高压电缆用半导电缓冲阻水带性能研究

张洪宇, 施楠楠

(上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室, 上海 200093)

0 引 言

高压电缆用半导电缓冲阻水带简称“阻水带”,由两层无纺布带中间加一层膨胀阻水粉组成的,阻水带应用于高压电缆绝缘屏蔽层和铝波纹管铠装层之间,起到电气连接的作用,降低绝缘表面电荷的富集,降低局部放电的可能;同时阻水带可填充铝波纹管,防止水进入铝波纹管护套,降低高压电缆水树等失效性能的发生[1-5]。因此,阻水带是在高压电缆使用时降低电缆失效的有效辅助材料。

近年来,我国高压电缆不管在里程还是在运营维修方面增加了较大财力和物力,但是电缆线路每百千米故障率达2%,其中电缆故障率为0.08%,经分析故障处会有阻水带的烧蚀现象发生[3],因此对阻水带的性能研究势在必行。阻水带老化后的电学性能稳定性和物理性能稳定性极为重要,应选取市面上较为典型的阻水带进行基本性能及老化性能的研究。目前,阻水带产品的性能检测及分析比对鲜有报道。

本工作对不同厂家的阻水带进行含水率、吸水性、断裂强度、电阻、老化后的性能等试验,并对老化后的样品进行扫描电镜试验,通过分析,筛选出稳定性较高的阻水带样品。

1 样品及试验部分

1.1 仪器与样品

JSL-500N型电子拉力机;CH-10-C型多头测厚仪;300 mm钢直尺,RL100型老化试验箱;梅特勒-托利多XS 104型分析天平,WS270H型高低温湿热试验箱;PHENOM PROX型电镜。

1.2 仪器工作条件

试验均在(23±5)℃、(45±5)%环境下进行。

选用3家同型号规格的阻水带产品,编号分别为A、B、C,规格均为80 mm×2.0 mm(80 mm为宽度,2.0 mm为厚度)。

1.3 试验方法

1.3.1 基础性能试验方法

膨胀高度及膨胀速率试验采用JB/T 10259—2014[5]《电缆和光缆用阻水带》附录C中方法进行试验,试验选取150 mL水为基准;拉伸试验按照GB/T 24218.3—2010[5]《纺织品 非织造布试验方法 第3部分:断裂强力和断裂伸长率的测定》方法进行试验,试验环境需满足GB/T 2941—2006[6]中温度和湿度规定;表面电阻按照JB/T 10259—2014[7]中的要求进行试验;体积电阻率按照JB/T 10259—2014[7]中的要求进行试验。

1.3.2 老化性能试验方法

(1)温度老化90 ℃/7 d。

将5个试样置于(90±2)℃自然通风老化箱中,恒温168 h后取出,冷却至室温,老化后对试样进行拉伸试验、吸水试验、表面电阻,以及体积电阻测试。

(2)温度老化135 ℃/7 d。

将5个试样置于(135±2)℃自然通风老化箱中,恒温168 h后取出,冷却至室温,老化后对试样进行拉伸试验、吸水试验、表面电阻、体积电阻测试。

2 结果与讨论

2.1 阻水带基础性能

A、B、C 3个不同厂家生产的同种规格的阻水带基础性能试验结果见表1。

表1 样品A、样品B、样品C阻水带基础性能试验结果

由表1可知:样品B类型的吸水能力及体积电阻优于样品A和样品C,其吸水率(18.5%)最高,在电缆中吸收水分的能力最大,同时其体积电阻较小,导出电荷的能力较优。样品B的断裂强度最高,为107 N·cm-1,这为后续绕包在高压电缆绝缘工艺带来了便捷。

2.2 阻水带老化性能

2.2.1 老化后的拉伸试验

阻水带经过90 ℃和135 ℃环境下,老化168 h后拉伸试验的试验结果见表2。

表2 老化后拉伸试验结果

由表2可知,90 ℃老化后,样品B的断裂强度变化最小,表明该阻水带的无纺布结构及其微观结构相对较为稳定,加热后发生少量或未发生纤维黏连或者熔化的现象。样品A断裂强度增加2.9%,这可能是样品A受热,其无纺布纤维熔化黏连造成的。样品C断裂强度及伸长率变化较大,说明其受热老化后较不稳定。

