平滑铝护套电缆涂覆技术及安全性能分析

2022-05-30金金元陈志忠陈朝晖金宏磊张仲奇

电力安全技术 2022年4期

金金元，陈志忠，陈朝晖，金宏磊，张仲奇

(1.浙江晨光电缆股份有限公司，浙江嘉兴 314200；2.国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建福州 350000；3.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建厦门 361000)

0 引言

近年来，我国发生了多起因高压电缆半导电缓冲层与皱纹铝护套之间放电烧蚀引发的电缆本体故障。据统计，该类电缆故障数量已超过外力破坏、多点接地、交叉互联接地线盗割等产生的故障数量，成为引发电缆本体故障的首要原因。为此，研发了平滑铝护套电缆。该电缆结构紧凑，涂敷热熔胶防腐层后，电缆的外护套与铝套粘合成一个整体，简称平滑铝护套电缆。该电缆弯曲性能优良，铝护套和缓冲层之间紧密且缝隙小，阻水效果更好；铝护套和电缆外屏蔽表面属于整体接触，接触面积大，降低了铝护套表面的感应电流密度，有效预防电缆内部缓冲层接触不良而产生的放电现象，避免电缆内部的放电烧蚀现象，更能保证电缆的安全运行。

1 沥青涂覆工艺设计

1.1 平滑铝护套沥青涂覆工艺设计

目前，皱纹铝护套高压电缆均采用沥青作为防腐层，在正常生产情况下，沥青涂覆厚度均匀，不会出现漏涂等不良现象，且在收线时电缆表面一般不会出现质量问题。然而，平滑铝护套高压电缆采用沥青作为防腐层时，即使在正常生产情况下，在成品电缆收线上盘后，电缆内侧护套表面仍会出现弓起或起皱现象，并且这种护套弓起现象是连续性的，一般1 m 左右出现1 个，严重影响了电缆外观产品质量。

对护套出现弓起或起皱的位置进行解剖分析，发现这种现象主要是因为铝护套先起皱后造成外护套也弓起，在弓起的部位，沥青与平滑铝护套是脱开的，没有完全粘合在一起。经过对比分析，皱纹铝护套电缆依靠铝护套的皱纹正谐波弹性收缩，收线上盘时护套皱纹有收缩空间，所以外护套不会出现弓起或起皱现象；而平滑铝护套电缆经弯曲收线上盘时，内侧铝护套没有弹性收缩空间，向电缆盘内侧弯曲收线时铝护套会起皱或弓起，严重影响电缆外观产品质量。铝护套弓起或起皱后，经过收线缠绕，有可能压坏电缆绝缘层，造成电缆出厂试验不合格。另外，电缆在施工敷设弯曲时，电缆的护套弓起或起皱现象可能会更严重，对电缆的安全运行产生危害。

为此，检视了平滑铝护套电缆生产工艺流程：拉丝退火→线芯股块绞合紧压→股块线芯成缆→VCV 三层共挤干式交联→烘房去气→绕包半导电缓冲层→焊接铝套→拉拔平滑铝套→涂覆沥青→外护套、导电层双层共挤→出厂试验(局放耐压检测)→入库。其中涂覆沥青工序是在拉拔后的平滑铝护套外涂覆一层沥青，以达到防腐作用。平滑铝护套电缆的铝套外涂覆沥青的工艺要求是：使用氩弧焊或连续挤包在电缆的缆芯上制成铝护套，铝护套经过拉拔后，包覆紧密平滑铝护套的电缆半成品经牵引通过沥青缸，使沥青涂覆在铝套四周表面，厚度均匀，然后通过挤塑机双层共挤外护套后再进入水槽冷却，沥青冷却后凝结形成防腐层，最后把包覆沥青及外护套的成品平滑铝护套电缆绕上收线盘。经过多次试制，平滑铝护套涂覆沥青时这种护套弓起现象仍无法消除，这表明涂覆沥青工艺并不适用平滑铝护套电缆防腐层的制作。

1.2 平滑铝护套热熔胶涂覆工艺开发

为了设计开发出适合平滑铝护套电缆防腐制作工艺的新型材料，按国家标准GB/T 11017—2014，并结合国外平滑铝护套电缆防腐材料涂覆技术，根据标准规定电缆铝护套表面应有沥青或热熔胶防腐层，由此设计一种新型的热熔胶防腐涂覆工艺，设计研发平滑铝护套电缆涂覆用的热熔胶材料。

