C第三部分电缆材料及老化机理1

第三部分电缆材料参考书：1、[德]海因豪尔德，斯杜伯；门汉文；崔国障，王海译.电力《电缆及电线》，北京：中国电力出版计，20012、于景丰，赵锋编著．《电力电缆实用技术》，北京：中国水利水电出版社20023、邱昌容，曹晓珑，郑晓泉等.电线与电缆.西安交通大学教材，2000PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建êwww.fineprint.cn绝缘电线和电缆的结构部件绝缘电线和电缆的结构部件1、导线材料和结构；2、绝缘材料；3、护层材料；4、金属护套5、非金属护层聚合物的老化机理非电老化和电老化电力电缆和电线的标准绝缘电力电线电力电缆导线截面的确定电气参数电网规划对电缆设施设计的影响敷设安装电力电缆设施的测量和试验环境PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn一、绝缘电线和电缆的结构部件PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn二、绝缘材料分类PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn三、用于绝缘层的材料结构三、用于绝缘层的材料结构PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn四、电缆用聚合物材料电线电缆常用绝缘材料有三类最主要的材料：（1）浸渍纸；（2）塑料；（3）橡胶一、聚合物的性能聚合物有两类：天然弹性材料天然橡胶合成橡胶合成热塑性材料如PP、PE、热固性材料如XLPE、环氧树脂（1）同聚物由同种单体聚合而成（2）共聚物电缆用聚合物：1、热塑性PVC/PE/EVA/EEA/EBA/PP/PA/ETFE/FEP2、交联热塑性XLPE/交联聚乙烯共聚物3、热塑性弹性体聚烯烃&天然橡胶共聚物苯乙烯嵌段共聚物热塑性聚酰胺基和聚酯4、弹性体NR/HR/SBR/NBR/EPR/EPDM/CR/CSM/CM/SIK/ECO/EVA5、热固性EP/PURPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cn电缆纸（一）、天然纤维产品－电缆纸由尽可能纯的、长纤维的、由北方木材提取的纤维素制成。人们按照制备工艺也称之为氧化钠纤维素纸。在导线上重叠包绕高质绝缘纸，其层数由额定电压决定。对于额定电压较高的电缆必须在芯线上包绕导电纸并在绝缘层外做由金属化纸[金属薄膜复合纸；H—Fo1ie(膜)]构成的屏蔽层(第4章)，按照标准其层厚部分算入绝缘层壁厚。按照电缆的不同结构，单芯或多芯的电缆芯先放在浸渍容器中干燥，然后放入根据电缆应用目的而确定的经排气和干燥的浸渍剂中(油或浸渍剂)浸渍。中压电缆和外气压电缆用粘稠(高粘度)的聚丁烯剂浸渍，此浸剂与早期使用的天然的以及合成的碳氢树脂构成的油树脂浸刑相比，在低或高的环境温度和工作温度时介质损耗都很低并且有卓越的抗老化性能。在选择浸渍剂粘度时应注意，在较小的落差时(3．4．4节)浸渍剂不迁移。对于在一些国家常用的“吸附性浸渍”电线和内气压电缆使用非PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cnPVC流动性专门浸渍剂，它以“MEYD”·(mass-impregnatednon-draining＝充分浸渍—不滴流)或者在德国的“SV(陡峭敷设)”电缆是众所周知的。此浸渍剂由用精选的微结晶粒度的蜡进行改性的聚丁烯组成。它在浸渍后在由液态向非固化状态转变的过渡期时收缩极小并在微小的蜡晶格允许工作温度范围内不滴流。低压力油电缆使用稀质(低粘度)的、由矿物油提炼的或合成的浸渍剂，，它保证所有工作温度时在电场中的良好的吸收气体功能，尤其对氢气的吸收。这种浸渍剂的其他特性是足够的抗氧化稳定性以及比使用的配件密封材料更小的膨胀效应。纸绝缘电线的比例在德国，同时也在其他国家都下降了。