張洪宇, 施楠楠

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室, 上海 200093)

0 引 言

高壓電纜用半導電緩沖阻水帶簡稱“阻水帶”,由兩層無紡布帶中間加一層膨脹阻水粉組成的,阻水帶應用于高壓電纜絕緣屏蔽層和鋁波紋管鎧裝層之間,起到電氣連接的作用,降低絕緣表面電荷的富集,降低局部放電的可能;同時阻水帶可填充鋁波紋管,防止水進入鋁波紋管護套,降低高壓電纜水樹等失效性能的發(fā)生[1-5]。因此,阻水帶是在高壓電纜使用時降低電纜失效的有效輔助材料。

近年來,我國高壓電纜不管在里程還是在運營維修方面增加了較大財力和物力,但是電纜線路每百千米故障率達2%,其中電纜故障率為0.08%,經(jīng)分析故障處會有阻水帶的燒蝕現(xiàn)象發(fā)生[3],因此對阻水帶的性能研究勢在必行。阻水帶老化后的電學性能穩(wěn)定性和物理性能穩(wěn)定性極為重要,應選取市面上較為典型的阻水帶進行基本性能及老化性能的研究。目前,阻水帶產(chǎn)品的性能檢測及分析比對鮮有報道。

本工作對不同廠家的阻水帶進行含水率、吸水性、斷裂強度、電阻、老化后的性能等試驗,并對老化后的樣品進行掃描電鏡試驗,通過分析,篩選出穩(wěn)定性較高的阻水帶樣品。

1 樣品及試驗部分

1.1 儀器與樣品

JSL-500N型電子拉力機;CH-10-C型多頭測厚儀;300 mm鋼直尺,RL100型老化試驗箱;梅特勒-托利多XS 104型分析天平,WS270H型高低溫濕熱試驗箱;PHENOM PROX型電鏡。

1.2 儀器工作條件

試驗均在(23±5)℃、(45±5)%環(huán)境下進行。

選用3家同型號規(guī)格的阻水帶產(chǎn)品,編號分別為A、B、C,規(guī)格均為80 mm×2.0 mm(80 mm為寬度,2.0 mm為厚度)。

1.3 試驗方法

1.3.1 基礎性能試驗方法

膨脹高度及膨脹速率試驗采用JB/T 10259—2014[5]《電纜和光纜用阻水帶》附錄C中方法進行試驗,試驗選取150 mL水為基準;拉伸試驗按照GB/T 24218.3—2010[5]《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定》方法進行試驗,試驗環(huán)境需滿足GB/T 2941—2006[6]中溫度和濕度規(guī)定;表面電阻按照JB/T 10259—2014[7]中的要求進行試驗;體積電阻率按照JB/T 10259—2014[7]中的要求進行試驗。

1.3.2 老化性能試驗方法

(1)溫度老化90 ℃/7 d。

將5個試樣置于(90±2)℃自然通風老化箱中,恒溫168 h后取出,冷卻至室溫,老化后對試樣進行拉伸試驗、吸水試驗、表面電阻,以及體積電阻測試。

(2)溫度老化135 ℃/7 d。

將5個試樣置于(135±2)℃自然通風老化箱中,恒溫168 h后取出,冷卻至室溫,老化后對試樣進行拉伸試驗、吸水試驗、表面電阻、體積電阻測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻水帶基礎性能

A、B、C 3個不同廠家生產(chǎn)的同種規(guī)格的阻水帶基礎性能試驗結(jié)果見表1。

表1 樣品A、樣品B、樣品C阻水帶基礎性能試驗結(jié)果

由表1可知:樣品B類型的吸水能力及體積電阻優(yōu)于樣品A和樣品C,其吸水率(18.5%)最高,在電纜中吸收水分的能力最大,同時其體積電阻較小,導出電荷的能力較優(yōu)。樣品B的斷裂強度最高,為107 N·cm-1,這為后續(xù)繞包在高壓電纜絕緣工藝帶來了便捷。

