阻水型电力电缆材料及结构设计

4.5 水树和应变

    由于XLPE电缆是以挤出机挤出的绝缘层，加工时的条件不同，会造成绝缘内有残余应变，在电缆管路敷设和海底电缆的敷设时，都存在附加的弯曲、扭转等机械应力。试样是预先加50%拉伸应变的半交联（交联度30%-40%）的PE片，由碳黑的纤维端发生水树，不管纤维是什么方向，水树伸长的方向都垂直于试样的拉伸应变方向，而无拉伸应变的试样容易引起水树拉伸。

    用水针电极讨论PE在加拉力状态下的水树伸拉特性，和残余应变一样，水树伸随着外力增加而变大。从上述实验结果表明，不论是内部应变，还是外部应力，若在应力方向有水树，其伸长就会变得容易。

关于伴随水树进展的应变发生原因还不太清楚，有认为应力源处应变增加是由于浸水耐电中因介电电泳方向高场强集中的水的反复膨胀收缩造成的。

4.6 水树与电荷

    YING LI等人用电声脉冲法研究了交流电场下含水树的聚乙烯中的空间电荷分布。实验发现在水树区和非水树区的接口上有空间电荷，而在水树区并无空间电荷。空间电荷的量直接正比于测定时的电压。这证明了在水树区和非水树区由于不同的电导率引起的接口极化现象。实验中提出的模型能够解释全部的实验结果。己证明空间电荷仅仅存在于水树的{jd0}，而电声脉冲法能够用于非破坏性预估水树的长度和方向。另外，我们实验室研究了聚乙烯材料的吸水与空间电荷的关系。实验发现随着材料吸水量的增加，在直流电场的作用下材料中的空间电荷有增加的趋势。

4.7 水树的抑制实验

    通用的抑制水树的方法如下：(1)提高绝缘强度作为目的的添加剂效果。实验结果是水树发生数和结果减少；(2)加入电解性物质，气隙内发生水的凝结，电场下降，增大了水气吸内的化学势，防止水再进入气隙，能够抑制水树；(3)添加剂（电压稳定剂）的效果。当电压稳定剂加入电缆时，比没有添加剂的电缆水树发生数要少。

    用添加剂的任务是：(1)缓和绝缘体中的凸出物、气隙的局部高场强；(2)增加气隙内的化学势，预防气隙内进入水。

4.8 水树引起的绝缘老化的诊断

(1)水树发生、进展和绝缘电阻的关系一般而言，水树的发生次数越多、长度越长，电缆的绝缘电阻率下降的倾向，以及直流泄漏电流增加。

(2)水树的发生、进展和tgδ的关系水树发生的概率越大，水树越长，tgδ一般增大。当发生水树电缆的tgδ＞5%时，电缆将无法安全运行。

(3)水树的发生、进展和交流击穿电压的关系一般而言，水树变长，交流击穿电压都下降。

(4)非破坏性试验方法诊断因水树引起的绝缘老化以下提出从直流绝缘电阻与静电电容的乘积和tgδ两个方面对额定电压6.6kV XLPE电缆进行绝缘老化的综合判断的方法；

(5)当绝缘电阻与静电电容的乘积（Ω.F）和tgδ（%）同时满足表1所列判断标准时，就发生了有害于运行的水树。

（注：因为电缆的绝缘电阻值受到供实验的电缆的断面积、绝缘厚度和长度的影响，因而以绝缘电阻值和静电电容值和乘积表示）。

   (1) tgδ＞5%，并且在直流测定电压是10kV或16kV，泄漏电流分别大于0.1μA和0.3μA时就断定存在着水树的某些缺陷。

   (2) 提议采用直流的充放电特性检测水树。

第五章新型阻水材料

    一类新的用于电信电缆的密封填充油膏已得到ANSI和ICEA的认可。这项技术将超级吸水聚合物与触变胶体物质相结合从而达到电容稳定和超强防水的话缆性能.此外，这种新型油膏具有独特的性能，能自愈因水侵入而引起的短路，（这种短路会发生于绝缘导线存在裂缝时）同时补偿铜导线受热时的电容变化。在此说明这类油膏的合成技术及材料作用的机理，涉及的特性包括：