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cn(二）塑料用量最大的一类固体绝缘材料PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cn1聚氯乙烯(PVC)原材料氯乙烯今天主要是通过乙烯氯化生产的[图3．3]。PVC的三种生产工艺1、乳浊液工艺(E－PVC）聚合度：2、悬浮液工艺(S－PVC)XS－1：1400－1530；XS－2：1270－14003、本体聚合工艺(M－PVC)优点：杂质少、电性好、机械强度高、耐酸、碱、耐油、不延燃，工艺性能好缺点：绝缘电阻率小，介质损耗大、耐热性能低，热稳定性能不好，耐寒性差需加入配合剂：增塑剂、稳定剂、填充剂等增塑剂：常用，邻苯二甲基二辛酯（DOP）;苯二甲酸混合辛酯（DCP）；石油酯；双季戊四醇酯；均苯四辛酯等稳定剂（对光、热、氧稳定）：三盐基硫酸铅（PbSO43Pb(OH)2）；二盐基亚硫酸铅（Pb3(PO3)2Pb(OH)2）；硬脂酸钡（C12H35COO)2Ba），硬脂酸铅(C17H35COO)2Pb填充剂：陶土、碳酸钙、滑石粉、硅微粉、云母粉、PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建êwww.fineprint.cn2、聚乙烯（PE）-(-CH2－CH2-)n-聚乙烯是由乙烯经聚合反应而得到的一种高分子碳氢化合物。聚乙烯作为聚乙烯塑料的主体，在很大程度上决定着聚乙烯塑料的基本性能，而聚乙烯的分子结构则是由乙烯聚合的方法和条件所决定的。结构的不同，决定了性能的差异。聚乙烯的合成方法有以下三种：1．高压法聚乙烯(低密度聚乙烯LDPE)在纯净的乙烯中加入极少量的氧气或过氧化物作引发剂*压缩到200MPa左右，并加热到200℃时，乙烯可聚合成白色蜡状聚乙烯。采用这种方法制得的聚乙烯，分子链的支链少呈“树枝状”所以结构稀疏、密度低（0.915～0.93）、柔性好，所以又称为低密度聚乙烯。2．中压法聚乙烯(MDPE)中压法由于使用不同的催化剂，而聚合条件有所不同。采用氧化铬催化剂时，压力：2～5MPa；温度：80～205ºC。采用氧化铜或氧化铝催化剂时，压力：2～35MPa；温度：75～325℃。中压法制得的聚乙烯密度为0.93l—0.94。3．低压法聚乙烯(高密度聚乙烯HDPE)采用催化效能较高的络合催化剂时，乙烯的聚合反应可以在更低的压力或温度下进行这种方法的压力为0～1MPa，温度为60-75ºC。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cnPE中压法和低压法制得的聚乙烯，习惯上统称为低压聚乙烯。由于在聚合反应的过程中几乎没有接枝反应，因此制得的聚乙烯分子链没有分支。它的线型分子结构使其密度较大(0.941～0.965)，所以低压聚乙烯又称高密度聚乙烯。各种聚乙烯不同的分子量及其分布状况对聚乙烯的性能影响很大。分子量越大，熔融后粘度也越大、熔融指数就越小。分子量的分布与聚乙烯的工艺性能和产品使用性能密切相关。聚乙烯在加工过程中，低分子量的易于熔融，高分子量的难于熔融，因此造成塑化不良。表面粗糙。另外，低分子量的存在是老化的因素，它将影响产品的使用寿命。聚乙烯为结晶性高聚物。由于聚乙烯由非极性分子所组成。因此它的分子间力很小。因为聚乙烯大分子在化学结构和儿何结构上都很规则、对称，所以聚乙烯很容易结晶。不过它的烃链相当柔软，要聚乙烯不含结晶结构虽然很难，但要让它完全力结晶结构也不可能，一般聚乙烯是结晶相和无定形相的两相共存物，并用结晶相合量的百分数(即结晶度)来描述聚乙烯的微观结构。聚乙烯根据侧基的情况变化，其结品度有所不同。高压聚乙烯含支链数较多而结品度较低，在室温下约为55％～70％。中压和低压聚乙烯的侧基较少而结晶度较高，在室温下约为80％～90％。结晶度的大小随生产方式和聚合条件的不同而变化。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cnPE结晶性能影响聚乙烯结晶度的主要因素有以下四种：(1)温度。随温度的升高，结晶度变小；冷却后恢复结晶状态。(2)分子结构及分子量分布。