SPE涂层在电缆通道复合盖板上的应用

胡小刚，何 跃，曾 敏，王 超

(国网重庆市电力公司北碚供电分公司，重庆 400000)

0 引言

随着我国国民经济的高速发展及城市配电网的逐步完善，城市用电需求逐年提升。传统的架空电力线路占用地面大量空间且存在极大安全隐患，为了节约地表资源，在地下沟道铺设电缆成为了替代架空线路的一种输电方案[1]。与利用架空电力线路供电相比，采用电力线缆供电有着较多优点，如供电比较可靠，能量也很高。然而，地下管线比较复杂，且具有较强隐蔽性，目前采用由复合盖板组成的电缆通道，其刚度和抗压能力无法满足在恶劣环境下长时间保持通道完整性的需求，严重威胁电力线缆的运行安全[2]。

在复合盖板表面制备一层装甲防爆涂层可有效提升复合盖板的刚度及抗压性能，然而装甲涂层通常存在固化缓慢、与盖板表面贴合不紧密即附着性差等问题，无法达到盖板预期的抗压、防爆结果。针对上述问题，本文研究固体聚合物电解质(SPE)技术与传统复合盖板有机结合方法，并对具有SPE防爆涂层的复合盖板进行结构及性能测试。

1 电缆通道现存的主要问题

复合盖板作为电缆通道的一种重要组成材料，其完整性关系到电缆通道安全运行和行人车辆安全。目前使用的复合盖板，经常被停放的车辆和重物压坏，如果没有及时发现调换就会给过路的行人造成较大的安全威胁，同时电缆本体也缺少保护，存在安全风险。

对某城市重点区域传统盖板进行考察，并对车辆停放与重物堆积对传统盖板压力和损坏情况进行分析，当前电缆通道盖板中存在的问题主要表现为以下三大风险隐患。

1)腐蚀、锈断风险。在阴雨天气之后，电缆线路通道中通常有较多的积水存在，积水较多使得电缆通道内湿度极大，容易造成电缆沿线支架锈蚀，考察结果显示大部分电缆通道内支架已锈断，大多接地扁铁严重断裂，锈蚀情况严重。

2)坍塌、断裂风险。电缆沟盖板在受到不确定外力或存在质量原因的情况下，会出现断裂且会暴露出断面，进一步使电缆通道出现局部塌陷。如图1所示，城市内的电缆通道有部分建设在城市居民的活动区域，在没有警示的情况下，极易造成城市居民失足跌落，对城市居民的人身安全造成威胁。

图1 人行道电缆盖板现场图

3)火灾、爆炸风险。由于电缆铺设过程中监管不严等原因，电缆并未严格按照设计方案敷设，支架上的电缆通常纵横交错、相互缠绕。如图2所示，位于郊区的电缆通道，由于盖板表面无法得到及时清理，最终形成枯叶、干草等易燃杂物堆积平台，若在天气干燥或有烟头、火柴等火源掉进通道内，极易引起火灾事故。如果电缆通道与天然气管道距离较近，甚至引发爆炸事故[3]。

图2 郊区电缆盖板现场图

2 复合盖板SPE装甲防爆涂层

固体聚合物电解质(SPE)是近年来发展迅速的一种新型固体电解质材料，所谓SPE就是水合阳离子交换膜，它是一种固体聚合物电解质，主要分四大部分：双极板(BP)、气液扩散层(GLDL)、膜电极组件(MEA)及密封垫圈[4]。

目前SPE一般采用美国杜邦公司的Nafion膜，Nafion 的全称是全氟磺酸离子交换膜(perfluoro sulfonate ion-exchanged membrane，PFSIEM)，主体材料为聚四氟烯为骨架，侧链为带有磺酸根结构的全氟高分子聚合物[5]。图3为Nafion膜的分子结构。Nafion 微观骨架中的碳-氟键(-CF)具有很强的结合能，在酸性和碱性环境中的稳定时间均很长 ，因此Nafion 膜的化学稳定性十分优异，且Nafion 膜可在高温下长时间保持稳定性，这说明 Nafion 膜在热稳定性方面也有优秀表现[6]。

图3 Nafion膜的分子结构

SPE技术的特点是在Nafion膜的一侧使用镀膜方法将催化剂或具有催化作用的金属离子引进，而后与固体聚合物电解质通过热压处理制得具有高选择性及较高机械强度的SPE电极。

将引进金属离子的Nafion膜与固体聚合物电解质通过热压处理制得成本低廉，并且可以在低温或高温环境下使用(21 MPa，150℃)，无副反应，安全性和可靠性较高的涂料。进一步将其喷涂在复合盖板即可制成装甲复合盖板。

