XLPE绝缘电力电缆半导电屏蔽电阻率的试验_黄昌华

摘要 :对半导电屏蔽材料及用其制造 6～ 30 kV 的交联 聚乙烯(XLPE)绝缘 电力电缆的 半导电屏 蔽层电 阻率进
行了试验和分析讨论 。 最后 , 对半导电材料的检验和控制提出了建议 。
关键词 :6 ～ 30 kV 交联聚乙烯绝缘电力电缆 ;半 导电屏蔽电阻率 ;试验 ;检验及控制
中图分类号 :TM206;TM247 .1
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子的数量 、平均尺寸(或粒度)及混合均匀性(炭粒间 的平均距离)应是对 ρ值影响最大的因素 。
(2)电缆试样的 ρ值与片状试样的 ρ值差异问 题 , 与试样的制作工艺有关 。 制备片状试样时的最 大压力为 14 MPa , 而电缆导体屏蔽层挤制时的压力 达 35MPa , 电缆绝缘屏蔽层挤制时的压力达 17 MPa 。 压力大 , 试样的结构更密实 , 但在老化过程中 , 材料 受热膨胀 , 又有自由伸缩空间 , 则塑料分子间的距离 拉得更大 , 表现为电阻更大 。而且 , 在挤塑机挤制电 缆内屏蔽或外屏蔽时 , 半导电屏蔽料还受到强烈的 剪切应力的作用 , 其压力是动态的 , 但压片试样所受 的压力是静态的 。 所以电缆的内屏蔽或外屏蔽的 ρ 值都比片状试样的 ρ值要 大的多 。 不同 厂家的材 料 , 具体差异值将不同 , 本文 B 厂的材料片状试样 的 ρ值约为电缆试样 ρ值的 5 %～ 10 %。
(1)将 粒 料在 热压 机 上以 175°C 15 min 及 14 MPa 的压制成长约 130 mm , 宽约 75 mm , 厚约 2 mm 的片状试样 , 经热延伸试验合格后 , 再做电阻率测试 的试验 。
(2)测电阻率电极的制作 。在片状试样的其中 一面模拟 GB T 12706 .2-2002 中图 C1a 或图 C1b 或 图 C1b 电极间的尺寸做成电极 , 电极用含有银粉的 胶液涂制成 。 2 .1 .2 电缆试样
(2)电缆导体屏蔽(以下简称为内屏)和绝缘屏 蔽(以下简称为外屏)电阻率的计算按 GB T 12706 .2 -2002 的规定 。
3 试验结果
不论内屏蔽还是外屏蔽 , 所有试样 , 在升温过程 和恒温结束后的降温过程 , 测量的 ρ值随时间的变 化都出现峰值 。
2005 年 12 月 Dec ., 2005
图 3 B 厂材料升温至90°C的 ρ值
图 4 电缆内屏蔽升温至90°C的 ρ值
(5)图 5 为用不同厂家的外屏蔽材料生产的电 缆 , 经短段的电缆附加老化试验后 , 在升温至90°C的
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2005 年第 6 期 No .6 2005
电线电缆 Electric Wire &Cable
2005 年 12 月 Dec ., 2005
过程中测量的外屏蔽 ρ值曲线 。 结果显示所有试样 的 ρ值都出现峰值 , 峰值远小于标准值 500 Ψ·m , 可 放心使用这些外屏蔽料 。
图 5 电缆外屏蔽升温至90°C的 ρ值
4 讨论与分析
(1)当温 度急剧 变化至 新的 温度并 恒温过 程 中 , 半导电屏蔽的 ρ将随时间的变化而出现峰值 , 是必然的吗 ? 半导电屏蔽料是高分子材料和炭黑的 混合物 。 在混合物中 , 炭黑粒子的分布是不规则的 , 或相互接触 , 或不接触(炭黑粒子被塑料的分子所隔 开)。 半导电屏蔽传导电流的方式有两种 , 其一是炭 黑粒子接触传导 , 其二是导电炭粒子中热激发电子 跃迁与局部集中的高场强下 , 通过窄小的塑料间隔 的电子 , 引起“隧道效应” , 形成传导电流[ 1～ 3] 。 炭黑 粒子间的间隔会阻碍电流传导 , 表观电阻增大 ;“隧 道效应”有利于增强传导电流 , 表观电阻减小 。这是 矛盾的两个方面 , 具体结果 , 则视矛盾的哪个方面占 主导而定 。 