高壓電纜用半導(dǎo)電緩沖阻水帶性能研究

張洪宇, 施楠楠

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200093)

0 引 言

高壓電纜用半導(dǎo)電緩沖阻水帶簡稱“阻水帶”,由兩層無紡布帶中間加一層膨脹阻水粉組成的,阻水帶應(yīng)用于高壓電纜絕緣屏蔽層和鋁波紋管鎧裝層之間,起到電氣連接的作用,降低絕緣表面電荷的富集,降低局部放電的可能;同時(shí)阻水帶可填充鋁波紋管,防止水進(jìn)入鋁波紋管護(hù)套,降低高壓電纜水樹等失效性能的發(fā)生[1-5]。因此,阻水帶是在高壓電纜使用時(shí)降低電纜失效的有效輔助材料。

近年來,我國高壓電纜不管在里程還是在運(yùn)營維修方面增加了較大財(cái)力和物力,但是電纜線路每百千米故障率達(dá)2%,其中電纜故障率為0.08%,經(jīng)分析故障處會有阻水帶的燒蝕現(xiàn)象發(fā)生[3],因此對阻水帶的性能研究勢在必行。阻水帶老化后的電學(xué)性能穩(wěn)定性和物理性能穩(wěn)定性極為重要,應(yīng)選取市面上較為典型的阻水帶進(jìn)行基本性能及老化性能的研究。目前,阻水帶產(chǎn)品的性能檢測及分析比對鮮有報(bào)道。

本工作對不同廠家的阻水帶進(jìn)行含水率、吸水性、斷裂強(qiáng)度、電阻、老化后的性能等試驗(yàn),并對老化后的樣品進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn),通過分析,篩選出穩(wěn)定性較高的阻水帶樣品。

1 樣品及試驗(yàn)部分

1.1 儀器與樣品

JSL-500N型電子拉力機(jī);CH-10-C型多頭測厚儀;300 mm鋼直尺,RL100型老化試驗(yàn)箱;梅特勒-托利多XS 104型分析天平,WS270H型高低溫濕熱試驗(yàn)箱;PHENOM PROX型電鏡。

1.2 儀器工作條件

試驗(yàn)均在(23±5)℃、(45±5)%環(huán)境下進(jìn)行。

選用3家同型號規(guī)格的阻水帶產(chǎn)品,編號分別為A、B、C,規(guī)格均為80 mm×2.0 mm(80 mm為寬度,2.0 mm為厚度)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 基礎(chǔ)性能試驗(yàn)方法

膨脹高度及膨脹速率試驗(yàn)采用JB/T 10259—2014[5]《電纜和光纜用阻水帶》附錄C中方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)選取150 mL水為基準(zhǔn);拉伸試驗(yàn)按照GB/T 24218.3—2010[5]《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)環(huán)境需滿足GB/T 2941—2006[6]中溫度和濕度規(guī)定;表面電阻按照J(rèn)B/T 10259—2014[7]中的要求進(jìn)行試驗(yàn);體積電阻率按照J(rèn)B/T 10259—2014[7]中的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 老化性能試驗(yàn)方法

(1)溫度老化90 ℃/7 d。

將5個(gè)試樣置于(90±2)℃自然通風(fēng)老化箱中,恒溫168 h后取出,冷卻至室溫,老化后對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、吸水試驗(yàn)、表面電阻,以及體積電阻測試。

(2)溫度老化135 ℃/7 d。

將5個(gè)試樣置于(135±2)℃自然通風(fēng)老化箱中,恒溫168 h后取出,冷卻至室溫,老化后對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、吸水試驗(yàn)、表面電阻、體積電阻測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻水帶基礎(chǔ)性能

A、B、C 3個(gè)不同廠家生產(chǎn)的同種規(guī)格的阻水帶基礎(chǔ)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 樣品A、樣品B、樣品C阻水帶基礎(chǔ)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知:樣品B類型的吸水能力及體積電阻優(yōu)于樣品A和樣品C,其吸水率(18.5%)最高,在電纜中吸收水分的能力最大,同時(shí)其體積電阻較小,導(dǎo)出電荷的能力較優(yōu)。樣品B的斷裂強(qiáng)度最高,為107 N·cm-1,這為后續(xù)繞包在高壓電纜絕緣工藝帶來了便捷。

2.2 阻水帶老化性能

2.2.1 老化后的拉伸試驗(yàn)

阻水帶經(jīng)過90 ℃和135 ℃環(huán)境下,老化168 h后拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 老化后拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,90 ℃老化后,樣品B的斷裂強(qiáng)度變化最小,表明該阻水帶的無紡布結(jié)構(gòu)及其微觀結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定,加熱后發(fā)生少量或未發(fā)生纖維黏連或者熔化的現(xiàn)象。樣品A斷裂強(qiáng)度增加2.9%,這可能是樣品A受熱,其無紡布纖維熔化黏連造成的。樣品C斷裂強(qiáng)度及伸長率變化較大,說明其受熱老化后較不穩(wěn)定。

