什么是防水電纜及材料結(jié)構(gòu)說(shuō)明！

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  防水電纜材料

為了防止電纜受潮，工程上先后采用過(guò)多種阻水材料。這些材料按其阻水特點(diǎn)可以分為兩類，主動(dòng)阻水和被動(dòng)阻水。主動(dòng)阻水是利用主動(dòng)阻水材料的吸水膨脹性，在護(hù)層破損或接頭損壞時(shí)，阻水材料迅速吸水分（氣）膨脹，阻斷水流入電纜的通道，使水分（氣）被限制在很小的一段范圍內(nèi)，該類阻水材料包括吸水膨脹油膏、阻水帶、阻水粉、阻水紗、阻水繩等。被動(dòng)阻水是利用被動(dòng)阻水材料的疏水性，在護(hù)層破損點(diǎn)處直接將水分（氣）阻住，不讓其進(jìn)入電纜內(nèi)，被動(dòng)阻水材料包括石油填充膏、熱熔膠、熱膨脹油膏等；

1. 被動(dòng)阻水材料

向電纜中填充被動(dòng)阻水材料石油膏，是早期的電力電纜阻水的主要措施。這種方法能直接把水的分阻止在電纜的外的面，的有較好的阻水效果，但是填充石油膏有如下的缺點(diǎn)：

（1）大大增加了電纜的重量；

（2）電纜填充石油膏以后造成電纜纜芯導(dǎo)電性能下降；

（3）石油膏對(duì)電纜接頭污染嚴(yán)重且清洗困難，造成電纜接頭施工困難；

（4）如果填充不*或存在氣隙則阻水效果大打折扣，且*填充工藝不容易控制；

（5）有些阻水膏在常溫下固化后，將電纜中各元件緊密地結(jié)合在一起，形成一個(gè)實(shí)心整體，以實(shí)現(xiàn)阻水效果。但電纜經(jīng)受了反復(fù)曲繞后，電纜的芯線間及屏蔽層內(nèi)外表面就會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生微小縫隙。

目前，阻水電纜已經(jīng)基本不采用被動(dòng)阻水材料，而是采用阻水性能更加優(yōu)良的主動(dòng)阻水材料。

2.主動(dòng)阻水材料

鑒于被動(dòng)阻水材料的種種缺陷，工程上逐漸開發(fā)出*吸水膨脹的主動(dòng)阻水材料。主動(dòng)阻水材料的基本特點(diǎn)是強(qiáng)吸水性和高膨脹率，它能夠強(qiáng)力吸水、迅速膨脹，形成凝膠狀物質(zhì)阻斷滲水通道，從而保障電纜絕緣安全。

*吸水膨脹的主動(dòng)阻水材料是吸水能力特別強(qiáng)的物質(zhì)，它的吸水量為自身的幾十倍乃至幾千倍。日本的昭和電工、美國(guó)National Starch AntoChemistry等公司利用溶性的聚丙烯酸采用不同的交聯(lián)方法制成*吸水劑，吸水能力達(dá)800~1000 g/g，美國(guó)UCC公司用放射線處理交聯(lián)了各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型*吸水材料，其吸水能力為自身的2000倍[7]。目前*吸水材料發(fā)展極快、種類繁多，就其原料來(lái)源可分為淀粉系、纖維素系、合成聚合物系；制品形態(tài)有粉末狀、纖維狀和薄膜狀。

目前電纜中采用的主動(dòng)阻水材料主要是阻水帶、阻水粉、阻水繩以及阻水紗。相對(duì)于石油膏，這些主動(dòng)阻水材料吸水強(qiáng)度大、膨脹率高，能夠迅速阻斷滲水通道。另外，主動(dòng)阻水材料重量輕、清潔，便于敷設(shè)和接頭。但主動(dòng)阻水材料存在一定的缺點(diǎn)，比如：阻水粉附粉困難；采用阻水帶、阻水紗時(shí)會(huì)造成電纜外徑增大，散熱困難，從而加快電纜熱老化和限制電纜的傳輸容量等；而且主動(dòng)阻水材料的價(jià)格一般都比較貴。

主動(dòng)阻水材料和被動(dòng)阻水材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但總的來(lái)說(shuō)，主動(dòng)阻水材料的綜合性能更加*。因此，目前電纜阻水采用的阻水材料基本都是主動(dòng)阻水材料。

3 阻水機(jī)理分析

電纜滲水途徑通常有如下兩種：①沿著電纜徑向（或徑向）透過(guò)護(hù)套滲水；②沿著電纜導(dǎo)體和纜芯間隙縱向（或軸向）滲水。因此要想實(shí)現(xiàn)電纜阻水也可以從兩個(gè)方面著手，徑向阻水和縱向阻水。

