高压XLPE绝缘电力电缆外护套材料的选择

宋丽亚， 张道利， 盛洞天

（沈阳古河电缆有限公司，辽宁沈阳110115）

高压XLPE绝缘电力电缆外护套材料的选择

宋丽亚， 张道利， 盛洞天

（沈阳古河电缆有限公司，辽宁沈阳110115）

介绍了高压电力电缆外护套材料的种类，从机械性能、电性能、阻燃性能等多方面分析了各种材料的优缺点，并希望用户在选型过程中，能够根据不同的使用环境采用性能最合适的非金属护套，以保证电缆在寿命期内安全运行。

电力电缆；护套材料；机械性能；电性能；阻燃；无卤低烟

0 引 言

高压交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆（66kV及以上）主要由导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、缓冲（纵向阻水）层、金属护套和非金属外护套组成。非金属外护套作为电力电缆的最外层，主要起两个作用：一是保护金属护套，防止其被腐蚀；二是使金属护套对地绝缘，避免金属护套由于多点接地而产生环流。

非金属外护套的材料从种类上分主要有聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两大类，具体如表1所示。另外还有一种无卤低烟阻燃聚烯烃护套料，严格来说不能划分到聚乙烯一类。

对于XLPE绝缘电力电缆，电缆导体正常运行的最高温度为90℃，所以从导体工作温度上外护套也分为两大类，即以PVC为基料的代号为ST2的外护套混合料和以PE为基料的代号为ST7的外护套混合料，而ST1和ST3型护套材料是不适用于XLPE绝缘电力电缆的，它适用于导体温度为80℃的电力电缆（见表2）。退灭虫（Termigon）或退敌虫护套料是一种物理防蚁的超高硬度PE类护套材料，它应属于ST7型护套材料，而无卤低烟阻燃聚烯烃护套料既不属于ST2也不属于ST7，按照IEC 60502标准，它属于ST8。

表1 高压电力电缆外护套种类

表2 电缆非金属护套混合料

由于高压电缆在运行时金属护套不允许多点接地，一旦金属护套多点接地，金属护套内由于感应电压的存在将产生巨大的环流，不仅严重影响电缆的载流量，甚至可能会引起火灾，因此对外护套材料的机械物理性能和电性能都提出了严格的要求。面对繁多的护套材料，用户如何进行合理的选择，尽量减少电缆使用过程中由护套产生的问题，是一个比较困难的事情。本文对目前国内常用的高压电缆护套材料的性能进行分析比较，找出每种护套材料的优缺点，以方便用户进行合理的选择。

1 外护套材料的性能分析

1.1 机械物理性能

表3为几种常见护套材料的机械物理性能比较。从中可看出，PE及退灭虫或退敌虫材料的机械性能非常优良，其抗张强度和断裂伸长率都有明显优势。传统的软PVC材料的邵氏D级硬度只有36～40，适用于35 kV及以下电线电缆的绝缘或护套。当高压电力电缆使用这种PVC护套材料后，由于电缆比较重（220 kV 1×2 500 mm2电缆单位重量可达37 kg/m），在现场敷设时，经常出现外护套被刮坏、硬物硌伤或异物扎入的情况，不但造成电缆厂家的损失，还由于要查找故障点进行修补而大大影响现场施工进度，选用软PVC护套料显然已不合适，最佳的选择为半硬质阻燃PVC，这种护套材料邵氏D级硬度可达50～55，不仅大大提高了外护套的耐刮磨性，而且提高了护套材料的绝缘性能，满足了高压电缆敷设的要求。

表3 机械物理性能比较

除了软PVC及低烟低卤阻燃PVC外，其他几种护套材料都有较高的硬度、较好的耐刮磨性和抗撕裂性能。因此从用户角度来看，当高压电缆用于直埋敷设而对电缆无阻燃要求时，最好的选择是PE类护套，而对电缆有防蚁要求时，可在护套外层挤包一层退灭虫或退敌虫材料。

1.2 电性能

表4为几种常见护套材料的电性能比较。从中可看出，PE及退灭虫或退敌虫护套材料有着优良的电性能，其介电强度在25 kV/mm以上，体积电阻率在1014Ω·m以上，试验证明其体积电阻率随温度的变化不大。而PVC类材料，其电阻率随着温度的升高而急剧减小，用作绝缘材料时，20℃的绝缘电阻是40℃时的16倍（见图1）。图1中的纵坐标是温度换算系数k′，是以20℃绝缘电阻（RV0）为基准值，将其他温度的绝缘电阻（RVt）经过换算得到的系数。此时绝缘电阻公式RV0=k′RVt［2］，40℃时k′为16，即20℃的绝缘电阻是40℃时的16倍。