矛盾的转化点 , 即 ρ值峰值点 。 半导电 屏蔽电阻率出现峰值 , 按上述理论可得到解释 :在室 温时 , 其传导电流主要是靠炭黑粒子的接触传导 , 所 以 ρ值比较稳定 。 随着温度的升高 , 一方面是高分 子材料受热膨胀 , 拉大了炭黑粒子间的距离 , 传导电 流受到的阻抗增大 ;另一方面是热激发电子跃迁的 隧道效应虽随温度的升高而增大 , 引起阻抗下降 , 但 较前者稍逊 , 所以总的结果 , 还是阻抗迅速增大 , 即 ρ值增大 。 在某温度(例如 90°C或100°C)下热 平衡 后 , 高分子材料因膨胀引起的炭黑粒子之间的距离 趋于稳定 , 热激发电子跃迁的隧道效应仍在增强 , 传 导电流的能力增强 , 表现为阻抗下降 , ρ值减小 , 所 以出现电阻率 ρ值的峰值 。 由于这个原因 , 虽在同 一恒定温度 , 阻抗仍会下降 , 使 ρ值趋于一个平稳 值 。 这就是图 1 ～ 图 5 的 ρ值随时间变化所表现的 特征 。 出现 ρ值峰值的时间 、温度 和数值 , 则 与半 导电材料的材质和工艺过程有关 。 配方中的炭黑粒
用这两种方法测得的电阻基本一致 , 但用数字 多用表较方便 , 本文试验结果是用这种方法测试的 。
将试样及连接线路放入老化箱中加热 , 从室温 入箱后开始升温至恒温(90°C 或 110°C);或在其降 温过程中 , 每隔两分钟测一次电阻 R 。 当被测电阻 趋于稳定时 , 测试间隔的时间可延长 。 每次测量都 记录温度 、电阻和时间 。 2 .3 计算半导电屏蔽电阻率 ρ值
取电缆绝缘线芯 , 按 GB T 12706 .ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ -2002 的规 定制作导体屏蔽和绝缘屏蔽试样 。 2 .2 电阻的测量
(1)用电流电压法测量 , 读取电位电极之间的 电压值 U 和通过电流电极的电流值 I , 计算电阻值 R =U I 。
(2)用数字多用表接在试样的电位电极之间 , 直接读出被测电阻 R 。
1 引 言
GB T 12706 .2 -2002《 额定电压 6 ～ 30 kV 挤包 绝缘电力电缆》中 , 新增了对半导电屏蔽层电阻率的 要求 。 规定在老化前和老化后 , 导体屏蔽电阻率在 90°C时应不大于 1 000 Ψ·m ;绝缘屏蔽电阻率在90°C 时应不大于 500 Ψ·mm 。 其作用及机理在文献[ 1 ～ 3] 中已有论述 。 电缆制造者如何确保产品符合国家 标准的规定 , 是其关注的焦点 , 尤其是选择适宜的材 料至关重要 。 笔者曾 发现各厂材料的电阻率 ρ值 按 GB T3048 .3 -1994 试验方法测量 , 都符合材料采 购规范的规定 , 但生产成电缆后 , 按 GB T 12706 .2 2002 规定的方法测量 , 电缆半导电屏蔽电阻率 ρ值 分散性却很大 , 有的已不符合 GB T 12706 .2 的要求 了 。这样就提出了一个问题 , 如何控制屏蔽料电阻 率的质量水平 , 以保证电缆质量 ? 为此 , 笔者做了一 些简易 、模拟 、比较性的试验 , 在此将试验情况与同 行交流 , 或许是有益的 。
文献标识码 :A
文章编号 :1672-6901(2005)06-0034-04
Testing of Resistivity of the Semi-Conductive Shield in XLPE Power Cables HUANG Chang-hua
(Five-Goat Cable Mfg Co , Ltd., Panyu, Guangzhou , Guangzhou 511495 , China)
2 试验方法
2 .1 试样的制备 2 .1 .1 片状试样
收稿日期 :2005-04-06 作者简介 :黄昌 华(1937 -), 男 , 广 东 翁源 人 , 高级 工程
师 , 副总经理 。 作者 地 址 :广 东 广 州 市 番 禺 区 钟 村 镇 中 兴 工 业 区
[ 511495] .
