防水XLPE電纜結構分析

交聯聚乙烯XLPE電纜絕緣電力電纜，因其良好的電氣、機械物理性能，且生產工藝簡單、結構輕便、傳輸容量大、安裝敷設及維護保養方便、不受落差限制等優點，在電力系統中已經得到廣泛的應用。但是XLPE電纜在敷設和運行期間，當機械應力或外力造成電纜護套及絕緣損傷或接頭損壞時，潮氣或水分會沿著線纜縱向和徑向間隙浸入，致使XLPE電力電纜絕緣在運行電壓下生成水樹枝的概率迅速上升^[1]。水樹枝生長到一定長度即會在水樹枝尖端引發永久性電樹枝缺陷，并在較短時間導致電纜絕緣擊穿，造成停電事故。因此，電纜防水技術對于保證XLPE電纜的可靠性與壽命都具有非常重要的意義。

1 水分對電纜的損害

一般而言，水分浸入電纜后主要影響電纜的導體和絕緣。導體正常運行時處于一種熱穩定狀態，導體溫度基本維持在60℃以上，如果有水分浸入就會導致導體氧化，增加導體單線間的接觸電阻從而增加電纜纜芯電阻，導致電纜線損增加^[2]。就絕緣而言，雖然聚乙烯是極難溶于水的非極性疏水物質，但又是一種由結晶相和無定形相組成的半結晶高聚物。結晶相結構緊湊，晶界缺陷弱，無定形相中的分子排列疏松，分子間存在較大的間隙。在結晶相與無定形相界面還會產生微孔聚集。水分子是極性分子，在交變電場的作用下，水分子偶極不斷來回翻轉，擴散力及電場力的共同作用使水分子通過無定形相的空隙和晶相的晶界缺陷處滲透到絕緣材料中。XLPE電纜分子結構中也存在同樣的問題，同時XLPE中有較多的交聯副產物充當雜質，因而XLPE在交變電場下也有較大的吸水率^[3]。交聯聚乙烯和聚乙烯絕緣吸水后，在電場的作用形成水樹枝，絕緣晶相與無定形相界面成為水樹枝優先發展的通道。水樹枝的產生將會造成絕緣介質損耗增加，同時降低絕緣電阻及絕緣擊穿電壓，加快老化速度，縮短電纜的使用壽命。更為嚴重的是，水樹枝在電場作用下或經過長時間氧化、轉化，最終不僅會在水樹枝尖端生成電樹枝，自身有也可能轉變為電樹枝，眾所周知，電樹枝腔體存在不斷擴張的局部放電，會導致電纜絕緣在短期內被擊穿，嚴重影響電纜的使用可靠性 ^[1]。

早期防止電纜絕緣中產生水樹枝，主要是考慮對XLPE進行改性，采用添加電壓穩定劑及其它的添加劑來抑制水樹枝的產生，此舉有一定的效果但沒有從根本上解決問題。防止水分和潮氣進入XLPE絕緣電力電纜，才是阻止絕緣中產生水樹枝的根本途徑^[2]。

鑒于XLPE電纜進水、受潮后對電纜運行可靠性與壽命的影響，國內外已經開發出不少電纜阻水技術^[4-14]。這些阻水技術大體上可以分類如下：①按所采用的阻水材料，可以分為主動阻水技術和被動阻水技術；②按采用的阻水機理，可以分為縱向阻水技術和徑向阻水技術。國外對阻水電纜結構開發研究較早^[4-6]，近年來國內在阻水電纜工業化生產方面有了較大發展，已有一批專利問世。本文主要根據近年來國內公開專利阻水電纜結構進行歸納和分析。

2 阻水材料

為了防止電纜受潮，工程上先后采用過多種阻水材料。這些材料按其阻水特點可以分為兩類，主動阻水和被動阻水。主動阻水是利用主動阻水材料的吸水膨脹性，在護層破損或接頭損壞時，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，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。被動阻水是利用被動阻水材料的疏水性，在護層破損點處直接將水分（氣）阻住，不讓其進入電纜內，被動阻水材料包括石油填充膏、熱熔膠、熱膨脹油膏等；

2.1 被動阻水材料

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

（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電性能下降；

（3）石油膏對電纜接頭污染嚴重且清洗困難，造成電纜接頭施工困難；

（4）如果填充不完全或存在氣隙則阻水效果大打折扣，且完全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合在一起，形成一個實心整體，以實現阻水效果。但電纜經受了反復曲繞后，電纜的芯線間及屏蔽層內外表面就會發生相對位移，產生微小縫隙。