表4 电性能比较

图1 PVC材料绝缘电阻温度换算系数曲线

以220 kV 2 500 mm2电缆为例，当采用不同种类的护套时，其绝缘电阻如表5所示。

表5 采用不同护套材料时的绝缘电阻

由于PVC类护套材料对温度很敏感，因此，如采用PVC作为电缆护套，在使用中遇到护套绝缘电阻过低或泄露电流过大时，可以考虑降低护套温度或者换一台泄露电流较大的设备再进行试验；在无法改变护套温度时，用户也应该明白护套绝缘电阻在什么范围内是正常的。

1.3 阻燃性能

XLPE绝缘皱纹铝护套电缆的阻燃性能与非金属护套的氧指数及铝护套的防腐层的材料有很大关系。

图2～图4是不同护层材料组合的电缆所做的成束燃烧试验照片。从中可以看到，不同护层材料结合方式不同，燃烧试验结果也不同，阻燃PE+热涂敷沥青这种组合方式的电缆连C类成束燃烧试验都不能通过（见图3），而采用沥青漆或热熔胶作为防腐层时，电缆则可以通过C类或更高一级的成束燃烧试验。

图2 半硬质阻燃PVC通过A类成束燃烧试验

图3 阻燃PE护套全部烧光，不能通过C类成束燃烧

表6是各种防腐层和护套材料组合后的燃烧试验结果。PVC类护套具有良好阻燃性，不加阻燃剂（即氧指数为27）且防腐层为沥青时，就可以达到GB/T 18380规定的C类成束燃烧试验的要求，当氧指数为30时，就能达到GB/T 18380规定的A类成束燃烧试验的要求（见图2）；无卤低烟阻燃护套当采用热熔胶时可以通过A类成束燃烧试验（见图4）。

图4 无卤低烟阻燃护套通过A类成束燃烧试验

表6 阻燃性能比较

综上所述，阻燃PE的阻燃性能并不理想，而半硬质PVC材料本身具有自熄性，阻燃效果非常好。因此，当电缆暴露在空气中，如隧道、电缆夹层、电缆沟或桥架等有阻燃要求的场所敷设时，推荐采用半硬质PVC护套电缆；当然，如果采用沥青替代材料（沥青漆或热熔胶等），采用阻燃PE或无卤低烟阻燃护套材料也是可以的。

1.4 毒性与烟密度

PVC护套电缆在燃烧时会释放大量有毒的氯化氢气体，因此这类产品一般不建议敷设在有环保要求的场所。

阻燃PE的阻燃剂主要是十溴二苯醚和三氧化二锑（Sb2O3）。多溴对人体有害，欧盟RoHS指令已禁止使用，金属氧化物含有毒重金属锑，阻燃PE燃烧时发烟量大，释放有毒、有腐蚀性的溴化氢气体，也不能满足环保及消防日益严格的要求。

想要实现高压电力电缆的无卤、低烟、阻燃及环保等要求，采用符合标准要求的无卤低烟阻燃聚烯烃护套是一个较好的选择。需要注意的是应同时开发一种沥青的替代材料以满足产品的无卤、低烟和阻燃要求。对于110 kV及220 kV电缆来说，由于电缆外径较大，可燃烧的材料体积较多，其透光率要想达到GB/T 17651规定的60%是相当困难的，同一种材料在不同外径的电缆上试验所得到的透光率是有很大差异的。图5是220 kV 2 500 mm2无卤低烟阻燃护套电缆烟密度和温度试验曲线，而图6是同一种无卤低烟阻燃护套材料在小直径中低压电缆上的烟密度试验曲线，可以看到前者透光率只有36%，而后者透光率却为84.1%，两者差距明显。新版的IEC 61034对烟密度的试验方法考虑到了这点，规定外径大于80 mm的电缆在测试的最小透光率基础上乘以D/80加以修正（D为被测电缆的实际外径），此值才是实际的最小透光率。因此，透光率为36%的结果修正以后大于60%，符合标准要求。

图5 220 kV 2 500 mm2无卤低烟阻燃护套电缆烟密度试验

图6 小直径中低压无卤低烟阻燃护套电缆烟密度试验

1.5 吸水性

对各种材料做吸水性试验，按照 GB/T 2951.13-2008的重量吸水试验方法进行，结果如表7所示。从中可看出，PE材料的防水防潮性能特别好，阻燃PE和PVC类材料的吸水值差不多，均比较大。所以，从实际情况看，阻燃PE材料并不像理想中那样，既能阻燃，又能保持PE优良的防水防潮性能，其主要原因是阻燃PE中含有大量的添加剂，已经彻底改变了PE原有的优良的机械物理性能。

