阻水电缆的结构设计与材料选择

阻水电缆的结构设计与材料选择
阻水型电力电缆材料及结构设计
摘要:阻水型电力电缆作为电线电缆行业的一个新品种，正随着经济的发展、技术的成熟而得到推广应用。

该文就阻水电力电缆结构设计和阻水材料提出一些看法。

关键词:阻水型电力电缆;结构;选材;工艺特性;改进
第一章引言
随着我国国民经济的快速增长，特别是农村及城市电网建设改选步伐的加快和各地房地产业的蓬勃发展，我国的电力事业得到了快速发展，从而推动了为电力工业相配套的电工行业，尤其是电线电缆行业的发展，电线电缆的品种发展呈现出多样化的趋势。

电线电缆已经从单纯的电力传输向多功能化发展，即根据不同用途分别被附加了一些新的特性。

例如:阻燃电缆，耐火电缆，低卤，低烟电缆，无卤低烟电缆等等。

对电力电缆的阻水要求也是近几年才发展起来的，以前对阻水的要求主要限于海底电缆，超高压电缆和通信电缆的应用上。

随着对绝缘吸水和水树的研究及认识的加深，人们越来越意识到防水性能对中高压电力电缆的重要性。

在地下水位较高或常年多雨地区(比如我国长江以南地区)。

越来越多的用户对电缆提出了防水的要求。

电力电缆大多采用直埋敷设方式，所以电缆承受来自于土壤压力和由于人为因素而受到外力损伤的可能性很大。

从敷设形式看，国外大多采用机械保护和防水为目的的金属保护套，或者采用包覆薄金属带等防水层的电缆。

但是这种电缆，一旦受到损伤，水便从损伤处侵入电缆内部，进而渗入到电缆内部的间隙(导体绞线间，挤包外半导电层，屏蔽层或金属护套之间等)。

沿着电缆纵向扩展，从而导致大长度电缆无法使用。

当直埋电缆发生故障时，通常在事故发生点处要换一段新的电缆，使线路恢复运行，因此水
一旦浸入电缆内部时，其渗水距离应越短越好，为了阻止浸水后的渗水，一般采用间隙部分绕包吸水性膨胀材料的方法，一旦浸入水便于堵住间隙。

1.1 水分对电缆的危害
要确定阻水电缆的结构首先要知道水分对电缆的危害。

一般而言，水分浸入到电缆中后主要影响是电缆的导体和绝缘。

就导体而言，电缆在正常运行时处于一个热稳定状态，导体温度一般都在60以上，如果有水分浸入就会导致导体氧化，使得导体单线间的能量损耗电阻增加从而增大了导体电阻，增加了输电线路的能量损耗，就绝缘而言，虽然聚乙烯是极难溶于水的非极性疏水物质，但是聚乙烯是一种由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物。

聚乙烯相结构紧密，但晶界存在缺陷;无定形相中的分子排列疏松。

分子间存在较大的间隙。

水分子是极性的，在交变电场下扩散力及电场力的共同作用使水分子很容易渗透到聚乙烯无定形相的容隙和晶相的晶界缺陷中，交联聚乙烯分子结构中也存在上述问题，同时交联聚乙烯中有较多的交联副产物充当杂质，因而交联聚乙烯在交变电场下也有较大的吸水率。

