低壓交聯(lián)電纜絕緣層開裂原因分析與處理

金金元

(浙江晨光電纜股份有限公司，浙江 平湖 314204)

安裝在露天的低壓0.6/1 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜在使用1～2年后，其裸露在外面的電纜終端絕緣層出現(xiàn)了開裂或部分絕緣脫落，電纜芯線絕緣層發(fā)生變色及脆性開裂。電力安裝部門檢查分析后認(rèn)為，絕緣材料的性能較差是絕緣層開裂的主要原因。

1 絕緣開裂現(xiàn)象

在電纜敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)生電纜絕緣層開裂的是YJV或YJV22型0.6/1 kV低壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，其所采用的絕緣料是交聯(lián)聚乙烯。聚乙烯經(jīng)過蒸汽交聯(lián)后，其分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，使熱塑性的聚乙烯變?yōu)闊峁绦缘慕宦?lián)聚乙烯，大幅度提高了材料的耐熱性能和機(jī)械性能，并保持了優(yōu)良的電氣性能。但由于上述工種電纜的絕緣材料不屬于耐候型交聯(lián)聚乙烯，其抗日光老化性能較差。若此電纜長(zhǎng)期曝露在日光下，會(huì)加速絕緣層的老化，最終導(dǎo)致絕緣發(fā)生開裂或部分絕緣脫落。

2 絕緣開裂原因分析

電纜運(yùn)行2年后，絕緣芯線表面呈竹節(jié)開裂形狀，用手掰時(shí)絕緣材料碎裂成小塊，同時(shí)紅色芯線變成半透明。這是因?yàn)樵诠狻帷⒀酢?yīng)力諸多因素的共同作用下，芯線絕緣發(fā)生了脆性開裂。

2.1 光老化作用

由于電纜絕緣直接曝露在強(qiáng)陽(yáng)光下，在受到熱輻射作用的同時(shí)也受到光的長(zhǎng)時(shí)間照射，造成絕緣材料光老化降解。由于紅色是最不耐受陽(yáng)光的顏色，電纜中的紅色芯線變色最嚴(yán)重。光對(duì)加速交聯(lián)聚乙烯的開裂起了很大的作用。強(qiáng)陽(yáng)光會(huì)對(duì)塑料和橡膠等高分子材料產(chǎn)生老化破壞作用。對(duì)于大多數(shù)塑料來說，最易造成破壞的敏感波長(zhǎng)(塑料對(duì)其吸收最大)在290～400 nm之間，即紫外光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。在較強(qiáng)的紫外光長(zhǎng)期照射下，聚乙烯會(huì)引入較多的含氧基團(tuán)，聚合物鏈大量斷裂，分子量降低，分子量的分布加寬。因此，光氧化降解是光老化的主要反應(yīng)。同時(shí)，含羰基分解產(chǎn)物和發(fā)色團(tuán)的形成又加重了其顏色的變化，這可從紅色芯線顏色變化最快中得到驗(yàn)證。

通常在生產(chǎn)電纜時(shí)，其外護(hù)套材料需添加光穩(wěn)定劑、紫外線吸收劑和抗氧劑等。而絕緣材料一般沒有這方面的考慮。如果電纜安裝在戶外時(shí)，電纜終端接頭處絕緣層未經(jīng)保護(hù)處理，裸露在外的芯線受到日光長(zhǎng)時(shí)間的照射，引起分子鏈的斷裂降解造成老化，大大縮短了其使用壽命，給電纜的長(zhǎng)期安全運(yùn)行留下了隱患。因此，光老化作用是絕緣層產(chǎn)生開裂的主要原因。

2.2 熱老化作用

電纜絕緣如果長(zhǎng)期曝露在空氣中，除了受陽(yáng)光照射外，還受到太陽(yáng)的熱輻射。長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)引起絕緣材料溫度上升，加速交聯(lián)聚乙烯的斷裂老化進(jìn)程。在與氧氣隔絕的條件下受熱，包括聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯在內(nèi)的聚烯烴類材料特性是穩(wěn)定的。而在氧氣環(huán)境下，即使溫度較低，聚稀烴類材料也能發(fā)生氧化反應(yīng)。

