套產(chǎn)生光老化。但即使加入UV穩(wěn)定劑，在陽光的暴曬下，彩色的PE護套也很難滿足電纜的壽命要求，因為UV穩(wěn)定劑是有時效性的。圖7是紅色護套光老化典型示意圖，其橫軸代表使用年份，縱軸為殘余斷裂伸長率。從中可以看到，紅色PE護套在陽光照射下，3年以后斷裂伸長率就開始大幅下降，8年后斷裂伸長率只剩下10%，老化嚴(yán)重。因此彩色PE護套即使加入足量的UV穩(wěn)定劑，2～3年后，護套也開始降解老化。

因此對于彩色PE護套，用戶應(yīng)慎用。如果選擇彩色PE護套，卻不能避免暴露在陽光下，建議在彩色PE護套外擠包半導(dǎo)電護套，這樣可以避免光老化。

2 半導(dǎo)電護套材料

在對電纜外護套進(jìn)行直流耐壓試驗時，一直采用石墨作為電纜護套的外電極，但是石墨具有易脫落、污染環(huán)境的缺點，擠包的半導(dǎo)電層作為替代材料應(yīng)運而生。半導(dǎo)電層與PE或PVC外護套雙層共擠，能與外護套材料緊密結(jié)合。

圖7 PE護套光老化示意圖

在竣工試驗中，進(jìn)行外護套直流電壓試驗：電纜金屬套對地間施加直流電壓10 kV，時間1 min。為了確保半導(dǎo)電護套材料有良好的導(dǎo)電性，我們做過試驗，當(dāng)材料電阻率≥100Ω·cm時，將外護套人為破壞后，施加直流電壓，如果故障點和接地點距離1 m時，此時護套可以承受15kV以上的電壓，而當(dāng)電阻率≤35Ω·cm時，同樣條件電壓升至8 kV時，即發(fā)生爬電?？梢娙绻雽?dǎo)電層電阻率過高，將不利于外護套的外傷檢測。由于半導(dǎo)電護套材料沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的指標(biāo)差別較大，有的體積電阻率很高，材料成本也相差較大。

半導(dǎo)電護套材料不但具備良好的電性能和機械物理性能，而且不會污染環(huán)境，因此擠包半導(dǎo)電護套越來越得到廣大用戶的歡迎和認(rèn)可。

3 結(jié)束語

非金屬外護套對保護電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用，外護套的質(zhì)量直接關(guān)系到電纜的使用壽命。通過上述對不同種類護套材料性能的分析和比較，希望用戶能對非金屬護套的性能有一個比較全面的認(rèn)識，在選型過程中，能夠根據(jù)不同的使用環(huán)境采用性能最合適的非金屬護套，以保證電纜在壽命期內(nèi)安全運行。

［1］ GB/Z 18890-2002 額定電壓220 kV（Um=252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.

［2］ 王春江主編.電線電纜手冊第1冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 王 霞，陳少卿，成 霞，等.納米ZnO對聚乙烯抗紫外光老化的影響［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（10）：6-10.

［4］ IEC 60502-1：2009 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV（Um=1.2 kV）up to 30 kV（Um=36 kV）-Part 1：Cables for rated voltages of 1 kV（Um=1.2 kV）and 3 kV（Um=3.6 kV）［S］.

［5］ GB/T 18380-2008 電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗［S］.

［6］ GB/T 17651-1998 電纜或光纜在特定條件下燃燒的煙密度測定［S］.

［7］ IEC 61034-2：2005 Measurementof smoke density of cables burning under defined conditions-Part2：Test procedure and requirements［S］.

［8］ GB/T 2951.13-2008 電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第13部分：通用試驗方法-密度測定方法-吸水試驗-收縮試驗［S］.

Oversheathing M aterial Selection of High Voltage XLPE Insulation Power Cable

SONG Li-ya，ZHANG Dao-li，SHENG Dong-tian
（Shenyang Furukawa Cable Co.，Ltd.，Shenyang 110115，China）

The category of HV power cable oversheathingmaterialwas presented.The advantages and disadvantages of variousmaterialswere detailed analyzed from themechanical properties，electrical properties，flame retardance and other aspects.In the process of selecting the type，users should choosemost appropriate non-metallic oversheath with the best performance depending on the application environment，to ensure cable safe operation within the lifetime.

power cable；oversheathingmaterial；mechanical properties；electrical properties；flame retardant；low smoke zero halogen

TM215.1

A

1672-6901（2014）03-0022-05

2013-07-15

宋麗亞（1986-），女，助理工程師.

作者地址：遼寧沈陽市蘇家屯區(qū)大淑卜鄉(xiāng)胡家甸［110115］.