3.1徑向阻水

徑向阻水一般可在結(jié)構(gòu)上采用：①聚乙烯外護(hù)套；②鉛、鋁、銅或不銹鋼金屬套；③鉛塑、鋁塑復(fù)合縱包層。

盡管聚乙烯不溶于水，也具有阻水性能，但是不能采用單一的聚乙烯護(hù)套進(jìn)行阻水。因?yàn)椴捎媒^緣聚乙烯（或聚氯乙烯）護(hù)套的通信電纜長(zhǎng)期實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，塑料護(hù)套通信電纜在地下敷設(shè)時(shí)，盡管護(hù)套完好，水分或水氣仍然會(huì)通過(guò)塑料護(hù)套滲入到電纜的纜芯中，造成電纜傳輸性能的惡化[1]。所以單獨(dú)使用聚乙烯護(hù)套阻水不能滿足電纜徑向阻水要求。聚乙烯護(hù)套一般是配合里面的鉛、鋁、不銹鋼金屬護(hù)套或鉛塑、鋁塑復(fù)合縱包層共同進(jìn)行徑向阻水。

中壓電纜徑向阻水通常采用鋁塑復(fù)合綜合護(hù)層，通過(guò)縱包的鋁塑復(fù)合帶和擠包的聚乙烯外護(hù)套共同作用達(dá)到阻水目的。其阻水機(jī)理為：當(dāng)擠包聚乙烯護(hù)套時(shí)，由于聚乙烯融體高溫和壓力的作用，鋁塑復(fù)合帶表面的聚乙烯薄膜與聚乙烯護(hù)套的內(nèi)表面得以很好地粘結(jié)；同時(shí)鋁塑復(fù)合帶縱包之間的搭蓋也獲得良好的粘結(jié)。從而*堵塞了水分（氣）滲入電纜的途徑，達(dá)到良好的阻水效果。但是該阻水方式的缺點(diǎn)是熔接可靠性較差，且無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)聚乙烯薄膜的熔接及損壞的程度。

高壓電纜則采用具有*的密閉性的密封金屬套，使電纜達(dá)到*的徑向阻水。金屬套種類很多，主要有熱擠壓的鋁或鉛套、冷拔的金屬套，以及縱包氬弧焊并軋紋的皺紋鋁或不銹鋼套。目前采用較多的是縱包氬弧焊并軋紋的皺紋鋁套和熱擠壓并軋紋的皺紋鋁套。在金屬套外通常還要擠包聚乙烯或聚氯乙烯外護(hù)套。應(yīng)該說(shuō)，聚乙烯的阻水性能優(yōu)于聚氯乙烯，但采用金屬套后也可采用聚氯乙烯，這并不影響電纜徑向阻水特性[1]。

3.2 縱向阻水

在工程實(shí)際中，縱向阻水相對(duì)徑向阻水實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜?？v向阻水也采用過(guò)很多種方法，例如將導(dǎo)體改為緊壓結(jié)構(gòu)并逐步提高導(dǎo)體的緊壓系數(shù)。但緊壓結(jié)構(gòu)的阻水效果并不明顯，因?yàn)榫o壓結(jié)構(gòu)導(dǎo)體中還會(huì)存在空隙，水分在虹吸作用下依然會(huì)沿導(dǎo)體擴(kuò)散，同時(shí)過(guò)分提高導(dǎo)體緊壓系數(shù)會(huì)破壞導(dǎo)體中單線的金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致導(dǎo)體變硬、電阻增加。要實(shí)現(xiàn)真正的縱向阻水必須在絞合導(dǎo)電線芯的空隙中填入阻水材料?？梢酝ㄟ^(guò)下面兩個(gè)層次措施和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜縱向阻水。

（1）采用阻水型導(dǎo)體。在絞合緊壓導(dǎo)體時(shí)添加阻水繩、阻水粉、阻水紗或繞包阻水帶。

（2）采用阻水型的纜芯。在纜芯成纜工藝中，填充阻水紗、繩及繞包半導(dǎo)電阻水帶或絕緣阻水帶。

它們的阻水機(jī)理是：如果在外力作用下發(fā)生電纜接頭損傷或護(hù)套破損，水分或潮氣就會(huì)沿著電纜的導(dǎo)電線芯和纜芯縱向滲入。這些水分和潮氣會(huì)被含有吸水膨脹粉末的阻水帶、阻水紗或阻水帶吸收，這些阻水材料吸水后迅速膨脹形成凝膠狀物質(zhì)，阻塞滲水通道，終止水分和潮氣的進(jìn)一步擴(kuò)散和延伸，使電纜損失的損失降到zui小。

