電線電纜絕緣材料燃燒及熱老化研究進(jìn)展

鄭建強(qiáng) 倪世博 王超

摘要：電線電纜是不可缺少的電力設(shè)備與材料，絕緣則是其基本性能，指的主要是兩導(dǎo)體之間的絕緣材料，一旦發(fā)生絕緣故障，將給人們的人身財(cái)產(chǎn)安全乃至整個(gè)社會(huì)的安全穩(wěn)定帶來(lái)巨大隱患。當(dāng)出現(xiàn)這類問(wèn)題時(shí)，需要及時(shí)對(duì)絕緣老化現(xiàn)象進(jìn)行顯微觀察，并降低危險(xiǎn)系數(shù)?；诖?，本文就電線電纜絕緣材料燃燒及熱老化進(jìn)行有效分析。

關(guān)鍵詞：電線電纜;絕緣材料;燃燒及熱老化

一、電線電纜絕緣材料熱老化概述

熱老化是材料老化的基本形式，長(zhǎng)期受熱后，一些絕緣材料的抗彎和抗張強(qiáng)度均會(huì)顯著降低，當(dāng)受到機(jī)械作用后很容易損壞而導(dǎo)致絕緣擊穿。水份能和其他污物一起組成弱電介質(zhì)，生成離子，增大電導(dǎo)及介質(zhì)損耗，使絕緣材料進(jìn)一步發(fā)熱，加速了熱老化的進(jìn)程。另外，局部放電、光照、輻射等都是影響絕緣老化的因素。絕緣老化意味著絕緣材料的使用壽命已經(jīng)到期，如果繼續(xù)使用將有發(fā)生漏電、短路等事故的危險(xiǎn)。

二、電線電纜絕緣材料的重要性

在電線電纜企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，由于電線電纜絕緣材料以及護(hù)套材料在整個(gè)材料的總成本不到20%，因此很多電線電纜企業(yè)往往都忽視了絕緣材料以及護(hù)套材料的重要性，那么質(zhì)量也極其容易被忽視，從而便導(dǎo)致了在供應(yīng)商的選擇上，材料型號(hào)的選擇以及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面存在著很大的漏洞。實(shí)際上，絕緣材料以及護(hù)套材料質(zhì)量決定了電線電纜的絕緣性能，耐環(huán)境條件性能以及抗老化性能。因此，在電信電纜的產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，70%的檢驗(yàn)應(yīng)在電線電纜絕緣材料以及護(hù)套材料的質(zhì)量檢驗(yàn)相關(guān)。而絕緣材料以及護(hù)套材料的質(zhì)量不易控制。電線電纜絕緣材料以及護(hù)套材料的檢驗(yàn)需要用專門的設(shè)備來(lái)進(jìn)行，而樣品的制備過(guò)程也相當(dāng)復(fù)雜，而且部分的性能測(cè)試檢驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)十天左右。因此，絕緣材料以及護(hù)套材料的質(zhì)量問(wèn)題不易控制。而實(shí)際上若是能夠做好成品的檢驗(yàn)以及供應(yīng)商的管理工作后，絕緣材料以及護(hù)套材料的質(zhì)量問(wèn)題是可以得到有效的控制的。所以有效的提高絕緣材料以及護(hù)套材料的質(zhì)量問(wèn)題是提高電線電纜質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。

三、電線電纜絕緣材料燃燒及熱老化表現(xiàn)形式

3.1電樹枝

研究發(fā)現(xiàn)，在固體絕緣材料的高壓擊穿試驗(yàn)后，可以觀察到類似樹枝或者樹根一樣的擊穿痕跡。在高電壓工程學(xué)上，這種樹枝狀的絕緣擊穿部分稱為“樹枝”，其發(fā)生、發(fā)展的現(xiàn)象叫做“樹枝形成”。這種樹枝是由電場(chǎng)的作用導(dǎo)致?lián)舸┧?，所以又被稱為“電樹枝”電樹枝產(chǎn)生的原因和電老化的原因一樣有多種理論，但是尚無(wú)定論。其中有本征破壞說(shuō)、離子碰撞說(shuō)、龜裂發(fā)生說(shuō)以及機(jī)械破壞說(shuō)等等?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制造電樹枝的方法是通過(guò)在插入絕緣材料內(nèi)部的細(xì)針施加高壓，這在一定程度上說(shuō)明電樹枝的形成和絕緣材料不均勻引起的電極效應(yīng)有關(guān)電樹枝形成后會(huì)不斷發(fā)展，直至形成直徑數(shù)微米到數(shù)百微米的細(xì)小中空管，這是引起絕緣局部放電原因之一。