交联聚乙烯和聚乙烯绝缘吸水后会产生水树使得运行中的电缆发生击穿而损坏。

1.2 可行性分析
现在我国电力电缆的阻水结构大多是借鉴于通信电缆，主要是通过增防水层达到防止水分透过护套渗入到绝缘层的目的。

要实现电缆的全面阻水，不但要考虑电缆径向的水分渗透，还要考虑到有效阻止水分侵入电缆后沿电缆的纵向扩散。

因为如果不考虑电缆的纵向阻水，当护套密封不严或破损时，侵入到电缆内部的水分会沿电缆纵向扩散，造成整根电缆报废，
使损失扩大。

IEC国际标准中也推荐额定电压6kV~30kV及30kV~150kV挤包绝缘电力电缆具备纵向阻水结构。

普通电缆本身不具备阻水特性，在地下水位较高或常年多雨地区水分很容易渗入护套或从护套的破损处侵入到电缆内部。

并引发事故。

早在20世纪70年代，交
联聚乙烯绝缘电力电缆中的水树问题就引起了国际电缆行业的极大关注，并且很多国爱都作了大量的研究工作。

最初主要是考虑对交联聚乙烯进行改性，采用添加电压稳定剂及其它添加剂的方法来抑制水树的产生。

此举虽有一定效果但并不显著，末能从根本解决问题。

后来的实践经验证明，防止外来水分侵入是解决交聚乙烯电力中水树问题的最佳途径。

第二章结构、选材及关键工艺
2.1 电缆内部纵向渗水处(如图1)
a)金属丝屏蔽型 b)铝护套型2
1-导体 2-内半导体 3-绝缘层 4-外半导电层 5-屏蔽层
6-包带 7-塑料护套 8-垫层 9-间隙 10-波纹铝护套
11-塑料防护层阴影-纵向渗水可能发生处
2.2 径向阻水型的电缆结构
一般电缆所用的护套材料是聚氯乙烯，而聚氯乙烯分子是极性的，极性的水分子极易透过聚氯乙烯层侵入到电缆中，目前要实现电缆的纵向阻水在技术上的不存在问题，只要在护套内加一层水密性材料构成的阻水曾即可。

目前普遍采用的方法是在聚氯乙烯外护套内挤包一层中高密度聚氯乙烯内护套或纵包一层铝塑复合带作为纵向阻水隔离套。

纵向阻水电缆结构如图所示:
(1)聚乙烯(内护套)防水隔离套
聚乙烯在交变电场下易吸水并不说明聚乙烯材料的水密性不好。

聚乙烯材料的水密性比聚氯乙烯高数百倍，挤包聚乙烯阻水层再配合一层吸潮垫层(如阻水包带)可以满足敷设在一般潮湿环境中的电缆的纵向阻水防潮要求。

采用聚乙烯材料在阻水隔离套在工艺上实现起来比较简单，在不添加任何生产设备的情况下就可以实现。

因为聚乙烯层只是作为阻水层而不考虑其机械强度等因素，出于成本和工艺方面的考虑在工艺设计时其厚度在1.0~1.5mm即可达到很好的效果。

(2)铝塑复合带聚乙烯粘结防水隔离套。

如果把电缆敷设在水中或特别潮湿的环境中，聚乙烯防水隔离套的径向阻水能力就显得不足了，对于径向阻水性能要求较高的电缆，其阻水隔离套应选用水密封性更好的材料，现在采用较多的是在电缆缆芯外包一层铝聚乙烯复合带。

理论上讲，铝-聚乙烯复合带的水密封性比单一的聚乙烯高几百甚至上千倍，只要复合带的接逢处完全粘结密封水分几乎是无法透过，纵包铝-聚乙烯复合带聚乙烯粘结的关键工艺有两方面:一是纵包工艺，纵包时要做到紧且圆整，消除纵包搭缝处的“荷叶边”(即复合带边缘的纵向弯曲);二是粘结工艺，应保证复合带与聚乙烯内护套及其复合带搭缝处粘结完善。

生产铝-聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水电缆需要一台专用的纵包设备，同时为了保证工艺需要考虑纵包长模，纵包止转定位装置(防止纵包过程中电缆的左右摆动及转动)。

定位导轮及成型涡轮等的设计和正确
使用。

同时考虑到电缆在运行中热膨胀因素，在防水层与绝缘线芯间应加一层具有较好弹性且吸水的缓胀垫层(如有吸潮能力的无纺布或阴水包带)生产铝/聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水电缆需要一定的奖金投入和设备改造。

2.3 纵向阻水的电缆结构
前文己讨论了电缆纵向阻水的重要性。

要实现电缆的纵向阻水在理论上并不困难，就是要有效阻断水分在电缆内部的纵向信道(包括导体内部间隙，成缆线芯之间的间隙，各护层之间的间隙)目前大多数电缆生产家考虑是如何从电缆外部阻断纵向水流信道，对于单芯电缆较易实现，但对于多芯电缆和铠装结构的电缆实现起来仍有许多难点。

