耐寒型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的研制

郭儉旭， 林 磊， 肖云濤， 楊建偉， 吳衛(wèi)峰

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

在我國北方及西部等高寒地區(qū)，冬季溫度低、時間長、早晚溫差大，很多電纜廠生產(chǎn)的電力電纜會出現(xiàn)過低溫敷設護套開裂的現(xiàn)象。近年，眾多客戶在電纜的技術協(xié)議中增添耐寒要求，然而行業(yè)并未提供耐寒電纜具體的性能指標和驗證方法，這無疑給成品驗證增添了難度。為了解決上述問題，我們通過與材料廠家合作，最終設計出一種在低溫條件下(不低于－15℃)敷設時護套不開裂的耐寒型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。本文介紹該產(chǎn)品的設計思路、材料性能指標、成品測試指標以及試驗方法等。

1 設計思路

據(jù)了解，在電纜施工敷設過程中，聚乙烯護套電力電纜護套開裂的比例相對較大，鎧裝型電力電纜更甚。一是由于聚乙烯材料本身的線性結構導致其冷卻結晶時產(chǎn)生局部應力致使護套開裂;二是由于大部分電力電纜采用地埋敷設，鎧裝型結構的電力電纜在彎曲時，鋼帶間隙發(fā)生變化，受力主要在護套內(nèi)側，且鋼帶邊緣與護套層內(nèi)側接觸點最大，形成局部應力集中現(xiàn)象，也會導致護套開裂［1］。因此，鎧裝型結構的耐寒型電力電纜并不適合采用聚乙烯護套。根據(jù)GB 50217—2007《電力工程電纜設計規(guī)范》中對電纜護套的要求“在－15℃以下低溫環(huán)境應選用聚乙烯護套，在－15℃以上環(huán)境中可選用聚氯乙烯護套”，以及上述對電纜材料和結構的分析，設計時將護套材料定為聚氯乙烯，并按確定的耐寒電纜的性能指標，制定其護套材料的性能指標。

2 耐寒電纜性能指標的確定

為了保證電力電纜在不低于－15℃的低溫環(huán)境中敷設時護套不開裂，首先要保證成品電纜的主要性能指標滿足低溫環(huán)境敷設的要求。

在GB/T 12706標準中規(guī)定電纜的最低敷設溫度為0℃，我們參照90℃聚氯乙烯護套的性能指標，制定耐寒電纜聚氯乙烯護套料的性能指標。

(1)護套開裂主要取決于護套的斷裂伸長率，在標準中，90℃聚氯乙烯護套料在23℃的斷裂伸長率為150%，那么，其在0℃時斷裂伸長率將不足150%。理論上說，若將耐寒電纜護套料的斷裂伸長率指標定為 －15℃時不小于150%，就可以滿足－15℃環(huán)境敷設時拉伸的要求。

(2)90℃聚氯乙烯護套料的抗拉強度為12.5 MPa，若將耐寒電纜護套料的抗拉強度指標提高至－15℃時不小于16 MPa，性能則優(yōu)于普通PVC護套在0℃的指標要求。

(3)為保證電纜敷設后可以在更低的環(huán)境溫度下正常工作，制定耐寒電纜護套料在－40℃的斷裂伸長率指標，不小于30%。

(4)為保證電纜在－15℃時敷設能夠滿足外力沖擊的要求，特將沖擊脆化溫度降至－40℃，確保在不低于－40℃時電纜可以抵御外力的撞擊。

3 電纜低溫試驗要求

電纜一般在敷設過程中主要受外界壓力、拉力、彎曲、碰撞、摔打等作用。為了保證電纜在－15℃低溫條件下承受上述外力作用時不受損傷，我們模擬了電纜低溫敷設的條件，通過低溫彎曲試驗、低溫拉伸試驗以及低溫沖擊脆化試驗來進行驗證。

