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電力電纜結構與材料簡析
電纜的結構看似簡單,其實它的每一個組成部分都有各自重要的使用目的,所以制造電纜時必須仔細選擇每一種組成材料,從而保證這些材料制成的電纜在運行過程中的可靠性。 1、導體材料 歷史上,用于電力電纜導體的材料是銅和鋁。人們還短暫地試用過鈉。銅和鋁具有更好的導電性,在傳輸同樣的電流時,銅的用量相對要少,所以銅導體外徑比鋁導體小。鋁的價格又明顯地低于銅。另外,由于銅的密度比鋁大,即使在載流量相同的情況下,鋁導體的截面比銅導體大,但是鋁導體電纜仍要比銅導體電纜輕。 當電纜在高電壓和電流下運行時,交流電流趨向導體表面流動(集膚效應),另外,臨近的電纜產生的磁場會干擾導體中電流的分布(臨近效應)。這些影響會導致導體電阻增加,使得交變電流條件下導體電阻的增值要比直流條件下明顯。因此大截面導體的設計可以采用典型的“分割導體”結構。 2、絕緣材料 MV電力電纜能夠采用的絕緣材料有很多,甚至包括技術成熟的浸漬紙絕緣材料,這種材料已經成功使用了100多年,F在,擠包聚合物絕緣已經被廣泛認可。擠包聚合物絕緣材料包括PE(LDPE和HDPE),XLPE、WTR-XLPE以及EPR等。這些材料的熱塑性的,也有熱固性的。熱塑性材料一旦受熱會產生變形,而熱固性材料在運行溫度下可保持其形狀。 2.1 紙絕緣 MV紙絕緣電力電纜已經有超過100年的可靠運行經驗。直到今天,紙絕緣電纜損壞的大多數原因仍然是由于使用在該電纜外部的鉛護套開裂或被腐蝕,使水分滲入電纜內部而導致的。然而需要重點指出的是,在紙絕緣電纜運行初期,它們只承載了較小的負荷且被相對良好的維護。但是電力用戶不斷地使電纜承載越來越高負荷,原來的使用條件不再適合現在電纜的需要,那么原來好的經驗也就不能代表電纜未來的運行狀況也一定良好。近年來,紙絕緣電纜已經很少被使用。 2.2 聚氯乙烯 PVC首次被用于電纜的絕緣材料是在20世紀早期,直到PE和XLPE發展起來,PVC一起都普遍應用在電纜的絕緣中,尤其是低電壓等級的電纜。然而與PE材料相比,PVC在擊穿場強、老化特性、溫度等級以及耐潮濕性能等方面的劣勢迅速地顯現出來。另外,在運行中PVC絕緣電纜表現了較高的事故率。因此,目前1kV以上電壓等級的電力電纜已經不再使用PVC絕緣。 PVC現在仍然作為低壓1kV電纜的絕緣材料,同時也是一種護套材料。然而,PVC在電纜絕緣中的應用正迅速地被XLPE代替,在護套中的應用正迅速地被線性低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)或者高密度聚乙烯(HDPE)所代替,非PVC電纜有較低的全壽命期費用。 2.3 聚乙烯(PE) 低密度聚乙烯(LDPE)從20世紀30年代發展起來,現在用于交聯聚乙烯(XLPE)和抗水樹交聯聚乙烯(WTR-XLPE)材料的基體樹脂。PE是一種長鏈的,熱塑性碳氫化合物分子結構,在壓力作用下由乙烯氣體聚合而成。與絕緣相比,由于聚乙烯材料具有低成本、良好的電性能及加工性能、耐潮濕、耐化學腐蝕和良好的低溫特性,目前已經被廣泛使用。但是,聚乙烯材料不具有良好的耐電㾗性能,導致PE很容易被局部放電腐蝕以及被電暈燒蝕,而且在潮濕環境和電場共同作用下,易產生水樹。在早期的電纜設計中,局部放電和水樹生長導致電纜的絕緣劣化,并最終致使電纜的失效。 在熱塑性狀態,聚乙烯的最高工作溫度是75℃,低于紙絕緣電纜的運行溫度(80~90℃)。隨著交聯聚乙烯(XLPE)的出現,解決了這個問題,交聯聚乙烯可以達到或超過紙絕緣電纜的使用溫度。 2.4 交聯聚乙烯(XLPE) XLPE是通過把低密度聚乙烯(LDPE)和交聯劑(如過氧化物)混合而制成的一種熱固性材料。1963年3月,通用電氣研究實驗室發明了XLPE。長鏈的PE分子在硫化過程中發生“交聯”,形成了XLPE。XLPE不僅具備了同熱熱塑性PE同樣良好的電性能,還具備了更好的機械性能,尤其是在高溫度下。XLPE絕緣電纜的最高導體工作溫度為90℃,過載測試高達140℃,短路溫度可達250℃。XLPE具有極好的電介質特性,可用于600V到500kV的電壓范圍內。 2.5 抗水樹交聯聚乙烯(WTR-XLPE) 水樹現象會減少XLPE電纜的使用壽命。在幾個月或者幾年的時間里,水樹的生長相對緩慢。當水樹生長時,水樹尖端電場強度增加,這時會在水樹頂部激發出電樹枝。電樹一旦生成,就會迅速地生長,導致絕緣材料性能減弱,以致不再能夠承擔運行電壓,從而致使電纜在生長水樹/電樹的位置擊穿?梢圆捎迷S多辦法來減少水樹生長,但是最普遍接受的一種方法是使用為了抑制水樹生長而設計的特殊工程絕緣材料,這種絕緣材料稱作抗水樹交聯聚乙烯WTR-XLPE。