MV电力电缆绝缘材料

陈笑121

MV电力电缆绝缘材料
       MV电力电缆能够采用的绝缘材料有很多，甚至包括技术成熟的浸渍纸绝缘材料，这种材料已经成功使用了100多年。现在，挤包聚合物绝缘已经被广泛认可。挤包聚合物绝缘材料包括PE（LDPE和HDPE），XLPE、WTR-XLPE以及EPR等。这些材料的热塑性的，也有热固性的。热塑性材料一旦受热会产生变形，而热固性材料在运行温度下可保持其形状。
      1、纸绝缘
       MV纸绝缘电力电缆已经有超过100年的可靠运行经验。直到今天，纸绝缘电缆损坏的大多数原因仍然是由于使用在该电缆外部的铅护套开裂或被腐蚀，使水分渗入电缆内部而导致的。然而需要重点指出的是，在纸绝缘电缆运行初期，它们只承载了较小的负荷且被相对良好的维护。但是电力用户不断地使电缆承载越来越高负荷，原来的使用条件不再适合现在电缆的需要，那么原来好的经验也就不能代表电缆未来的运行状况也一定良好。近年来，纸绝缘电缆已经很少被使用。
        2、聚氯乙烯
        PVC首次被用于电缆的绝缘材料是在20世纪早期，直到PE和XLPE发展起来，PVC一起都普遍应用在电缆的绝缘中，尤其是低电压等级的电缆。然而与PE材料相比，PVC在击穿场强、老化特性、温度等级以及耐潮湿性能等方面的劣势迅速地显现出来。另外，在运行中PVC绝缘电缆表现了较高的事故率。因此，目前1kV以上电压等级的电力电缆已经不再使用PVC绝缘。
       PVC现在仍然作为低压1kV电缆的绝缘材料，同时也是一种护套材料。然而，PVC在电缆绝缘中的应用正迅速地被XLPE代替，在护套中的应用正迅速地被线性低密度聚乙烯（LLDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）或者高密度聚乙烯（HDPE）所代替，非PVC电缆有较低的全寿命期费用。
       3、聚乙烯（PE）
       低密度聚乙烯（LDPE）从20世纪30年代发展起来，现在用于交联聚乙烯（XLPE）和抗水树交联聚乙烯（WTR-XLPE）材料的基体树脂。PE是一种长链的，热塑性碳氢化合物分子结构，在压力作用下由乙烯气体聚合而成。与绝缘相比，由于聚乙烯材料具有低成本、良好的电性能及加工性能、耐潮湿、耐化学腐蚀和良好的低温特性，目前已经被广泛使用。但是，聚乙烯材料不具有良好的耐电?性能，导致PE很容易被局部放电腐蚀以及被电晕烧蚀，而且在潮湿环境和电场共同作用下，易产生水树。在早期的电缆设计中，局部放电和水树生长导致电缆的绝缘劣化，并最终致使电缆的失效。
       在热塑性状态，聚乙烯的最高工作温度是75℃，低于纸绝缘电缆的运行温度（80~90℃）。随着交联聚乙烯（XLPE）的出现，解决了这个问题，交联聚乙烯可以达到或超过纸绝缘电缆的使用温度。
       4、交联聚乙烯（XLPE）
       XLPE是通过把低密度聚乙烯（LDPE）和交联剂（如过氧化物）混合而制成的一种热固性材料。1963年3月，通用电气研究实验室发明了XLPE。长链的PE分子在硫化过程中发生“交联”，形成了XLPE。XLPE不仅具备了同热热塑性PE同样良好的电性能，还具备了更好的机械性能，尤其是在高温度下。XLPE绝缘电缆的最高导体工作温度为90℃，过载测试高达140℃，短路温度可达250℃。XLPE具有极好的电介质特性，可用于600V到500kV的电压范围内。
       5、抗水树交联聚乙烯（WTR-XLPE）
       水树现象会减少XLPE电缆的使用寿命。在几个月或者几年的时间里，水树的生长相对缓慢。当水树生长时，水树尖端电场强度增加，这时会在水树顶部激发出电树枝。电树一旦生成，就会迅速地生长，导致绝缘材料性能减弱，以致不再能够承担运行电压，从而致使电缆在生长水树/电树的位置击穿。可以采用许多办法来减少水树生长，但是最普遍接受的一种方法是使用为了抑制水树生长而设计的特殊工程绝缘材料，这种绝缘材料称作抗水树交联聚乙烯WTR-XLPE。这种材料配合洁净的半导电屏蔽的使用，加之成熟的制造工艺，消除了许多电力用户对使用聚合物绝缘电缆的顾虑。
       有两种绝缘技术被广泛采用，来抑制水树生长，每一种都是对普通XLPE进行的改进。
     （1）改变聚合物分子结构，即聚合物型WTR-XLPE，有时也称为共聚物改性XLPE；
     （2）添加剂改性，即添加剂型WTR-XLPE，有时也写为TR-XLPE；
       这两种情况的XLPE都保持了普通XLPE具有的优良的电气性能（高介电强度和非常低的介质损耗）。WTR-XLPE绝缘料在上世纪八十年代已经出现，至今已可靠运行了20多年。
       6、乙丙橡胶（EPR）
       EPR是一种由乙烯、丙烯（有时会有第三种单体）共聚而成的热固性材料，三种单体的共聚物称为三元乙丙橡胶（EPDM）。在柔软的共聚物中，添加一系列经过设计的填料，会使材料具备良好的热性能，挤出性能及电性能。这类绝缘以EPR为代表。在较宽的温度范围内，EPR始终保持柔软，并且具有良好的耐电晕性能。然而，EPR材料的介质损耗明显高于XLPE和WTR-XLPE。
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