常州工程职院高分子物理教案11六种等级电缆材料的分析、选择、改性

项目 11 教学中的必要准备内容项目 11《六种等级塑料电缆材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：请为通用电缆的生产选择合适的高分子材料；第二组：请为电视共用电器电缆的生产选择合适的高分子材料；第三组：请为高压绝缘电缆的生产选择合适的高分子材料；第四组：请为耐高温电缆的生产选择合适的高分子材料；第五组：请为耐高频电缆的生产选择合适的高分子材料；第六组：请为耐腐蚀电缆的生产选择合适的高分子材料。一、有关塑料电缆材料的内容塑料电线电缆是指用塑料原料作为绝缘层和护套层的一类电线电缆制品。这是一类新兴的电线电缆，可广泛地应用于电力输送、电能分配、通信及信号控制等领域。塑料电线电缆按其结构可分绝缘层和护套层两种。绝缘层为电缆内部紧贴导体材料的一层，其作用为保证电能的安全输送；护套层为电缆绝缘层外与外界接触的一层，其作用为保护绝缘层不受外界浸人；此外，有时还设屏蔽层，其目的也是保护绝缘层。可用于电线电缆制品的材料有很多种。作为绝缘层而言，主要有油浸纸、橡胶和塑料三类;作为护套层而言，主要有油浸纸、橡胶、塑料、铅及铝等。塑料作为一种新兴电线电缆材科，现在已大部分取代了传统的电线电缆材料。据 2000 年初步统计，在电线电缆类材料中，塑料类已占 95%，橡胶类占 4%，而油浸纸只占 1%。在不同国家中，塑料电缆材料的占有率也不同，以1998 年的统计为例，不同国家各种电缆材料的占有率见下表所示。预计，在不久的将来，塑料电缆材料的占有率将接近 100%。不同国家各种电缆材料的占有率塑料电缆料的优点为:电性能好、密度小、价格低、成型容易及外表美观等。作为电线电缆用塑料材料，其总体的性能要求为:电绝缘性能、机械性能、耐热性能、耐侯性能及耐环境性能等都要好。具体对绝缘层材料和护套层材料的具体要求又有所不同。绝缘层材料的要求如下。优异的电性能。要求材料具有高的体积电阻率和介电强度，低的介电常数和介电损耗角正切值;良好的抗电晕性，尤其对耐压级别较高的电缆;对耐压级别更高的电缆为防止电晕产生，往往采用充油结构电缆。另外，要求上述性能不随环境温度、湿度及频率的变化而发生大的变化。良好的机械性能。主要包括拉伸强度、断裂伸长率、模量、柔软性、韧性、耐震动性及耐磨性等。良好的热性能。要求塑料的耐热温度要高，耐低温性能好，热膨胀率、热收缩率及热老化要小。良好的加工性能。护套层材料的机械性能、耐热性能及加 T性能同绝缘层材料的要求相似。其他要求如下。耐候性好。主要指耐光及氧老化性 (架空电缆)、耐油性、耐辐射性及耐环境应力开裂等。阻燃性高。阻燃电缆要求绝缘层的氧指数达到知以上。耐环境性优异。主要针对地埋电缆，要求具有防霉、防白蚁、防鼠及防菌等性能。二、塑料电线电缆的分类塑料电线电缆的种类很多，按不同的分类方法可分成如下几类。 1、按塑料电线电缆的耐压等级分类塑料电线电缆的耐压等级有也为额定工作电压，一般以 kV为单位。常用的耐压等级有:0.6、1、3、6、 10、20、 35、60、110、220、330、550及 1100 等。在上述耐压等级中，按耐压级别的大小有可分为高、中、低三类:低压电线电缆是指额定工作电压在 lkV 以下；中压电线电缆是指额定工作电压在 3­35kV之间；高压电线电缆是指额定工作电压在6OkV以上。在塑料电线电缆材料中，不同塑料的耐压级别不同。PVC 电缆料一般只耐 1OkV以下的电压，最常用于 lkV左右的电缆；XLPE 电缆料最高可耐 55OkV的高压，最常用于 3­22OkV的电缆；而 PP 木纤维复合电缆料的耐压级别高达 1100kV。不同耐压级别的电线电缆用途不同:低压电线电缆主要用于中小厂矿的配电线路；中压电线电缆主要用于大中型企业的供电线路，发电厂的输出线路；高压电线电缆主要用于不宜架空的过江及过海埋地电缆。 2、按电线电缆的用途分类电线电缆的用途为传输电力、传递信息和电磁能量转换三大类，具体可分成:电力电缆、电器电缆、通信电缆及信号电缆等。 (1)电力电缆电力电缆属于传输电能的一类电缆，它主要用于高压输送，其耐压级别大都在 lkV以上。在电力电缆中，塑料材料占有极大的份额，但油浸纸及橡胶材料也有小量的比例。塑料材料以 XLPE 为主，PVC 一般只用于 l0kV以下耐压级别，并且有逐步被 XPLE 淘汰的趋势。下面介绍几种典型的塑料电力电缆品种。①PVC 绝缘电力电缆。具体有额定电压 1.8/3kV、6/l0kV 两种，最高使用温度为 70C。这类电缆数量大，使用广。其中 6/10kV级别电缆要有屏蔽层，导体屏蔽用半导电层，绝缘屏蔽则用半导电层加铜带。②35kV及以下 XLPE 电缆。这类电缆近年发展迅速，并可分成两类。一类为额定电压 6/10kV及以下，可由过氧化物、硅烷及辐射三种交联方法进行交联；另一类为额定电压在8.7/15kV至 26/35kV之间，用过氧化物发交联。两者耐热等级都为 90℃。这类电缆的绝缘层为XLPE，护套层可为 PVC­SG2 或 PE­ST7，其中 PE 护套料应加入炭黑。此外，，还应有导体屏蔽层和绝缘屏蔽层两个屏蔽层，用交联型半导电屏蔽料。具体结构为：导线十导体屏蔽层十绝缘层十外屏蔽层十护套层。③1l0kVXLPE 电力电缆。这类电缆绝缘层的 XLPE 原料对清洁度及微量水分的控制特高，护套层选用 PVC­SG2 过 PE­ST7。其电缆结构同 35kV 及以下 XLPE 电缆相似，也可采用外屏蔽层用铝或铅包，再用 PVC 护套。④阻燃 PVC 绝缘及护套电缆。这类电缆的额定电压为 0.6/1kV至 3.6/6kV之间，耐热为70℃。要求绝缘层及护套层都为阻燃料。⑤架空电缆。额定电压在 lkV以下，用耐候型 PVC、PE(70℃)和 XLPE(90℃)绝缘；l0kV、35kV及以下，用耐候型 HDPE(75℃)和 XLPE(90℃)绝缘。 (2)电器电缆电器电缆属于应用电能的一类电缆，主要用于电源到用电器具之间的连接，其耐压级别大都在 lkV以下，常用的耐压级别为 0.6kV。在电器电缆中，几乎全用塑料材料，其中以 PVC 为主，PE 或 PP 次之。下面介绍几种典型的塑料电器电缆品种。①通用型电器电缆。用 PVC 绝缘及护套，耐热分为 70℃和 90℃两种。②电视共用天线用电器电缆。用 PE 实心及发泡材料绝缘，电线电缆是指额定工作电压在 3­35kV之间；高压电线电缆是指额定工作电压在 60kV以上。在塑料电线电缆材料中，不同塑料的耐压级别不同。PVC 电缆料一般只耐 10kV以下的电压，最常用于 lkV左右的电缆；XLPE 电缆料最高可耐 550kV的高压，最常用于 3­ 220kV的电缆；而 PP 木纤维复合电缆料的耐压级别高达 1100kV。不同耐压级别的电线电缆用途不同:低压电线电缆主要用于中小厂矿的配电线路；中压电线电缆主要用于大中型企业的供电线路，发电厂的输出线路；高压电线电缆主要用于不宜架空的过江及过海埋地电缆。③计算即用电器电缆。用 PE 绝缘，铜带、铝箔或塑料薄膜复合带屏蔽，PVC 或 PE 护套。④仪表用电器电缆。用 PVC 或 XLPE 绝缘，阻燃 PVC 护套。⑤矿用电器电缆。用 PP 或 FEP 绝缘，PVC 护套。⑥交通工具用电缆。具体有 PVC 绝缘及护套 (0.6kV/lkV， 60℃)， XLPE 绝缘及 PVC 护套 (0.6kV/1kV， 85℃)，PVC 绝缘及 PA护套 (65℃)，PTFE 绝缘 (0.6kV，260℃)，FEP 绝缘 200℃)，Pl 绝缘 (0.6kV，200 ℃)等。 (3)通信电缆通信电缆用于传递信息及电磁能量转换，如声音信号及图像信号等。它广泛用于电话、有线电视及无线电通信系统等领域。这类电缆的耐压级别都比较低，致使传输频率都比较高。下面介绍几种典型的塑料电信电缆品种。①市内通信电缆。绝缘层材料用各类 PE 及 PP，既可用实心也可用泡沫结构。