2 热熔胶材料设计及试验

2.1 热熔胶的成分分析及强度测试

最初试制平滑铝护套电缆所用的热熔胶，是根据热熔胶生产厂家传统设计的热熔胶，进行了粘度的特殊配方调整，设计了一种固化性热熔胶，其特点是改善热熔胶耐高温特性，提高软化点至少到120 ℃以上，从而扩大其使用范围。这种热熔胶对玻璃、铝合金、镀锌钢、不锈钢、铝套等材料有良好的粘合性。为了进一步研究基体材料组成，取部分热熔胶粒子通过平板硫化机制得热熔胶试样薄片，委托西安交通大学电气绝缘国家重点实验室对其进行傅里叶变换红外光谱分析，实验设备为赛默飞世尔公司生产的红外光谱仪，型号为 Nicolet iZ1，测试模式为衰减全反射。其红外光谱如图1所示。由图1 可知，该热熔胶的主要成分为聚氨酯(图中3)、氨基甲酸酯基(-NHCOO-)(图中2)以及异氰酸酯基（-NCO)(图中1)，都为聚氨酯的特征基团。

图1 试制电缆用热熔胶的红外光谱

2.2 热熔胶粘合剥离强度试验

(1) 试验样品制备及试验设备。CIGRE TB 446 标准指出，对于平滑金属护套和非金属外护套的复合结构，界面应具有足够高的剥离强度。为了检验试制电缆用的热熔胶的剥离强度是否合格，根据 GB/T 2791—1995 分别设计制作两组各5 片试样：主要成分为聚氨酯热熔胶的试样作为第一组；主要成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶的试样作为第二组。试样的尺寸和结构设计，如图2 所示。制成的热熔胶剥离强度试样，设计成将剥离试样未粘接端的铝片和MDPE 外护套料分开，分别夹持于拉伸试验机的夹持器中，试验设备为CMT4503 电子万能试验机。

图2 热熔胶T 型剥离强度试样

(2) 试验方法。给试样试验的拉伸速度设计按标准为100 mm/min。测得主要成分为聚氨酯热熔胶的第一组5 片试样室温下的平均剥离强度为2.27 N/mm；测得主要成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶的第二组5 片试样室温下的平均剥离强度为8.18 N/mm，均高于CIGRE TB 446 推荐的标准值(大于1.5 N/mm)，说明两种配方的热熔胶剥离强度均满足标准要求。

(3) 试验结论。根据设计的复合平滑铝护套电缆技术特点，外护套与铝护套之间粘合强度越大，也就是剥离强度越大，说明热熔胶的粘合力越大。研究表明，对于高电压等级的大截面电缆，热熔胶的粘合力越大越好。

2.3 热熔胶材料的确定

经多次设计研发及多次试验，发现乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶可替代沥青作为防腐材料用于平滑铝护套电缆。因此利用其优良的粘附力，把外护套和铝护套牢牢粘合在一起成为一个整体，紧密联结的复合铝和PE 护套的弯曲半径可符合高压电缆相关国家标准要求，并且电缆表面平整，不产生起皱现象。EVA 热熔胶是由基本树脂(乙烯与醋酸乙烯)再配以增粘剂、粘度调节剂、抗氧剂等在高压下共聚而成的。EVA 热熔胶的熔点一般在150 ～180 ℃，是一种不需溶剂、不含水分、100 %的固体可熔性的聚合物，其在常温下为固体，加热熔融到一定程度就可变为能流动且有一定粘性的液体粘合剂，其熔融后为浅棕色半透明体或本白色，热熔胶涂敷在平滑铝套表面后，利用其粘附力，把铝护套与电缆外护套粘合成一个整体，保证电缆的弯曲半径符合标准要求，并且弯曲时护套不会起皱；对于大截面电缆，热熔胶的粘合力越大越好，确保平滑铝护套电缆产品质量。

2.4 热熔胶的涂覆工艺设计

经过反复试制，最终平滑铝护套电缆热熔胶涂覆工艺流程设计为：绕包半导电缓冲层的缆芯→焊接铝护套→拉拔铝护套→铝护套预热→涂覆热熔胶→外护套、导电层双层共挤→水槽冷却→成品收线。该工艺流程中绕包缓冲层的电缆半成品从放线架中放出，经过铝护套后，进入铝护套拉拔，然后铝护套进入预热装置，使处于热态的铝护套进入热熔胶涂覆装置；然后迅速进入挤塑机进行外护套和导电层双层共挤，利用热熔胶的优良粘附力，把外护套、导电层和铝护套牢牢粘合在一起成为一个整体；后再经过水槽冷却，使包覆在铝护套上的热熔胶层和外护套一起冷却，冷却结实后，电缆从水槽中穿出后由牵引机牵引卷入收线盘。电缆弯曲收线时利用外护套的弹性模量大、弯曲收缩量大等特性，可使电缆外护套不产生弓起或起皱，确保了平滑铝护套电缆的外观和质量。