表7 吸水性比较

因此，电缆在排管敷设、地下直埋或有防水要求时应采用普通PE护套材料，而不建议采用吸水值很大的阻燃PE和PVC类护套材料。

1.6 光老化

PE材料容易发生光老化，PE本身没有吸收光线的基本基团，其产生光氧降解的原因在于聚合物合成和加工过程中体内的残留微量过渡金属和引发剂残基，或聚合物链中含有少量羰基、过氧化氢基团等。这些生色基团能强烈吸收紫外光，引起聚合物光氧降解反应，导致PE护套在紫外线的照射下发生开裂。黑色的PE类护套材料中含有炭黑，不仅起到着色的作用，还作为很好的紫外线吸收剂。当炭黑含量在（2.6±0.25）%范围内，分散度≤3级时，护套的残余断裂伸长率在30年内不会低于80%，可以满足电缆30年的使用寿命；而当炭黑含量小于1%时，护套在阳光的照射下就会产生光降解反应，一般1～2年内护套的断裂伸长率会急剧下降。

彩色的PE护套材料不含炭黑，因此需要加入UV稳定剂防止护套产生光老化。但即使加入UV稳定剂，在阳光的暴晒下，彩色的PE护套也很难满足电缆的寿命要求，因为UV稳定剂是有时效性的。图7是红色护套光老化典型示意图，其横轴代表使用年份，纵轴为残余断裂伸长率。从中可以看到，红色PE护套在阳光照射下，3年以后断裂伸长率就开始大幅下降，8年后断裂伸长率只剩下10%，老化严重。因此彩色PE护套即使加入足量的UV稳定剂，2～3年后，护套也开始降解老化。

因此对于彩色PE护套，用户应慎用。如果选择彩色PE护套，却不能避免暴露在阳光下，建议在彩色PE护套外挤包半导电护套，这样可以避免光老化。

2 半导电护套材料

在对电缆外护套进行直流耐压试验时，一直采用石墨作为电缆护套的外电极，但是石墨具有易脱落、污染环境的缺点，挤包的半导电层作为替代材料应运而生。半导电层与PE或PVC外护套双层共挤，能与外护套材料紧密结合。

图7 PE护套光老化示意图

在竣工试验中，进行外护套直流电压试验：电缆金属套对地间施加直流电压10 kV，时间1 min。为了确保半导电护套材料有良好的导电性，我们做过试验，当材料电阻率≥100Ω·cm时，将外护套人为破坏后，施加直流电压，如果故障点和接地点距离1 m时，此时护套可以承受15kV以上的电压，而当电阻率≤35Ω·cm时，同样条件电压升至8 kV时，即发生爬电。可见如果半导电层电阻率过高，将不利于外护套的外伤检测。由于半导电护套材料没有行业标准，不同厂家的指标差别较大，有的体积电阻率很高，材料成本也相差较大。

半导电护套材料不但具备良好的电性能和机械物理性能，而且不会污染环境，因此挤包半导电护套越来越得到广大用户的欢迎和认可。

3 结束语

非金属外护套对保护电缆内部结构起着非常重要的作用，外护套的质量直接关系到电缆的使用寿命。通过上述对不同种类护套材料性能的分析和比较，希望用户能对非金属护套的性能有一个比较全面的认识，在选型过程中，能够根据不同的使用环境采用性能最合适的非金属护套，以保证电缆在寿命期内安全运行。

［1］ GB/Z 18890-2002 额定电压220 kV（Um=252 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件［S］.

［2］ 王春江主编.电线电缆手册第1册［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］ 王 霞，陈少卿，成 霞，等.纳米ZnO对聚乙烯抗紫外光老化的影响［J］.电工技术学报，2008，23（10）：6-10.

［4］ IEC 60502-1：2009 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV（Um=1.2 kV）up to 30 kV（Um=36 kV）-Part 1：Cables for rated voltages of 1 kV（Um=1.2 kV）and 3 kV（Um=3.6 kV）［S］.

［5］ GB/T 18380-2008 电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验［S］.

［6］ GB/T 17651-1998 电缆或光缆在特定条件下燃烧的烟密度测定［S］.

［7］ IEC 61034-2：2005 Measurementof smoke density of cables burning under defined conditions-Part2：Test procedure and requirements［S］.

［8］ GB/T 2951.13-2008 电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第13部分：通用试验方法-密度测定方法-吸水试验-收缩试验［S］.

Oversheathing M aterial Selection of High Voltage XLPE Insulation Power Cable

SONG Li-ya，ZHANG Dao-li，SHENG Dong-tian
（Shenyang Furukawa Cable Co.，Ltd.，Shenyang 110115，China）

The category of HV power cable oversheathingmaterialwas presented.The advantages and disadvantages of variousmaterialswere detailed analyzed from themechanical properties，electrical properties，flame retardance and other aspects.In the process of selecting the type，users should choosemost appropriate non-metallic oversheath with the best performance depending on the application environment，to ensure cable safe operation within the lifetime.

power cable；oversheathingmaterial；mechanical properties；electrical properties；flame retardant；low smoke zero halogen

TM215.1

A

1672-6901（2014）03-0022-05

2013-07-15

宋丽亚（1986-），女，助理工程师.

作者地址：辽宁沈阳市苏家屯区大淑卜乡胡家甸［110115］.