护套层用黑色耐侯 LDPE 或 MDPE，粘附在铝复合带上，组成防潮屏蔽层;有时护套料也用耐侯 PVC 材料。②电信设备电缆。又称低频通信电缆，用于各电信局之间配线。一般采用 PVC 或 PP 为绝缘层，PVC 为护套层。③农村通信电缆。用于城市与农村之间通信线路，传输频率最高为 123kHz、156kHz 及 252kHz。绝缘层采用各种 PE或 PE 印 P 共混物，有实心和泡沫结构。绝缘层外加聚烯烃内护套，外加铝塑复合带用于防潮及屏蔽，外层为黑色耐侯 PE 护套层，最外层有时加外护层，由钢带和塑料层组成，用于防鼠及防蚁。④长途对称通信电缆。用于长途干线及中继线，绝缘用实心或泡沫 PE 或 PS 绳带，护套采用组合护层，既铝塑粘合层 PE 或 PVC。⑤同轴通信电缆。其传输频带宽，干扰防卫度高。其结构为内金属导体+内绝缘十外绝缘十外金属导体四层。其中内绝缘层用实心或泡沫 PE，外绝缘用 PE 带。⑥射频电缆。用于传输高频、超高频 (约几 MHz 至几千 MHz)范围内电磁能量，适于无线通信系统及电子设备。其绝缘层采用实心或泡沫 PE 及氟塑料如PTFE 或 FEP，护套层以 PVC 及 PE 为主。⑦通信光缆。这种材料以激光为介质传输音频及音频以上各种电讯信息，其特点为传输信息量大，不受电磁干扰，保密性强。光缆最早于 20 世纪 60年代由美国杜邦公司开发。目前其主要缺点为光导损失稍大，虽己从最初每千米数千 dB 下降到 100dB，特殊品种已下降到 20dB，但仍限制了在长距离通讯上的应用，主要用于设备内部及设备之间短距离数据传输线路，其用量只占整个光缆的 5%左右。光缆的基本结构为：基材 (芯材)+第一层涂覆十第二层涂覆十铝塑粘合内护套十黑色耐侯 PE 或 PVC 外护套层共五层。基材为透明塑料 (取代玻璃和石英)，透明塑料基材选用拉伸时不出现双折射及偏光的高透明性塑料，常用的有高折射率 PMMA(n=1.49)、PC(n=1.59)、PS(n=1.59)、a­甲基聚苯乙烯、PMMA共聚物及聚降冰片 (可耐 150℃)等，一般不选用 PS；第一层涂覆层材料，为实现全反射，用折射率低于芯层材料折射率的透明聚合物，常用的有含氟烯烃聚合物、含氟甲基丙烯酸甲酯(n=1.33)以及聚硅氧烷树脂 (n=1.43)、聚氨酯及环氧树脂等；第二层涂覆材料用尼龙或 PE 等。 (4)信号电缆信号电缆用于铁路信号联络、火警信号及电报等。一般绝缘层采用 PVC、PE 或氟塑料，护套层用 PVC。3、按电线电缆的特殊功能分类按电线电缆的特殊功能分类可将其分成阻燃电缆、屏蔽电缆及伴热电缆等。 (1)阻燃电缆一般电缆的护套层材料都要求具有良好的阻燃性能，尤其是对非地埋类电缆而言。早期的阻然材料为卤化物加三氧化二锑，但由于燃烧时烟雾有毒，近年来朝低烟无卤阻燃方向发展。阻燃电缆一般要求氧指数要达到 30 以上，高阻燃电缆料的氧指数可达到45­50；如要求更高的阻燃效果，则非塑料材料所能达到，这是因为塑料材料在燃烧后形成的碳化物层为导电体，会丧失其原有的绝缘性能；因此，要求更高的阻燃性能一般选云母纸半固化玻璃带为绝缘材料，用它在绝缘层上进行缠绕作为护套层，这种材料在燃烧后形成 SiO2 硬壳，仍具有绝缘性能，因而具有优异的防火性能。 (2)屏蔽电缆含有屏蔽层的一类电缆称为屏蔽电缆。根据 IEC502(1983 年)的规定，凡是用丁基橡胶、聚乙烯及交联聚乙烯为绝缘层的电缆，当其额定电压大于 1.8kV/3.0kV 时都要设计屏蔽层；凡是用聚氯乙烯及乙丙橡胶为绝缘层的电缆，当额定电压大于 3.6kV/6.0kV 时，也要设计屏蔽层；另外，通信电缆中的同轴电缆也需要屏蔽层。电缆设屏蔽层的目的是防止因高压而产生电晕现象引起局部放电，保护主绝缘层不被破坏，保证电缆的正常运行，延长电缆的使用寿命。屏蔽层往往可分为内、外两层，其具体结构为:导体十内屏蔽层十绝缘层十外屏蔽层十护套层。可用于屏蔽层的材料有金属和半导电塑料两种。近年来，半导电塑料用于屏蔽越来越多，有逐步取代金属屏蔽的趋势。半导电塑料的组成为树脂