目前用于电缆中的阻水材料主要有填充膏，热熔胶及阻水带等，从材料的阻水材料特点可以将它们分为两类:一类是静态被动阻水，也就是利用填充材料(热熔胶阻水环，阻水填充膏等)本身的电缆线芯及护套的良好接触密封性达到阻止水分在电缆内部流动的目的;另一类是主动吸水并迅速膨胀，从而达到阻断水分在电缆内的流动信道。

阻水填充膏和热熔
胶均属于静态被动性阻水材料。

这种结构最初都是借鉴于光缆阻水结构，生产工艺复杂，效率低，并且使用填充膏会给施工带来很大的不便。

阻水带(纱)遇水能够迅速膨胀且能达到一定的膨胀高度并能形成强度较高的凝胶，是一种理想的主动性阻水材料，采用阻水带，阻水绳，阻水纱作为阻水材料工艺简单施工方便并且生产效率高，所以这种结构受到用户和生产厂家的普遍欢迎，由于单芯电缆绝缘与护套之间接触面较平整，只要在外护套与线芯间绕包一层阻水带即可达到很好的纵向阻水效果。

如有金属屏蔽，则需要在金属屏蔽层内侧绕包半导电阻水带。

多芯电缆还需要在成缆线芯的间隙中用阻水绳，阻水纱进行有效填充，然后用阻水带进行绕扎，有铠装层的电缆，则还需要在铠装层内外两侧各绕包一层阻水带。

采用阻水绳，阻水纱进行填充的电缆虽然有很大优势，但同时也存在一些问题，一是价格问题，由于阻水绳价格高，采用其作为填充材料会使电缆成本大幅上升，二是阻水效果，对于单芯电缆和小截面的多芯电缆，上述结构并不存在什么问题，但对于大截面的多芯电缆，由于成缆线芯间隙较大，用阻水绳进行填充时，有时会因为阻水绳来不及吸水膨胀而使阻水失败。

为了解决上述问题，确定一种工艺简单施工方便，性能可靠且成本相对较低的阻水结构，许多电缆厂家和材料厂家在填充材料方面做了大量试验，并且研制出了很多新型的阻水填充材料。

国外早期采用石油膏，由于其存在接头施工困难，导电性能下降等缺陷而逐步淘汰，取而代之的是采用超强吸水膨胀材料其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水分后膨胀材料。

其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水份后膨胀形成和保持凝胶状，从而阻止水进一步侵入及造成纵向流动，引起绝缘破坏。

超强吸水膨胀材料是一种吸水特别强的物质，它的吸水量为自身的几十乃至几千倍。

目前超强吸水材料发展极快种类繁多，就其原材料来源可分为:淀粉系，纤维系，合成聚物系。

制品形态有粉末状，纤维状和薄膜状。

在电缆工业中应用于径向阻水各种电缆中，也有超强吸水绳绞合在导电线芯中，以起到纵向阻水作用。

超强阻水材料填充导电线芯空隙一般采用两种方法。

一种为采用绳子形态与导电线芯均匀分布后一起绞合，另一种采用粉末状态在每层导电电单线绞合后都均匀涂覆表面。

新型的阻水材料均具有以下特点:1、兼有被动性阻水材料和主动性阻水材料的优点，2、成本相对于阻水绳要低得多，3、不会为电缆施工带来不便，4、材料中不含增朔剂，硫化剂等，与绝缘护套及金属屏蔽层等兼容性好
采用上述阻水材料作填充材料并结合阻水包带生产的阻水电缆，在实际应用中效果良好，(结构如下图)
实现电缆的全面阻水特性，还需要解决导体阻水的问题，因为绞合导体中单线之间存在间隙，当导体中有水分浸入时会沿导体快速扩散，业内也早己认识到这个问题并作了努力，例如将导体改为紧压结构并逐步提高导体的紧压系数。