由阻水導(dǎo)體構(gòu)成阻水型纜芯基本不存在什么技術(shù)難題。對(duì)于多芯電纜來(lái)說(shuō)，由于各阻水導(dǎo)體之間的空隙比較大，所以一般在各阻水導(dǎo)體之間填充阻水繩、紗等絞合成纜，然后再在纜芯的表面繞包膨脹阻水帶構(gòu)成阻水型纜芯；對(duì)于單芯導(dǎo)體，可以在阻水導(dǎo)體表面纏繞阻水帶構(gòu)成阻水纜芯。

由于繩、帶材料易于纏繞、包裹，且能保證纜芯表面的平整。因此中壓電纜線芯和外屏蔽表面的阻水膨脹帶繞包層通常采用阻水繩和阻水帶。

目前縱向阻水的難題在于阻水型導(dǎo)體，如何在各導(dǎo)線之間填充阻水物質(zhì)和填充什么樣的阻水物質(zhì)一直是研究的熱點(diǎn)問題。

4 阻水電纜結(jié)構(gòu)分析

實(shí)現(xiàn)電力電纜的全阻水，既要考慮電纜的徑向阻水也要考慮電纜的縱向阻水。國(guó)內(nèi)外也有很多關(guān)于XLPE阻水電纜結(jié)構(gòu)的和文章。下面主要就中國(guó)公開的徑向，縱向阻水電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行舉例分析。

4.1 XLPE電纜的徑向阻水結(jié)構(gòu)

一般XLPE電纜的徑向結(jié)構(gòu)由里向外依次為：導(dǎo)體；導(dǎo)體屏蔽；XLPE絕緣；絕緣屏蔽；金屬屏蔽；外護(hù)套。具有徑向阻水功能的XLPE電纜結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為：阻水型導(dǎo)體；導(dǎo)體屏蔽；XLPE絕緣；絕緣屏蔽；內(nèi)半導(dǎo)電阻水膨脹帶；金屬屏蔽層；外半導(dǎo)電阻水膨脹帶；縱包鋁塑層；聚乙烯外護(hù)套。圖1為根據(jù)文獻(xiàn)和總結(jié)出的幾種典型的徑向阻水電纜結(jié)構(gòu)。

圖1A是一種典型的單芯徑向阻水結(jié)構(gòu)示意。與一般的XLPE電纜相比，防水型XLPE電纜的加工工藝較為復(fù)雜，需要在生產(chǎn)線上增加繞包阻水帶和縱包鋁塑的專門設(shè)備。理論上講鋁塑復(fù)合帶的水密性非常好，只要復(fù)合帶的接縫處*粘接密封，水分幾乎無(wú)法透過(guò)?？v包鋁塑復(fù)合帶的關(guān)鍵工藝有兩方面：①縱包工藝，縱包時(shí)要做到緊且圓整，消除縱包處的“荷葉邊”（即復(fù)合帶邊緣的縱包彎曲）；②粘接工藝，應(yīng)保證復(fù)合帶與聚乙烯內(nèi)護(hù)套及其復(fù)合帶搭縫處粘接完善。

圖1B是高壓徑向阻水結(jié)構(gòu)的示意圖，高壓XLPE電纜一般采用密封鉛、鋁、不銹鋼金屬套實(shí)現(xiàn)徑向阻水，這種徑向阻水方式理論上安全[1,2]。

圖1C是三芯中低壓XLPE電纜徑向阻水結(jié)構(gòu)圖[8]，三芯XLPE徑向阻水電纜也可以如圖1D所示結(jié)構(gòu)[9]，把金屬屏蔽層改成無(wú)縫金屬套，這樣電纜的徑向阻水結(jié)構(gòu)就得到了簡(jiǎn)化，且阻水的持久性好。由于電纜芯外采用的是常規(guī)電纜結(jié)構(gòu)，對(duì)電纜散熱影響小，有利于確保電纜的使用壽命，保持電纜輸送功率基本不降低，較圖1C所示外阻水層結(jié)構(gòu)可以提高傳輸功率10%左右[9]；其次，內(nèi)阻水結(jié)構(gòu)即使電纜外護(hù)層損傷也不會(huì)影響電纜的阻水效果。對(duì)于三芯電纜也可以采用圖1A所示的三根單芯阻水電纜膠合形成，這種結(jié)構(gòu)節(jié)約了大量的阻水填充材料，使電纜的成本大幅下降，同時(shí)電纜的散熱好載流量也增大許多，是一種理想的的低成本三芯阻水電纜[10]。三芯鎧裝阻水電纜可以采用圖1E、圖1F所示結(jié)構(gòu)，優(yōu)缺點(diǎn)與上面分析相同[11]。