10月20日上午，中国供销集团总经理陈振平一行到南通中农督导调研，重点对南通中农现代物流园项目及南通通海港集装箱码头进行了实地考察。

3 SPE技术应用于复合盖板对抗压能力的提升

将SPE技术应用到复合盖板上所制成的装甲复合盖板相较于传统复合盖板有以下几点提升。

1)装甲涂层固化速度较快，且可直接在盖板表面喷涂，10 s左右可凝胶，只需要在施工完成后放置720 min，再投入使用，可大幅降低施工对城市运转的影响。

2)装甲涂层表面极致密，各接口之间不存在接缝，耐介质性能突出，可耐受各种可能破坏涂层表面的介质，如酸、碱的腐蚀。

3)装甲涂层具有优秀的机械性能，抗冲击性、拉伸强度、伸长率均在较高水平，耐磨性较好也是涂层的优点。电缆盖板要经常经受撞击和摩擦，优秀的机械强度可保证涂层的长时间有效应，无需反复喷涂。

4)具有良好的热稳定性，可在120℃下可以长期使用，经受冷热交替不变形、不开裂。

5)装甲涂层具有较强附着力，长期使用时不会出现气泡、空鼓等降低涂层保护力的情况。电缆盖板使用年限一般较长，因此对涂层的防腐性能有较高的要求。

6)性价比高，变电站、配电站等电力中枢的输电电缆通道，共井电缆数量多、电缆通道长，日常维护难度较大。装甲复合盖板施工后基本不需要维护，降低了维护费用。

表1 涂层性能参数

4 装甲负荷盖板性能

为检测装甲复合盖板在无法得到有效支撑且在较大随机载荷影响下的综合抗压、抗拉伸等综合能力，本文设计了一种可反映盖板综合能力且满足电力行业测试要求的测试方法。通过对一块盖板进行逐步加载，测试其自开裂到结构破坏的相关表现，根据试验结果分析盖板承载能力的极限值及在受到随机外力情况下表现出的相关特性[7-8]。

4.1 试验设备及仪器

最大压力及加载速度可控的千斤顶1台；DJCK-2裂缝测宽仪；高精度压力传感器配套显示仪1套；矩形垫块1片。

4.2 实验步骤

4.2.1 裂缝荷载检验

裂缝荷载试验是测试水泥盖板试件的基础性试验，其中裂缝荷载是当盖板表面出现宽度为1cm的2%裂缝时的所加荷载值，通过将载荷(分为一级加荷量和二级加荷量)分批次对盖板试件进行加载，其中一级加荷量为总载荷的20%，二级加荷量为总载荷的5%。根据现场实际配重情况，首先用初始加荷量对盖板试件进行加载，在逐级加荷至裂缝出现后，用载荷值继续对盖板试件进行加载，采用DJCK-2裂缝测宽观测仪检测裂缝宽度，当裂缝宽度达到0.02 cm时停止加载，此时荷载即为裂缝荷载。

4.2.2 破坏荷载检验

为了进一步测试盖板的破坏荷载，对盖板试件进行破坏载荷试验，即不断加载使盖板试件结构破坏时测量此时荷载数值。本次破坏荷载检验对盖板加载到开裂、持续加载至结构破坏，试验盖板的抗弯载能力是否满足要求。具体为在完成裂缝载荷试验后，采用两倍二级载荷对盖板试件继续加荷，直至出现符合规定的结构性破坏后，获取盖板试件的破坏荷载值[9]。

表2 有SPE盖板与传统复合盖板不同荷载对比

有SPE盖板与传统复合盖板不同荷载对比(见表2)可以看出，有SPE涂层的装甲负荷盖板相较于没有SPE涂层的普通负荷盖板在裂缝载荷与破坏载荷方面均有较大程度的提升，其中裂缝载荷提升了141.37%，大幅提升了复合盖板在面临随机负荷时的抗压能力，可满足电缆通道在偶然载荷作用下的支撑需求。并且破坏载荷也有大幅提升，保证负荷盖板在遭受极重负荷时也能长时间保持完整性，为市政检修提供了充足的时间裕度。由此可见，有SPE涂层的装甲负荷无论是从瞬时抗压能力还是长时维持能力都足以满足城市电缆通道的要求。

5 结语

由复合盖板作为重要组成部分的电缆通道存在安全风险、火灾风险等多种风险。利用SPE可制得SPE涂料，再通过工业喷涂的方式，将装甲防暴涂层和现有复合盖板结合，可以有效提升复合盖板的刚度和抗压能力，降低盖板损坏率，保障地下电力线缆安全稳定地运行。