1、承受较高的水柱压力的能力；

2、在湿度及温度变化时钢缆的电容稳定性；

3、老化时导线绝缘层的氧诱导时间：

4、涮试自愈特性，xx由水引起的短路；

5、绝缘稳定性。

5.1 当前的技术状况

    在现在所采用的技术中，电缆的生产通常基于两种设计：空气缆和填充缆。空气缆空隙处没有油膏或任何其它的阻水材料，而填充缆的空隙在生产过程中填充有油膏以防止水浸人电缆。用于填充缆的油膏绝大部分是热熔性材料，像油、石蜡和橡胶混合物。采用这些材料的目的在于通过疏水及充填空隙，阻止水进人电缆。

    然而，由于热熔性材料在冷却过程中会产生收缩，这类材料实际上只是延缓了水之进入电缆。

"干燥的"阻水电缆设计近来已经被采用，利用附着于带材、线或散在电缆内的超级吸水剂达到阻水目的。这些粉剂的作用就是在水分进人缆芯之前吸收全部水分，膨胀形成阻水墙阻隔更多水分流动。

然而，这类技术的缺点在于这种"干燥的"电缆构造会导致较高的维护费用，否则，会造成整个电缆的失效。例如，"干燥的"电缆设计是基于一种认识，即超级吸水剂遇水膨胀，在吸水的情况下，阻断了更多的水进人电缆。这个概念与实际情况不符，即超级吸水剂干了，它吸收的水份以水蒸气的形式蒸发了（水蒸气将存在于电缆内部环境中），且在一个封闭的空间内保持着35%-95%的相对湿度，换句话说，一旦水进入了"干燥"电缆结构，水汽能渗入代电缆空隙，这在接续盒和系统接续箱的空隙中也是普遍存在的，最终在光纤、导线或接续盒中凝结的水汽开始腐蚀、短路铜缆系统，微结晶，分层或影响光纤系统。

在新的分类系下，美国国家标准局（ANSI）和绝缘工程师协会（ICEA）最近已列出一类新油膏"吸水触变油膏"，（ATG）用于ANSI/ICBA标准S-86-634项下的"直埋配线及用户通讯线的填充、聚烯烃绝缘、铜导体"。ICEA标准S-91-674-1996项下的"同轴电缆和同轴/对绞复合直埋用户线"和ICBA标准S-99-689-1997项下的"填充、聚烯烃绝缘、铜导体、宽带绞对电缆及通讯线的材料"。

5.2 ATG的工作原理

    由悬浮于介电触变胶体基的阳性聚合物合成的ATG油膏能防止水进入电缆，方法是在进水点的油膏与进人电缆的水的分子形成氢键，氢键固定了水分并形成阻水墙阻止更多的水分进人电缆。ATG的触变特性使填充能够在常温下进行，并达到100％的填充效果。若在生产中产生空隙，ATG 将在分子水平上与水构成氢键，将水转入非流体的、高粘度的胶体，不可流动。传统的填充油膏试图通过xx空隙阻水，但由于油膏的热膨胀和冷却收缩，会产生空隙，积流水分。ATG 还有能力xx由水引起的电性短路，这种短路发生在有水渗人小针孔或绝缘导线的裂缝中时。

特性

    这部分给出与ATG 油膏特性有关的性能参数，这是在电缆外部测量的。主要包括：

l)包括在材料规格中的物理特性；

2)稳定的互电容测试（在温度及湿度变化时）；

3)分别填充ATG 和ETPR的电缆的水柱测试；

4)测试自愈特性；

物理特性

    ATG 填充油膏的电性能和PEPJ和ETPR热熔性油膏的相似。由于ATG是冷填充油膏，较之热熔性油膏，其充满率更高。

    ATG 油膏是触变性的。因为不存在油分离，用户不必担心电缆受热时会发生滴流。具有这种特性是因为ATG 油膏不受温度影响。表1资料表明ATG 的优越性能：

    1.在离心机上的试验显示普通的用于光缆填充的油膏的油分离特性较之ATG 的要高许多；

    2. 80℃时用Seicor试验方法测得ETPR油膏的油分离程度是ATG的10倍。

    表-1给出的吸水资料取自已被证实在电缆测试中有效的产品，但还没有针对这个属性的确定的工作性能标准.

表2：三种填充剂在电容与温度关系上的比较

表三：水深入电缆的英尺数(黑色为  ATG  填充剂，空格为ETPR，斜纹为PEPJ)

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