但采用紧压结构对导体阻水的效果并不明显。

因为采用紧压结构的导体中仍会存在间隙，水分会在毛细管作用下沿导体扩散，同时过分提高导体紧压系数会破坏导体中单线的金属结晶结构。

导致导体变硬，电阻增加。

要彻底解决导体阻水问题其根本就是采用间歇或连续的阻水屏障将导体中的间隙切断。

目前较通用的方法是在绞线时在各层绞线之间填充疏水材料或阻水材料从而达到切断导体内间隙信道的目的。

如导体绞合时各层单线之间涂覆橡胶或绕扎阻水纱的方法均能达到较好的阻水效果并且不影响导体的机械物理性能和电气性能。

2.4多芯阻水电缆结构的改进
通过上述分析可以看出，单芯电缆实现阻水结构较多芯电缆简单。

并且单芯阻水电缆的阻水效果较多芯电缆好。

同时在加工工艺上单芯阻水电缆不需要增加额外设备且生产工艺简单，在施工中单芯电缆比多芯电缆易于敷设，接头在实际输配电线路中，可用同等截面多根单芯电缆代替多芯电缆使用，并且更利于电缆运行时散热，用多根单芯电缆代替多芯电缆时，为了方便施工可将多根单芯电缆绞合在一起并将两端扎紧。

如图
现在上海电力局已经开始将额定电压10KV及以上的三芯阻水电缆用三根单芯电缆代替，三根单芯电缆相对于三芯电缆在保证原有性能的条件下材料用量来增加却简化了生产工艺，同时也大大提高了阻水效果，因此在设计和选用阻水电缆时推荐以多根单芯电缆代替多芯电缆
2.5 吸水带
1)吸水带的结构
吸水带的材料容易改进，所以广泛应用于阻水电缆中。

吸水带是由聚酯无纺布作基布和添加了吸水聚合物的橡胶及塑料涂料构成吸水带如图标
图2 吸水带的结构
2)吸水聚合物
吸水聚合物有丙烯醇，纤维素，聚氧化乙烯等多种材料，但考虑到吸水速度，吸水凝胶的粘度，分解率，耐热性，不洁物和使用环境等因素，有必要对其进行选择，这其中丙烯酸的吸水聚合物显示出较好的特性。

3)吸水带的特性
吸水带阻水的机理是当进水膨胀后吸水带应充满电缆内空隙，从而确保不再纵向渗水。

因此在带子周围的间隙处添加适量的吸水聚合物，特别是较大空隙处的吸水带要求有较高的吸水能力;还要求其膨胀后的吸水凝胶不从空隙内流出。

故对膨胀后吸水凝胶的粘度，吸水带及电缆的结构进行研究。

另外，用在导体部分的吸水带。

需要耐受近200摄氏度的交联温度
导体部分吸水带在加热过程中的吸水能力见图
2.6电缆的构造
研究阻水结构时，由于电缆的结构不同，渗水特性也不同，因此需要对适合电缆结构的吸水带的特性，如吸水高度，吸水速度(吸水后达到带的吸水高度的时间)，进行带材的选择。

此外，将吸带包在外半导电层上时，带的P-T(固有热阻率-温度)特性和电缆的tg上升值有关。

因此采用p-t特性稳定的吸水带，并且在电缆上测试tg-t( 时间)，需确认吸水带在使用时不发生问题。

以下就是电缆的不同结构提出各种不同的阻水结构
1)阻水型导体
导体的阻水以往主要是在导体内填充水密化合物，填充绞线间的空隙，但是为了提高制造的工作效率，缩短电缆在中间连接时清洗化合物所需工时和施工作业的时间，采用了绞线过程中将吸水带插入绞层间的结构，如下图，关于导体导通的问题，经过实践的确定，插入的吸水带因绞线压缩时导线间挤压而部分破损，从而导通，并在电缆连接和终端组装时不发生问题。

2)阻水型铅包结构
对于铅包结构电缆，外导电层和铅包的交界面是光滑的。

插入外半导电层和铅包间的吸水带不需要特别高的吸水高度。

因在铅包挤出时的热量将吸水带融化在外导电层及铅包上，因此应采用耐热性较好的吸水带。

3)阻水型金属丝屏蔽结构
对于金属屏蔽结构电缆，将金属下的垫带及金属丝上的包带改作为吸水带，使其紧压金属丝，这包带的张力与以往使用的布带具有同等张力。

这种结构的阻水效果很好。

此外还要考虑到，带子的吸水高度充满金属丝的间隙，却使吸水高度很充分，但实际上一旦绕包在缆芯上，由于带子的结构及包带的压力，其得不到期望的高度，故采用吸水高度较大的材料可取得了充分的阻水效果。