4.2 XLPE電纜縱向阻水結(jié)構(gòu)

所謂縱向阻水，就是在XLPE電纜纜芯處填充阻水材料防止水分通過(guò)纜芯在電纜中擴(kuò)散。前面論及的電纜縱向阻水可以通過(guò)兩個(gè)層次的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是采用阻水型導(dǎo)體，二是采用阻水型纜芯。目前縱向阻水的難題在于阻水型導(dǎo)體，如何在各導(dǎo)線之間填充阻水物質(zhì)和填充什么樣的阻水物質(zhì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。下面就國(guó)內(nèi)已有的技術(shù)進(jìn)行分析。

如圖2A，在絞合導(dǎo)體的部分層間繞包或縱包半導(dǎo)電阻水帶，再通過(guò)導(dǎo)體正常圓形緊壓，使導(dǎo)體層間不存在間隙，以達(dá)到導(dǎo)體間的連接和導(dǎo)體的縱向阻水。這種阻水結(jié)構(gòu)具有良好的阻水性能、安全可靠、壽命長(zhǎng)、易于實(shí)現(xiàn)、可利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)、成本較低。但這種結(jié)構(gòu)使導(dǎo)體的外徑增大、散熱困難，還會(huì)出現(xiàn)電纜的電性能不穩(wěn)定情況。

圖2B的阻水導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為，在絞合導(dǎo)體之間全部用阻水粉填充。這種結(jié)構(gòu)不增加導(dǎo)體的外徑，不改變電纜的其他結(jié)構(gòu)，但是存在一個(gè)技術(shù)難題就是阻水粉附粉困難和難以均勻附粉。根據(jù)（CN200710164734.3）介紹[12]，可以用熱塑性彈性體包裹阻水粉，然后利用靜電噴涂技術(shù)使導(dǎo)體附粉，較好地解決了阻水粉附粉困難和難以均勻附粉等技術(shù)難題。因?yàn)樘畛渥杷鄄辉龃蛛娎|的外徑，不改變電纜的尺寸，且阻水粉填充的工藝問題得到解決，所以目前阻水粉填充的阻水導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相對(duì)較好。

上面介紹的幾種阻水結(jié)構(gòu)都是針對(duì)纜芯單絲直徑（1.5-4mm）較粗的硬導(dǎo)體設(shè)計(jì)的，一般適用于固定敷設(shè)電纜，對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)合使用的絕緣軟電纜，其導(dǎo)體單絲直徑（0.25-0.5mm）細(xì)小，阻水粉、阻水紗填充困難，上述阻水結(jié)構(gòu)不適用。對(duì)于細(xì)軟單絲可以在細(xì)軟單絲表面涂覆阻水粘結(jié)劑層[13]；或者在單絲上涂抹粘合劑，然后再粘附阻水粉，構(gòu)造阻水導(dǎo)體，以達(dá)到阻水效果[14]。

圖2A  阻水帶填充                               圖2B  阻水粉填充

圖2  阻水導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

A  阻水粉阻水導(dǎo)體                   B 阻水帶阻水導(dǎo)體

圖3 中壓全阻水電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為兩種單芯全阻水XLPE電纜結(jié)構(gòu)示意圖，一種為全阻水粉填充，一種為阻水帶填充。三芯電纜也是這種結(jié)構(gòu)，只是纜芯由三芯改成單芯而已。在工程實(shí)際中也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，但結(jié)構(gòu)改動(dòng)后的電纜必須要符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

（1） 水分浸入聚烯烴電纜會(huì)的縮短電纜的使用壽命，XLPE電力電纜防水抗潮問題引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。XLPE電纜的全防水，包括徑向阻水和縱向阻水兩種阻水結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可能還需從材料性能出發(fā)研究開發(fā)具有優(yōu)良耐水樹性能的絕緣材料。

（2） 徑向阻水技術(shù)主要采用在絕緣屏蔽和金屬屏蔽層外面繞包半導(dǎo)電阻水膨脹帶，在金屬屏蔽層外面添加金屬防水層，中壓電纜一般使用鋁塑復(fù)合帶，高壓電纜則采用鉛、鋁、不銹鋼的金屬密封套。

（3） 縱向阻水主要采用在導(dǎo)線之間和纜芯屏蔽區(qū)添加阻水性物質(zhì)，阻斷水分在纜芯中的擴(kuò)散通道。從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，縱向阻水用阻水粉填充相對(duì)較好。

（4） 實(shí)現(xiàn)電纜防水必然會(huì)影響電纜的散熱、導(dǎo)電性能，要根據(jù)工程實(shí)際需要，選擇或設(shè)計(jì)合適的阻水電纜結(jié)構(gòu)。