這種材料配合潔凈的半導電屏蔽的使用,加之成熟的制造工藝,消除了許多電力用戶對使用聚合物絕緣電纜的顧慮。 有兩種絕緣技術被廣泛采用,來抑制水樹生長,每一種都是對普通XLPE進行的改進。 1) 改變聚合物分子結構,即聚合物型WTR-XLPE,有時也稱為共聚物改性XLPE; 2) 添加劑改性,即添加劑型WTR-XLPE,有時也寫為TR-XLPE; 這兩種情況的XLPE都保持了普通XLPE具有的優良的電氣性能(高介電強度和非常低的介質損耗)。WTR-XLPE絕緣料在上世紀八十年代已經出現,至今已可靠運行了20多年。 2.6 乙丙橡膠(EPR) EPR是一種由乙烯、丙烯(有時會有第三種單體)共聚而成的熱固性材料,三種單體的共聚物稱為三元乙丙橡膠(EPDM)。在柔軟的共聚物中,添加一系列經過設計的填料,會使材料具備良好的熱性能,擠出性能及電性能。這類絕緣以EPR為代表。在較寬的溫度范圍內,EPR始終保持柔軟,并且具有良好的耐電暈性能。然而,EPR材料的介質損耗明顯高于XLPE和WTR-XLPE。 3、絕緣硫化過程 交聯工藝對所使用的聚合物是特定的?山宦摼酆衔锏闹圃焓菑囊环N基體聚合物開始,然后加入穩定劑和交聯劑形成混合物。交聯過程在分子結構中加入更多的連接點。一旦被交聯,聚合物分子鏈仍保持彈性,但是不能被完全切斷,變成易流動的熔融體。 XLPE絕緣電力電纜采用的交聯方式基本有兩種: 1)過氧化物交聯:未交聯的絕緣材料被擠包到電纜導體上以后,在硫化管中過氧化物交聯劑受熱分解,使熔融態的聚合物發生交聯。這種方式適用于XLPE和EPR絕緣材料。過氧化物交聯方法是全球最主廣泛使用的交聯技術,已應用在MV、HV以及EHV絕緣電纜的制造中。濕法交聯基本用于低壓電纜的制造,有時也用于MV電纜。 2)濕法交聯:將化學組分(硅烷)引入到聚合物分子鏈中,當這些組分接觸水后,就會引發交聯反應。交聯反應發生在絕緣擠出后的固相中。生產MV電纜時,如果擠出生產線需要生產不同結構設計的電纜,并且(或者)制造長度相對較短的時候,濕法交聯是最常用的方式。在這種情況下,從產品的角度來講,將擠出過程與硫化過程分開是非常合適的。 3.1 過氧化物交聯 生產絕緣材料的第一步是從聚合物反應器開始的,突出的特點是它由一個很長的鋼管組成,這個鋼管經過設計能夠承受很高的溫度和壓力,一般也稱作“高壓管”反應器。反應器被設計用來傳送具有相容特性的聚合物,并且避免引入降低聚合物絕緣材料介電性能污染物或者化學物質。實際上,這就意味著在反應器中,聚合物的生產過程和在其組分中所使用的材料必須非常仔細地控制。 3.2 濕法交聯 濕法交聯過程的關鍵步驟是如何使化學活性組分結合到聚合物骨架上。有三種辦法可以實現: 1) Siloplas:使合適的硅烷材料與過氧化物及聚合物在熔融狀態下混合。在這個過程中,硅烷接枝到聚合物材料分子鏈上,然后將這樣的材料制成適合電纜擠出設備使用的粒料。交聯反應催化劑和其他添加劑(抗氧劑和一些加工助劑)在擠出過程中以母料形式加入。這種方法最主要的缺點是混合物降解在使硅烷接枝到聚合物分子鏈上的擠塑機中即開始,從而限制了混合物制品的存入周期和工藝性能。 2) Monosil:這種方法與Siloplas類似,只是在這種方法中,所有組分(包括催化劑、過氧化物、硅烷和穩定劑)全部在電纜的擠出設備中一起混合,因此接技反應在電纜的擠出過程中同時發生。 3) EVS:這種方法并不是將硅烷接枝到聚合物分子鏈上,而是當聚合物在反應器中聚合的時候將硅烷組分插入到聚合物分子鏈上。這些反應器中聚合物可以直接用于擠出。交聯反應催化劑和其他添加劑在擠出過程中以母料形式加入。 4、導體屏蔽和絕緣屏蔽材料 半導電屏蔽層被擠出在導體和絕緣的外表面,用來均勻電場,以及把電場包容在電纜絕緣線芯中。這種材料包含了工程等級的炭黑材料,以使電纜的屏蔽層能夠達到要求范圍內的穩定的電導率。 半導電屏蔽料基于炭黑材料(由碳氫化合物完全或者在控制下燃燒制得),炭黑分散在聚合物基體中。炭黑必須保持很高的濃度才能保證屏蔽料具有足夠和均勻的電導率。為保證電纜的半導電電層和絕緣層之間的界面光滑,它們之間的結合必須最優化。光滑的表面非常重要,因為這可以減少電場集中。為了保證這些性能的平衡,使用良好工藝制備的炭黑和基體聚合物是關鍵的。 制備半導電屏蔽料需要認真考慮的問題與制備XLPE絕緣料相同。因為制備半導電屏蔽料時需要添加炭黑,所以它選擇的基體聚合物材料的化學特性有別于制備絕緣料的基體聚合物。炭黑和其他重要的添加劑(不包括交聯劑)被混和進入基體聚合物中,制成半導電高分子合成物。用來輸送材料的傳輸和混料設備能夠使材料均勻的混合。在添加交聯劑之前可能需要過濾,以進一步確保材料的光滑度。
 

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