135 ℃老化后樣品C的伸長率及斷裂強(qiáng)度變化最小,表明樣品C在135 ℃機(jī)械性能較優(yōu),更適合高溫環(huán)境下使用,樣品A和樣品B的伸長率變化較大,樣品A增加了15.38%,樣品B減少了7.14%。樣品B在135 ℃老化后的性能變化較大,表明樣品B更適合低溫環(huán)境下使用,隨著老化溫度的增加,樣品A、樣品B、樣品C的強(qiáng)度及伸長率均有持續(xù)增加的趨勢,這表明高溫會造成阻水帶中有機(jī)纖維的熔化,冷卻后熔融纖維經(jīng)過重結(jié)晶融合在一起,從而增加其強(qiáng)度和伸長率。

2.2.2 老化后的膨脹速率及膨脹高度

阻水帶在90 ℃、135 ℃溫度下老化后對其進(jìn)行150 mL的吸水膨脹試驗(yàn),吸水膨脹試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知,3種樣品經(jīng)受90 ℃,168 h的老化后,其吸水膨脹速率有較明顯的下降,其中樣品A和樣品B下降變化率分別為61.29%和40.91%,樣品C變化最小,為7.46%。當(dāng)老化溫度為135 ℃時(shí),3種樣品的吸水膨脹率和膨脹高度下降率均超過了50%,其中,樣品B的膨脹速率下降了94.54%,基本上不具備吸水的作用。如高壓電纜長時(shí)間異常升溫,很可能造成半導(dǎo)電材料的失效。

表3 吸水膨脹速率及高度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 老化后的體積電阻率

阻水帶在90℃及135℃老化后的體積電阻率及體積電阻率相對原始值的變化率見表4。樣品A和樣品C在90 ℃及135 ℃老化后的體積電阻率的變化率均超過了10%,電阻增加得較為明顯。阻水帶老化后減弱了導(dǎo)電能力,電阻的增加較易造成絕緣屏蔽層和金屬套之間形成電位差,阻水帶上就容易產(chǎn)生電流,后續(xù)會增加阻水帶溫度,最終會因熱量的緩慢沖擊造成阻水帶的破壞,同時(shí)金屬層會被電蝕[3]。因此,阻水帶老化后的電性能至關(guān)重要,如變化較大勢必會造成金屬層的電蝕。

表4 樣品老化后的體積電阻率

樣品A和樣品C老化后的電阻增加較為明顯,雖然樣品B 135 ℃老化后吸水能力降低較為明顯,但是其電性能變化最低,當(dāng)高壓電絕緣表面有電荷富集時(shí),電荷可以較容易地將電荷運(yùn)輸出去,不易造成絕緣和金屬層的電壓差,為高壓電纜的正常運(yùn)行提供保障。

2.2.4 阻水帶老化前后的SEM圖譜

圖1為阻水帶SEM圖譜。由圖1(a)可知,阻水帶纖維老化前后表面變化較為明顯。圖1(a)為阻水帶未老化的微觀圖,阻水帶纖維表面光滑,白色顆粒及不規(guī)則塊狀物為阻水粉。圖1(b)為阻水帶老化后的微觀圖,可以較為明顯地發(fā)現(xiàn)阻水帶纖維表面有開裂或結(jié)塊的現(xiàn)象發(fā)生,如箭頭所指位置。

圖1 阻水帶SEM圖譜

樣品經(jīng)135 ℃,168 h老化后對阻水帶的微觀結(jié)構(gòu)具有一定的影響;阻水帶的導(dǎo)電物質(zhì)為石墨,石墨在高溫空氣環(huán)境下會發(fā)生一定的氧化反應(yīng),以及阻水帶纖維高溫環(huán)境熔化及再結(jié)晶,造成了阻水帶體積電阻增加。阻水帶纖維表面開裂或結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生降低了阻水帶的吸水能力,因此,阻水帶老化后期吸水膨脹速率及高度大幅降低。

3 結(jié)束語

阻水帶隨著老化溫度的增加,伸長率及強(qiáng)度也相應(yīng)增加,這可能是高溫將阻水帶內(nèi)部的纖維熔化黏連造成的;樣品老化后吸水膨脹變化較大,樣品B在135 ℃環(huán)境下老化,基本失去了吸水功能;總體上樣品B在90 ℃環(huán)境下的表現(xiàn)較優(yōu)異;樣品A和樣品C的電阻較高,老化后吸水能力及電性能變化較為明顯;樣品B老化后電性能變化較小,樣品A和樣品C體積電阻變化較為明顯,為高壓電纜的失效帶來了風(fēng)險(xiǎn)。