3.1 －15℃低溫彎曲試驗、局部放電和耐壓試驗

－15℃低溫彎曲試驗可以驗證電纜在敷設過程中是否能承受一定程度的彎曲作用。局部放電和耐壓試驗是為了驗證電纜在彎曲過程中是否對電纜造成了損傷。

試驗方法:采用動態(tài)模擬敷設的方式，將試樣置于－15℃的環(huán)境中24 h后，將試樣繞試驗圓柱體(例如線盤的筒體)三圈，然后展開放直，再在相反方向上重復此過程。此操作循環(huán)應進行三次，觀察試樣表面是否有裂紋。

試樣圓柱體的直徑應為:單芯電纜，20(D+d)±5%;三芯電纜，15(D+d)±5%。式中，D為電纜試樣實測外徑(mm);d為導體的實測外徑(mm)。

本試驗完成后，將試樣立即進行局部放電試驗(試驗靈敏度不大于5pC)和耐壓試驗，檢驗絕緣是否存在缺陷。

3.2 －15℃低溫拉伸試驗

－15℃低溫拉伸試驗可以證明該電纜在－15℃下具有較好的拉伸性能，能夠滿足電纜在放線過程中受到的拖拉和彎曲作用。試驗方法按照GB/T 2951.14的規(guī)定完成。

3.3 －40℃低溫拉伸試驗

－40℃低溫拉伸試驗的試驗方法與－15℃低溫拉伸試驗方法相同，該試驗可以證明電纜在－40℃的環(huán)境中能夠正常使用，而且仍具有一定的拉伸性。

3.4 －40℃低溫沖擊脆化試驗

－40℃低溫沖擊脆化試驗驗證電纜在－40℃時具有較好的抗沖擊能力，借此推斷電纜在－15℃時的抗沖擊能力更優(yōu)，完全可以保證電纜在－15℃敷設放線時受外界沖擊、撞擊時的安全性。

試驗方法:取3個成品電纜試樣，每個試樣長度至少是電纜直徑的5倍，最短150 mm。將試樣及實驗設備置于－40℃的低溫箱中24 h后，將每個試樣依次放在沖擊試驗設備上;根據(jù)GB/T 2951.14—2008標準中表2的規(guī)定選擇落錘重量，落錘從1 m高處落下，試驗后，當試樣恢復到室溫后浸入熱水(40～50℃)，然后沿著電纜軸向將護套切開，觀察護套是否開裂。如果3個試樣中有1個有裂紋，再取3個試樣重復進行試驗;如果3個試樣均無裂紋，則試樣符合試驗要求;如有任何1個試樣有裂紋，則表示該電纜的護套不符合要求。

4 電纜材料指標的確定

(1)絕緣材料。交聯(lián)聚乙烯在低溫環(huán)境下仍能保持良好性能［2］，因此，該電纜選用介電常數(shù)低、絕緣電阻大的優(yōu)質過氧化物交聯(lián)聚乙烯材料作為絕緣。材料性能指標符合GB/T 12706的要求。

(2)護套材料。根據(jù)設計的要求，制定材料性能指標時，需考慮生產(chǎn)過程對產(chǎn)品性能的影響，經(jīng)過與材料廠家進行溝通，并協(xié)助其進行大量的試驗驗證，最終確定護套材料的性能指標:－15℃時抗拉強度16 MPa，斷裂伸長率為160%，優(yōu)于產(chǎn)品指標。

5 成品電纜實測性能

該電纜經(jīng)國家電線電纜質量監(jiān)督檢測中心檢測，產(chǎn)品技術指標全部達到標準要求，其中低溫性能指標遠優(yōu)于標準要求(見表1)。

表1 耐寒電纜實測性能指標

6 結束語

該產(chǎn)品已取得國家實用新型專利(ZL 200920048808.1)并在東北、華北部分寒冷地區(qū)敷設使用。

［1］毛文沛.無鹵低煙阻燃鋼帶鎧裝電纜護套應力開裂的探討［J］.電線電纜，2008(4):44-46.