目前，阻水電纜已經基本不采用被動阻水材料，而是采用阻水性能更加優良的主動阻水材料。

2.2 主動阻水材料

鑒于被動阻水材料的種種缺陷，工程上逐漸開發出超強吸水膨脹的主動阻水材料。主動阻水材料的基本特點是強吸水性和高膨脹率，它能夠強力吸水、迅速膨脹，形成凝膠狀物質阻斷滲水通道，從而保障電纜絕緣安全。

超強吸水膨脹的主動阻水材料是吸水能力特別強的物質，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National Starch AntoChemistry等公司利用溶性的聚丙烯酸采用不同的交聯方法制成超強吸水劑，吸水能力達800~1000 g/g，美國UCC公司用放射線處理交聯了各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型超強吸水材料，其吸水能力為自身的2000倍^[7]。目前超強吸水材料發展極快、種類繁多，就其原料來源可分為淀粉系、纖維素系、合成聚合物系；制品形態有粉末狀、纖維狀和薄膜狀。

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

主動阻水材料和被動阻水材料各有其優缺點，但總的來說，主動阻水材料的綜合性能更加優越。因此，目前電纜阻水采用的阻水材料基本都是主動阻水材料。

3 阻水機理分析

電纜滲水途徑通常有如下兩種：①沿著電纜徑向(或徑向)透過護套滲水；②沿著電纜導體和纜芯間隙縱向(或軸向)滲水。因此要想實現電纜阻水也可以從兩個方面著手，徑向阻水和縱向阻水。

3.1徑向阻水

徑向阻水一般可在結構上采用：①聚乙烯外護套；②鉛、鋁、銅或不銹鋼金屬套；③鉛塑、鋁塑復合縱包層。

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套進行阻水。因為采用絕緣聚乙烯(或聚氯乙烯)護套的通信電纜長期實踐運行經驗已經證實，塑料護套通信電纜在地下敷設時，盡管護套完好，水分或水氣仍然會通過塑料護套滲入到電纜的纜芯中，造成電纜傳輸性能的惡化^[1]。所以單獨使用聚乙烯護套阻水不能滿足電纜徑向阻水要求。聚乙烯護套一般是配合里面的鉛、鋁、不銹鋼金屬護套或鉛塑、鋁塑復合縱包層共同進行徑向阻水。

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

高壓電纜則采用具有完全的密閉性的密封金屬套，使電纜達到徹底的徑向阻水。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套。應該說，聚乙烯的阻水性能優于聚氯乙烯，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

在工程實際中，縱向阻水相對徑向阻水實現起來復雜?？v向阻水也采用過很多種方法，例如將導體改為緊壓結構并逐步提高導體的緊壓系數。但緊壓結構的阻水效果并不明顯，因為緊壓結構導體中還會存在空隙，水分在虹吸作用下依然會沿導體擴散，同時過分提高導體緊壓系數會破壞導體中單線的金屬結晶結構，導致導體變硬、電阻增加。要實現真正的縱向阻水必須在絞合導電線芯的空隙中填入阻水材料?？梢酝ㄟ^下面兩個層次措施和結構來實現電纜縱向阻水^[1]。

（1）采用阻水型導體。在絞合緊壓導體時添加阻水繩、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、繩及繞包半導電阻水帶或絕緣阻水帶。

它們的阻水機理是：如果在外力作用下發生電纜接頭損傷或護套破損，水分或潮氣就會沿著電纜的導電線芯和纜芯縱向滲入。這些水分和潮氣會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，阻塞滲水通道，終止水分和潮氣的進一步擴散和延伸，使電纜損失的損失降到最小。

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

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體，如何在各導線之間填充阻水物質和填充什么樣的阻水物質一直是研究的熱點問題。

4 阻水電纜結構分析

實現電力電纜的全阻水，既要考慮電纜的徑向阻水也要考慮電纜的縱向阻水。國內外也有很多關于XLPE阻水電纜結構的專利和文章。下面主要就中國專利公開的徑向，縱向阻水電纜結構進行舉例分析。

4.1 XLPE電纜的徑向阻水結構

一般XLPE電纜的徑向結構由里向外依次為：導體；導體屏蔽；XLPE絕緣；絕緣屏蔽；金屬屏蔽；外護套。具有徑向阻水功能的XLPE電纜結構由內向外依次為：阻水型導體；導體屏蔽；XLPE絕緣；絕緣屏蔽；內半導電阻水膨脹帶；金屬屏蔽層；外半導電阻水膨脹帶；縱包鋁塑層；聚乙烯外護套。圖1為根據文獻和專利總結出的幾種典型的徑向阻水電纜結構。