和光氧化反應(yīng)一樣，交聯(lián)聚乙烯的氧化反應(yīng)的歷程非常復(fù)雜，包括聚合物的氧化、斷裂降解等過程。其終極產(chǎn)物包括羰基化合物、過氧化物、烷氧基化合物等。對(duì)于絕緣材料，光、氧、熱三者的作用是相輔相成的，是一種協(xié)同作用的方式。在沒有氧的條件下，光化學(xué)反應(yīng)非常緩慢；同樣，熱也起協(xié)同作用，熱使得發(fā)色團(tuán)的官能基增加，同時(shí)也促進(jìn)了光化學(xué)反應(yīng)中的氧在材料中的擴(kuò)散。因而，在光、氧、熱三者的共同作用下，高分子材料的斷裂老化會(huì)大大加速。

2.3 熱應(yīng)力作用

由于交聯(lián)電纜是由熱膨脹系數(shù)相差近幾十倍的絕緣和導(dǎo)體組合而成的，在制造過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力的作用也加速了絕緣的開裂進(jìn)程。

在電纜的制造過程中，如果生產(chǎn)速度較快，絕緣表面較快冷卻，高溫下的分子鏈就沒有足夠時(shí)間松弛，急劇冷卻后絕緣收縮不均勻會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。此外，在電纜使用時(shí)，陽(yáng)光直接照射的部位受到較大的熱輻射作用，會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)聚乙烯絕緣產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力具有隨機(jī)性，很難準(zhǔn)確計(jì)算其大小及方向。而聚乙烯是對(duì)應(yīng)力非常敏感的材料，在應(yīng)力的作用下，它容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂現(xiàn)象。交聯(lián)聚乙烯是將線型結(jié)構(gòu)的聚乙烯經(jīng)蒸汽交聯(lián)處理后生成網(wǎng)狀立體型結(jié)構(gòu)；交聯(lián)后分子間鍵合力增大，不利于分子鏈的滑脫，相應(yīng)的應(yīng)力作用不易造成內(nèi)部缺陷，其耐應(yīng)力開裂性能有較大的提高。但熱應(yīng)力的作用始終存在，只不過這一變化慢了一些。交聯(lián)電纜內(nèi)存在的熱應(yīng)力，尚無法進(jìn)行定量檢測(cè)，只能在生產(chǎn)工藝上有意識(shí)地采用防范措施來減少。

在交聯(lián)電纜生產(chǎn)時(shí)，將剛從機(jī)頭模具口擠出來的電纜分段冷卻，讓高溫下的分子鏈有足夠的時(shí)間松弛并逐漸冷卻，以避免絕緣層急劇冷卻后使得絕緣收縮不均勻而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。特別是在生產(chǎn)絕緣較厚的高壓電纜時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)工藝的控制。對(duì)于絕緣較薄的低電壓電纜，在工藝上也會(huì)采取一些措施，使絕緣電纜內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力盡可能小。

耐候型交聯(lián)聚乙烯料含有抗日光老化劑，長(zhǎng)期暴露在日光下不會(huì)老化開裂，可用于制造絕緣架空線。YJV或YJV22型號(hào)的電纜絕緣不屬于耐候性，因此，如果要安裝在戶外露天的地方，只能采取加強(qiáng)保護(hù)絕緣層的辦法來預(yù)防絕緣老化開裂。

3 絕緣開裂的解決辦法

GB/T 50168-2006《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》第6.2.3條和GB/T 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.12條規(guī)定，對(duì)裸露的絕緣層外繞包保護(hù)層(如熱縮絕緣套管或冷縮絕緣套管或絕緣膠帶等)，要采取有效的補(bǔ)救措施，防止絕緣層過早老化開裂。

通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，有部分電力公司的防護(hù)措施做得很到位，通過在曝露在陽(yáng)光下的電纜絕緣層外包覆一層帶相色的熱縮管，對(duì)下套手指套管加強(qiáng)保護(hù)；福建某電力局對(duì)安裝在室內(nèi)的電纜絕緣層外也包覆了一層帶相色的熱縮管。電力系統(tǒng)在電纜安裝方面正逐步規(guī)范。

為防止此類電纜戶外終端絕緣層的過早老化開裂，須采取保護(hù)措施，加強(qiáng)對(duì)終端暴露在外的絕緣層的保護(hù)，以確保電纜能長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

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3 陳祖敏.影響聚乙烯管材耐環(huán)境應(yīng)力開裂的因素及對(duì)策[J].塑料科技，2000(6).

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