支链越多，结晶度越低；分子量分布越窄，结晶度越小。(3)密度。密度越高，结晶度越大。(4)冷却。冷却使结晶度提高。冷却后又恢复结晶状态：结晶度越低；分子量分布越窄，结晶度越小聚乙烯的冷却方式(急冷和缓冷)，对聚乙烯的产品影响较大。急冷工艺下。生成的球晶体积小、数量多、热塑性好。但急冷在聚乙烯内部须留的内应力较大，该内应力将寻致产品的龟裂。缓冷正相反，生成的球晶少而大，材料硬，预留内应力较小，所以耐龟裂性能好。在电线电缆生产工艺中，温水冷却和风冷都属于缓冷。聚乙烯的结晶度增大时，其密度、熔点、刚性和拉仲强度提高，但塑性别伸长率下降。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cnPE物理性能聚乙烯原料来源丰富，价格低廉，电气性能优异(tanδ值小和介电常数小)，优良的化学稳定性(耐酸、碱、盐及有机溶剂)和良好的物理性能。在常温度下即具有一定的韧性和柔性，不需要增塑剂，加工方便。但用于高压电缆绝缘时，必须注意以下几个问题：(1)耐电晕、光氧老化、热氧老化性能(2)熔点低、耐热性低、机械强度不高(3)容易产生环境应力开裂。(4)容易形成气隙：(5)易燃烧。在电缆工业用途：聚乙烯塑料在电线电缆工业中校大量用于中低压电线电缆的绝缘、内外屏蔽和护套。提高聚乙烯的耐光、耐热老化和抗氧化性能，需采用各种抗老化剂、紫外线吸收剂等。抗环境应力开裂性能：加入一定量的聚异丁烯和丁基橡胶增塑。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cnPE的电性能εrρvtanδEjρpTgzλc介质ΩcmkV/mmg/cm3ºCW/mKkJ/kgKPE2.2-2.41016~10170.0002~0.000420~300.92700.17~0.271.0~2.2PTFE2~2.21017~10180.0001~0.000420~302.2~2.32500.2~0.351.0~2.2PVC3~3.510130.02~0.0510~201.2~1.560~700.17~0.271.0~2.2电缆纸（干）1.7~3.210170.002~0.00258~100.6~1.290-1.6油浸纸3~3.810160.00580~1001.351050.15~0.21.6PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ昀3www.fineprint.cn3、交联聚乙烯（XLPE）交联聚乙烯即是利用化学或物理方法，将聚乙烯的分子结构从直链状改变为二维空间的网状结构。上文介绍了聚乙烯的一系列优点和五点不足，为了克服上述缺点，除了在混料中加人各种添加剂外．主要途径是采用交联。聚乙烯经过交联以后，不仅保持了聚乙烯原有的优良性能，同时还克服和改善了聚乙烯的机械、耐热、耐化学药品、抗蠕变以及抗环境外裂等性能”（1）物理交联法是用电子加速器产生的高能粒于射线(如厚射线)照射聚乙烯，使聚乙烯成为具有结合链状态，具有结合链的聚乙烯分子相互结合而成三维空间网状结构的交联聚乙烯。因此，物理交联又称辐照交联。物理法交联的优点是交联均匀、针孔和气泡少、不会焦烧(局部过交联)、能耗很少、属于冷态交联。出于物理交联必须有专用的附加设备(电子加速器和防辐射的密闭场地等)，辐射能量与绝缘层厚度成正比。因此，物理交联法多用于制作薄膜，电缆(尤其是高压电缆)的绝缘层较厚，很少采用物理交联法，大多采用化学交联法。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ê昀3www.fineprint.cn辐射交联原理PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn（2）化学交联法在聚乙烯料中混入化学交联剂，在交联反应中，交联剂分子断开夺取聚乙烯分子中的氢原子，形成具有结合链的聚乙烯分子，它们互相结合而成为交联聚乙烯。常用的交联剂可分为有机过氧化物和硅氧烷两大类。1）有机过氧化物交联剂特点：适于生产厚绝缘XLPE电缆，因而是生产中、高压级XLPE电缆的主要方