135 ℃老化后样品C的伸长率及断裂强度变化最小,表明样品C在135 ℃机械性能较优,更适合高温环境下使用,样品A和样品B的伸长率变化较大,样品A增加了15.38%,样品B减少了7.14%。样品B在135 ℃老化后的性能变化较大,表明样品B更适合低温环境下使用,随着老化温度的增加,样品A、样品B、样品C的强度及伸长率均有持续增加的趋势,这表明高温会造成阻水带中有机纤维的熔化,冷却后熔融纤维经过重结晶融合在一起,从而增加其强度和伸长率。

2.2.2 老化后的膨胀速率及膨胀高度

阻水带在90 ℃、135 ℃温度下老化后对其进行150 mL的吸水膨胀试验,吸水膨胀试验的试验结果见表3。

由表3可知,3种样品经受90 ℃,168 h的老化后,其吸水膨胀速率有较明显的下降,其中样品A和样品B下降变化率分别为61.29%和40.91%,样品C变化最小,为7.46%。当老化温度为135 ℃时,3种样品的吸水膨胀率和膨胀高度下降率均超过了50%,其中,样品B的膨胀速率下降了94.54%,基本上不具备吸水的作用。如高压电缆长时间异常升温,很可能造成半导电材料的失效。

表3 吸水膨胀速率及高度试验结果

2.2.3 老化后的体积电阻率

阻水带在90℃及135℃老化后的体积电阻率及体积电阻率相对原始值的变化率见表4。样品A和样品C在90 ℃及135 ℃老化后的体积电阻率的变化率均超过了10%,电阻增加得较为明显。阻水带老化后减弱了导电能力,电阻的增加较易造成绝缘屏蔽层和金属套之间形成电位差,阻水带上就容易产生电流,后续会增加阻水带温度,最终会因热量的缓慢冲击造成阻水带的破坏,同时金属层会被电蚀[3]。因此,阻水带老化后的电性能至关重要,如变化较大势必会造成金属层的电蚀。

表4 样品老化后的体积电阻率

样品A和样品C老化后的电阻增加较为明显,虽然样品B 135 ℃老化后吸水能力降低较为明显,但是其电性能变化最低,当高压电绝缘表面有电荷富集时,电荷可以较容易地将电荷运输出去,不易造成绝缘和金属层的电压差,为高压电缆的正常运行提供保障。

2.2.4 阻水带老化前后的SEM图谱

图1为阻水带SEM图谱。由图1(a)可知,阻水带纤维老化前后表面变化较为明显。图1(a)为阻水带未老化的微观图,阻水带纤维表面光滑,白色颗粒及不规则块状物为阻水粉。图1(b)为阻水带老化后的微观图,可以较为明显地发现阻水带纤维表面有开裂或结块的现象发生,如箭头所指位置。

图1 阻水带SEM图谱

样品经135 ℃,168 h老化后对阻水带的微观结构具有一定的影响;阻水带的导电物质为石墨,石墨在高温空气环境下会发生一定的氧化反应,以及阻水带纤维高温环境熔化及再结晶,造成了阻水带体积电阻增加。阻水带纤维表面开裂或结块现象的发生降低了阻水带的吸水能力,因此,阻水带老化后期吸水膨胀速率及高度大幅降低。

3 结束语

阻水带随着老化温度的增加,伸长率及强度也相应增加,这可能是高温将阻水带内部的纤维熔化黏连造成的;样品老化后吸水膨胀变化较大,样品B在135 ℃环境下老化,基本失去了吸水功能;总体上样品B在90 ℃环境下的表现较优异;样品A和样品C的电阻较高,老化后吸水能力及电性能变化较为明显;样品B老化后电性能变化较小,样品A和样品C体积电阻变化较为明显,为高压电缆的失效带来了风险。