4)阻水型铝护套结构
对于铝护套结构电缆，绝缘线芯在负载作用下，反复热膨胀或收缩，所以在铝波纹管内侧必须设置空隙，因此吸水带要使用膨胀性好且吸水高度高的材料，来填充间隙。

因此吸水带使用膨胀性好且吸水高度高的材料。

来填充间隙，却使螺旋状的波纹也是可以阻水的但需要较厚的绕包带和膨胀性好的吸水带，这就造成了电缆成本的提高。

因此采用环形(独立环形)的铝波纹护套作阻水电缆如图，为环形波纹管和螺旋纹管护套的结构比较
环形波纹管的特点是自我独立空隙，可以封锁水路，而螺旋波纹管的空隙呈螺旋形连接而形成水路，吸水带及其它阻水材料同样需要考虑p-t特性，吸水高度，吸水速度及耐热性，而且因为绕包在铝护套下，其膨胀性也很重要。

另外还要考虑渗水时吸水带的化合物不能流出。

第三章阻水材料
(一)聚丙烯
聚丙烯是丙烯的均聚物，简称PP。

它具有优良的力学和电绝缘性，良好的耐化学腐蚀性，而且耐热性好，因此PP的应用范围很广。

在电线电缆方面，由于聚丙烯优异的电绝缘
性能，且不受湿度的影响，工艺上可连续挤包或以薄膜绕包制造电缆电缆，故特别适用于高频通信电缆、大长度油矿测井电缆的绝缘、10KV及以下的电力电缆及电缆终端盒。

聚丙烯的结构特点
聚丙烯的分子结构式如下:
聚丙烯是典型的立体规整型的高聚物，其性能除和分子量有关，还受到立体规整性的影响。

聚丙烯通常是等规聚合物，具有高度的结晶性。

当熔融状聚丙烯冷却时，便生成结晶，在杂质或内应力集中处首选生成晶核，然后从晶核向四周以球形成长，形成球晶。

冷却速度大，则生成的球晶小;缓慢冷却时，球晶的大小为急冷时的数
倍。

球晶的数量、大小和种类，对聚丙烯的物性及工艺性能有很大的影响。

球晶越大、越脆，这是因为在紧密性增加的同时也造成了易于分离的结果。

聚丙烯等规度高，结晶度越大。

此外，在通常情况下，分子量依存性越大，分子链的扩散越难，结晶度则下降。

但即使同样的分子量，由于成型条件的不同，或以后加热方式的不同，结晶度也会变化。

结晶度的大小直接影响聚丙烯的密度。

聚丙烯非结晶部分的密度为
330.85g/cm结晶部分的密度为0.935g/cm一般聚丙烯的结晶度介于30%~70%之间，密度为
30.90g/ cm左右。

当聚丙烯结构、结晶薄片的厚度、球晶结构、无定形部分状态产生变化时，即使结晶度相等，其物理性能也不同。

一般说来，球晶小的，在急冷和低温下热处理处，结晶度即使相等，但屈服强度和冲击强度等也会变大。

聚丙烯的分子量及其分布情况，对熔融时的流动性能(即加工性能)有很大的影响，其规律与一般高分材料相同。

聚丙烯的性能
电线电缆用聚丙烯有粒料和薄膜两种，下表为聚丙烯的基本性能。

项目单位数值
3密度 g/cm 0.90-0.91 吸水度 % 0.03-0.04 抗拉强度 Mpa 30-39 伸长率 % 屈服点 10-20 断裂点 ?200 抗拉伸性模数 Mpa 1100-1600 压缩强度 Mpa 39-56 弯曲强度(屈服点) Mpa 42-56
-5线膨胀系数 10/c 10.8-11.2
成型收缩率 % 1.0-2.0 洛氏硬度 95-105
2冲击强度 kJ/m 无缺口不断
有缺口 2.2-5.1 体积电阻率Ω.m ?1014 穿场强 MV/m 30 相对介电常数
(1MHZ) 2.0-2.6 介质损耗角正切(1MHZ)s 0.0005 耐电弧 125-185 热变形温度
-6负荷 4kg/cm 100-116 18.6kg/cm 56-67 耐磨性(负荷17.1kg 1000r/ min) mg 25
1.物理力学性能
聚丙烯为白色蜡状材料，外观很像高密度聚乙烯，易燃烧，离开火后能继续燃烧，并发出石油气味，它的透气性与聚乙烯相同。