3 两种电缆结构及机械安全性能对比

3.1 结构参数对比

以设计试制的平滑铝护套电缆YJLP03-Z 64/110 1×800 mm2为例，涂敷热熔胶的平滑铝护套电缆与皱纹铝护套电缆外径相比，减少了约10 %。经过计算，其他电缆规格外径减小也基本接近10 %左右。外径小了2 ～3 档规格，如平滑铝护套110 kV 1 200 mm2的电缆外径相当于皱纹铝护套800 mm2电缆的外径。这对于穿管电缆或者狭小的安装空间，优势十分明显。具体对比见表1。

表1 皱纹铝护套电缆与平滑铝护套电缆外径对比

3.2 弯曲机械性能对比

(1) 电缆弯曲试验对比。依据皱纹铝护套电缆满足20 倍电缆弯曲直径的要求，经过研究试验，平滑铝护套电缆也能满足20 倍电缆弯曲直径要求，满足现场敷设要求；将研究试制的YJLP03-Z 64/110 1×630 复合平滑铝护套电缆，委托国家电线电缆检验中心加做了“20 倍电缆直径的弯曲试验”，试验报告编号为CT20-02239G，试验结果完全符合标准要求(见表2)。

表2 平滑铝护套电缆弯曲试验数据

(2) 其他机械性能对比。

① 平滑铝护套电缆抗冲击试验。委托国家电线电缆检测中心进行试验，报告编号CT20-02239G，试验参照IECTR 61901—2016：从0.27 m高处对1 m 长的平滑铝护套电缆抛27 kg 重物，在外护套上取一个点进行冲击试验，反复4 次，再对冲击点相反的位置进行冲击试验，反复4 次，且冲击物有一个1 mm 曲率半径和90°的楔形接触面。试验后对电缆解剖检验，结果显示冲击点无穿刺损伤，绝缘无变形，冲击位置无侵入绝缘的锐角形变，完全符合标准要求。

② 平滑铝护套耐侧压水平相对皱纹铝护套略有优势，由于平滑铝护套结构紧密，铝护套与电缆绝缘线芯基本已是实心体，抗侧压力增加，具体差异还与电缆外护套材料的软硬特性有一定关系。

③ 耐振动性能受电缆本身结构缓冲特性的差异影响，平滑铝护套电缆相对皱纹铝护套电缆略有不如。

3.3 材料成本对比

(1) 电缆材料计算。以110 kV 1×1 000 mm2电缆规格为例，每百米平滑铝护套电缆相比皱纹铝护套电缆，电缆铝护套、沥青(热熔胶)、外护套、导电层均节约10 %左右，电缆各部件总重量减少2.1 %。

(2) 电缆材料成本计算。铜的价格按照6.5 万元/t 计算，每百米平滑铝护套电缆相比皱纹铝护套电缆，电缆铝护套、沥青(热熔胶)、外护套、导电料的成本均节约10 %左右，电缆各部件总成本减少1 %～2 %，这是由于铜材和绝缘料在电缆成本中占比最高的因素造成的。

所以，在电缆的制造成本上，涂覆热熔胶的平滑铝护套外径小，可减少铝护套、外护套、导电层等材料成本，在经济上具有明显的优势。

4 电气安全性能对比分析

4.1 铝护套与缓冲层电气接触对比

电缆铝护套与缓冲层的电气接触有3 种方式：铝护套与缓冲层的点接触、线接触和面接触，3 种接触点的电流密度相差很大。

(1) 皱纹铝护套结构特点是铝护套与缓冲层属于点式和线式接触，虽然点和线接触也能良好接触，但接触面积有限。目前，出现的有关皱纹铝护套电缆放电的原因比较多，例如缓冲带的电阻率原因、缓冲带的化学成分原因、缓冲层的受潮原因，铝套与缓冲层的间隙原因以及引起放电的外部原因等等，且与敷设环境也有关系。比较一致的看法是电缆缓冲层与铝护套存在电化学腐蚀现象。烧蚀集中在缓冲层与铝护套紧密接触的地方，说明其与局部电流产生的高温有关，而局部的高温是由于接触不均匀造成的。电缆在短至2～3 年，长至5～10 年，均会发生这种电腐蚀现象。

(2) 平滑铝护套结构特点是铝护套与缓冲层属于面接触，是理想的接触方式。为了确保更可靠接触，在缓冲带外再绕包一层半导电金属丝布带，这种接触方式可充分保证铝护套与缓冲层之间整体紧密接触，实现半导电缓冲层与金属屏蔽层真正的良好电气接触，可消除铝护套与缓冲层间的电腐蚀现象，更能确保电缆的安全运行。

(3) 从两种电缆剖面结构对比分析(见图3)可知，平滑铝护套结构更加紧密，内部与缓冲阻水带四周接触均匀。平滑铝护套与内层的半导电缓冲阻水带之间无气隙的紧密接触，规避了因皱纹铝护套结构中铝护套与缓冲层气隙间隔设置不当存在的悬浮电位放电的风险。