3.2水樹枝

橡皮、塑料電纜等浸水后施加電壓作長(zhǎng)期試驗(yàn)時(shí)，與不加電壓只浸水的情況相比較其絕緣介質(zhì)特性要低。這一現(xiàn)象被稱為“浸水課電現(xiàn)象”。對(duì)產(chǎn)生“浸水課電現(xiàn)象”的絕緣材料進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)有和電樹枝相似的樹枝狀結(jié)構(gòu)的存在，因?yàn)檫@種樹枝結(jié)構(gòu)和水有關(guān)，并且是在低電場(chǎng)強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間作用下形成的，為與電樹枝區(qū)別，稱之為水樹枝水樹枝在充滿水的狀態(tài)下看起來(lái)是白色的，但是干燥后就不易觀察到。水樹枝多見于結(jié)晶性材料如聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，而在無(wú)定型材料的PVC、丁基橡膠等聚合物中少有發(fā)現(xiàn)。此外，水樹枝在直流電壓的作用下較難產(chǎn)生，但是在交流電壓作用下較易產(chǎn)生，高頻電壓也能促使水樹枝的產(chǎn)生在顯微觀察下發(fā)現(xiàn)水樹枝的結(jié)構(gòu)和電樹枝還是存在一定差別的水樹枝一般為直徑O.1一llxm的微小氣泡的集合，它們之間由直徑為0.051～m的微小導(dǎo)管相連，這些微氣泡和微導(dǎo)管中有水的存在。水樹枝的發(fā)生一般需要三個(gè)條件：水、起點(diǎn)、電場(chǎng).這為防止水樹枝的產(chǎn)生提供了指導(dǎo)。首先，對(duì)于鋪設(shè)在地面以下的電力電纜，要盡量避免與水直接接觸。但是，完全和水隔離是比較難做到的。其次，消除絕緣材料中的微隙、雜質(zhì)、凸起等作為水樹枝產(chǎn)生的起點(diǎn)的部分，這是最現(xiàn)實(shí)有效的方法。

3.3化學(xué)樹枝

在電纜絕緣介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的樹枝狀結(jié)梅還有一種為化學(xué)樹枝?；瘜W(xué)樹枝主要是由于硫化物從電纜外圍穿透絕緣層并與銅導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)形成硫化銅，硫化銅滲透到聚乙烯電纜的缺陷部位，形成樹枝狀的結(jié)晶化學(xué)樹枝呈現(xiàn)為黑色或者紅褐色的連續(xù)結(jié)構(gòu)，在無(wú)電場(chǎng)的作用下也會(huì)發(fā)生。

3.4熱離子位移極化

介質(zhì)中少量與周圍分子聯(lián)系較弱的帶電離子（一般為雜質(zhì)）在外電場(chǎng)的作用下，其熱運(yùn)動(dòng)趨向于順電場(chǎng)方向在有限的范圍內(nèi)位移，造成這些離子在介質(zhì)中分布不均，形成偶極化。這種極化受到分子熱運(yùn)動(dòng)的限制，溫度越高、熱運(yùn)動(dòng)越活躍，極化越困難。因此，這種極化建立速度較緩慢，電場(chǎng)消失后，復(fù)原也較緩慢。

四、電線電纜絕緣材料燃燒及老化的原因

電信電纜絕緣護(hù)套材料采用的是高分子聚合物。高分子主要是依靠強(qiáng)大的化學(xué)鍵來(lái)保持相互的固定位置。一旦化學(xué)鍵受到外界的損傷或者是老化破壞，主要是氧化反應(yīng)，那么聚合鏈就會(huì)大量的斷裂，最終使護(hù)套材料開裂。

4.1絕緣受潮

這種情況也很常見，一般發(fā)生在直埋或排管里的電纜接頭處。比如：電纜接頭制作不合格和在潮濕的氣候條件下做接頭，會(huì)使接頭進(jìn)水或混入水蒸氣，時(shí)間久r在電場(chǎng)作用下形成水樹枝，逐漸損害電纜的絕緣強(qiáng)度而造成故障。

4.2化學(xué)腐蝕

電纜直接埋在有酸堿作用的地區(qū)，往往會(huì)造成電纜的鎧裝、鉛皮或外護(hù)層被腐蝕，保護(hù)層因長(zhǎng)期遭受化學(xué)腐蝕或電解腐蝕，致使保護(hù)層失效，絕緣降低，也會(huì)導(dǎo)致電纜故障。化：?jiǎn)挝坏碾娎|腐蝕情況就相當(dāng)嚴(yán)重。

4.3長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行

超負(fù)荷運(yùn)行，由于電流的熱效應(yīng)，負(fù)載電流通過(guò)電纜時(shí)必然導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)以及鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質(zhì)損耗也會(huì)產(chǎn)乍附加熱量，從而使電纜溫度升高。長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)加速絕緣的老化，以至絕緣被擊穿。尤其在炎熱的夏季，電纜的溫升常常導(dǎo)致電纜絕緣薄弱處首先被擊穿，因此在夏季，電纜的故障也就特別多。

4.4電纜接頭故障

電纜接頭是電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，由人員直接過(guò)失（施工不良）引發(fā)的電纜接頭故障時(shí)常發(fā)生。施工人員在制作電纜接頭過(guò)程中，如果有接頭壓接不緊、加熱不充分等原網(wǎng)，都會(huì)導(dǎo)致電纜頭絕緣降低，從而引發(fā)事故。

4.5環(huán)境和溫度

電纜所處的外界環(huán)境和熱源也會(huì)造成電纜溫度過(guò)高、絕緣擊穿，甚至爆炸起火。

結(jié)語(yǔ)：

簡(jiǎn)而言之，電線電纜是電力系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備和材料，絕緣是其基本性能，它主要是指兩根導(dǎo)線之間的絕緣材料。絕緣失效一旦發(fā)生，將給人們的人身、財(cái)產(chǎn)安全乃至整個(gè)社會(huì)的安全穩(wěn)定帶來(lái)極大的隱患。為了保證電力運(yùn)行的安全穩(wěn)定，必須重視電線電纜絕緣檢測(cè)技術(shù)的研究。通過(guò)對(duì)電線電纜機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)體電阻等絕緣故障因素的分析，探討了電線電纜機(jī)械性能檢測(cè)、結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)、絕緣電阻檢測(cè)的技術(shù)方法，為電線電纜絕緣性能檢測(cè)技術(shù)人員提供參考，促進(jìn)電力設(shè)備為人們的生產(chǎn)和生活提供更大的便利，促進(jìn)電力工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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