由于聚丙烯为结晶性高聚物，其力学性能不仅与了量有关，而且与结晶性有关。

如果球晶大而结晶度高，则聚丙烯的硬度，强度增大，但柔软性变差。

聚丙烯的抗拉强度比聚乙烯、等塑料来得大、特别是当温度超过18摄氏度时，随温度上升，聚丙烯抗拉强度的下降比较小，即使在100摄氏度以上，你可保留常温时抗拉强度值的一半。

聚丙烯的表面硬度比聚乙烯高，比聚苯乙烯低。

聚丙烯的耐磨性比较好。

聚丙烯还具有十分良好的耐弯曲变形的能力和较好的耐环境应力开裂性。

2.电绝缘性能
等规聚丙烯是非极性材料，有很好的电绝缘性能。

因为聚丙烯吸水性很小，所以，绝缘性能基本上不受湿度的影响。

聚丙烯相对介电常数很小(2.0~2.6)，介质损耗角正切很低(0.0005)，在温度和频率变化时，介电常数和介质损耗角正切的值变化较小。

聚丙烯具有很高的绝缘电阻(10Ω.m以上)，在温度升高时，体积电阻率逐渐下降。

聚丙烯的击穿场强比较高(30kV/mm)，随温度上升，击穿场强反而上升，因此可以制造耐热绝缘材料。

3.热性能
聚丙烯的耐热性能较好，在聚烯烃类塑料中是属最高的。

熔点为165-170摄氏度，即使在荷重时，也可在100摄氏度下连续使用，若无负荷，使用温度可更高。

聚丙烯的耐寒性较差，低温脆化温度为,5摄氏度左右。

聚丙烯的耐寒性与等规度及平均分子量有关。

当等规度相同时，熔融指数越小，其脆化温度越低;反之，熔融指数相同而等规度较高时，则脆化温度也较高。

为改善聚丙烯的耐寒性，可采取
与乙烯共聚改性，常见的有丙烯-乙烯无规共聚和丙烯-乙烯嵌段共聚。

也可采用其它塑料和弹性体共混改性，常见有聚乙烯、聚异丁烯、乙丙橡胶等。

4.耐化学稳定性
聚丙烯和聚乙烯一样，耐化学药品好。

它对于一般无机化学药品，也表现出高度的稳定性，例如耐硫酸、盐酸及氢氧化钠的能力较聚乙烯、聚氯乙烯为好。

而且耐受温度较高，对含量为80%的硫酸及浓盐酸的耐受温度可达100摄氏度。

但是聚丙烯分子结构有叔碳原子，容易被氧化性药品侵蚀;对于有机化学药品和同类的非极性溶剂性，但也有例外，如在卤化烃中比在非极性溶剂中更容易溶解。

5.其它性能
聚丙烯虽有许多优点，但由于化学结构的关系，它在高温下对氧很敏感，容易氧化老化，特别在有紫外线和铜存在的情况下，更能加速这一老化过程。

为了改善聚丙烯的耐老化性能，在实践中聚丙烯等防老剂，以制止由于光或热能在聚丙烯中形成受激励部分和游离基，并捕获己产生的游离基，使之不引起链式反应;分解己生成的过氧化氢化合物;钝化在聚丙烯中存在的重金属。

(二)聚乙烯的结构和性能
聚乙烯的结构
聚乙烯是一种只含有碳和氢两种元素的高分子聚合物，其通式可用(CH2-CH2- )表示。

26其中n为10–10。

由于乙烯聚合时需要加入催化剂，所以聚乙烯还含有残
余的少量催化剂杂质。

聚乙烯的分子并不是一般长，由于聚合反应器内的温度、压力和催化剂含量的差异，乙烯聚合反应的过程，如链增长、链传递和链终止反应都不尽相同，所以得到的聚乙烯最终产品实际上是大大小小各种不同分子量的聚乙烯的混合物。

因此实际上聚乙烯的化学结构并不是这样简单，而是较为复杂的。

其分子主链上有不少短的甲基支链和较长的烷基支链。

并且分子中还存在着双键的可。