(3)内屏蔽的 ρ值与外屏蔽的 ρ值差异问题 。 试验结果显示 , 内屏蔽的 ρ值比外屏蔽的 ρ值大得 多 , 不同厂家材料的 ρ值也有明显的差异 , 显然是 与其配方或生产工艺不同有关 。 诚然 , 电缆制造厂 选用 ρ值较低而且峰值不明显的屏蔽料 , 才是放心 的 , 如 B 材料 。
(4)测 量时 间不 同对 ρ值 测量 结果 的影 响 。 GB T 12706 .2 -2002 规定的 ρ值的试验方法 :“ 将组 装好的试样放入预热到规定温度(90°C)的烘箱中 , 30 min 后用测试线路测量(电位)电极间的电阻 。” , 因为半导电屏蔽的 ρ值有出现峰值的特性 , 假如正 好在出现峰值时测量电阻 , 那么 , 将有可能导致电缆 的 ρ值不符合标准要求 , 例如图 4 中的 F 缆内屏曲 线在 30 min 时测得的 ρ值为 2 264 Ψ·m , 超过标准 (不大于1 000 Ψ·m)的规定了 。 又假如测量电阻的 时间已远离 ρ值峰值 , 那么 , 虽然 半导电屏蔽的 ρ 值峰值很大 , 但其测量的电阻率也可能是仍符合标 准的规定 。还是以图 4 中的 F 缆内屏曲线为例 , 在 147 min 时测量 , 其 ρ值已下降为 996 Ψ·m 了 , 是符 合标准的规定 。就是说, 同一试样 , 不同的测量时 间 , 对 ρ值的评定是不同的 , 从检验产品质量的符 合性来说 , 结果可能相反 。
图 2 B 厂材料在降温过程的 ρ值
图 1 片状 试样在升温过程的 ρ值
(1)图 1 为片状试样从室温开始升至90°C并恒 温(90°C)一段时间 , 再从90°C升 至100°C , 测 量的 ρ 值曲线 。 结果显示 , 从室 温至90°C , ρ值 有峰值 出 现 。当温度急剧变化(从90°C至100°C)时 , ρ值又出 现峰值 。 图中的 A(或 B)内屏 、A(或 B)外屏为 A 厂 (或 B 厂)生产的半导电屏蔽料制成的内屏 或外屏 片状试样 。 (2)图 2 为 B 厂材料的片状试样及用其制成电 缆试样从室温升至100°C , 保温 7 天后 , 在降温过程 测得的 ρ值曲线 , 亦出现峰值 。图中 B 缆内屏(或 外屏)为 B 厂生产材 料制成 电缆 的内屏 或外屏 试 样 , 其他均为片状试样的测试结果 。 (3)图 3 为 B 厂材料的片状试样及用此材料生 产的短段的成品电缆经附加老化试验(100°C ×7 天) 后 , 在升温至90°C过程中测量的 ρ值曲线 。 结果表 明 , 用 B 厂材料生产的电缆 ρ值峰值仍符合标准要 求 , 且有相当的裕度 。 与之对应的片状试样的 ρ值 峰值很小 。 (4)图 4 为用不同厂家的内屏蔽材料生产的电 缆 , 经短段的成品电缆 附加老化试验 后 , 在升 温至 90°C的过程中测量的内屏蔽 ρ值曲线 。 结果表明 , 用 F 厂材料生产的内屏蔽 ρ值峰值为 2 480 Ψ·m , 不 符合标准的要求 。