2.2 阻水帶老化性能

2.2.1 老化后的拉伸試驗

阻水帶經(jīng)過90 ℃和135 ℃環(huán)境下,老化168 h后拉伸試驗的試驗結(jié)果見表2。

表2 老化后拉伸試驗結(jié)果

由表2可知,90 ℃老化后,樣品B的斷裂強度變化最小,表明該阻水帶的無紡布結(jié)構(gòu)及其微觀結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定,加熱后發(fā)生少量或未發(fā)生纖維黏連或者熔化的現(xiàn)象。樣品A斷裂強度增加2.9%,這可能是樣品A受熱,其無紡布纖維熔化黏連造成的。樣品C斷裂強度及伸長率變化較大,說明其受熱老化后較不穩(wěn)定。

135 ℃老化后樣品C的伸長率及斷裂強度變化最小,表明樣品C在135 ℃機械性能較優(yōu),更適合高溫環(huán)境下使用,樣品A和樣品B的伸長率變化較大,樣品A增加了15.38%,樣品B減少了7.14%。樣品B在135 ℃老化后的性能變化較大,表明樣品B更適合低溫環(huán)境下使用,隨著老化溫度的增加,樣品A、樣品B、樣品C的強度及伸長率均有持續(xù)增加的趨勢,這表明高溫會造成阻水帶中有機纖維的熔化,冷卻后熔融纖維經(jīng)過重結(jié)晶融合在一起,從而增加其強度和伸長率。

2.2.2 老化后的膨脹速率及膨脹高度

阻水帶在90 ℃、135 ℃溫度下老化后對其進行150 mL的吸水膨脹試驗,吸水膨脹試驗的試驗結(jié)果見表3。

由表3可知,3種樣品經(jīng)受90 ℃,168 h的老化后,其吸水膨脹速率有較明顯的下降,其中樣品A和樣品B下降變化率分別為61.29%和40.91%,樣品C變化最小,為7.46%。當老化溫度為135 ℃時,3種樣品的吸水膨脹率和膨脹高度下降率均超過了50%,其中,樣品B的膨脹速率下降了94.54%,基本上不具備吸水的作用。如高壓電纜長時間異常升溫,很可能造成半導電材料的失效。

表3 吸水膨脹速率及高度試驗結(jié)果

2.2.3 老化后的體積電阻率

阻水帶在90℃及135℃老化后的體積電阻率及體積電阻率相對原始值的變化率見表4。樣品A和樣品C在90 ℃及135 ℃老化后的體積電阻率的變化率均超過了10%,電阻增加得較為明顯。阻水帶老化后減弱了導電能力,電阻的增加較易造成絕緣屏蔽層和金屬套之間形成電位差,阻水帶上就容易產(chǎn)生電流,后續(xù)會增加阻水帶溫度,最終會因熱量的緩慢沖擊造成阻水帶的破壞,同時金屬層會被電蝕[3]。因此,阻水帶老化后的電性能至關重要,如變化較大勢必會造成金屬層的電蝕。

表4 樣品老化后的體積電阻率

樣品A和樣品C老化后的電阻增加較為明顯,雖然樣品B 135 ℃老化后吸水能力降低較為明顯,但是其電性能變化最低,當高壓電絕緣表面有電荷富集時,電荷可以較容易地將電荷運輸出去,不易造成絕緣和金屬層的電壓差,為高壓電纜的正常運行提供保障。

2.2.4 阻水帶老化前后的SEM圖譜

圖1為阻水帶SEM圖譜。由圖1(a)可知,阻水帶纖維老化前后表面變化較為明顯。圖1(a)為阻水帶未老化的微觀圖,阻水帶纖維表面光滑,白色顆粒及不規(guī)則塊狀物為阻水粉。圖1(b)為阻水帶老化后的微觀圖,可以較為明顯地發(fā)現(xiàn)阻水帶纖維表面有開裂或結(jié)塊的現(xiàn)象發(fā)生,如箭頭所指位置。

圖1 阻水帶SEM圖譜

樣品經(jīng)135 ℃,168 h老化后對阻水帶的微觀結(jié)構(gòu)具有一定的影響;阻水帶的導電物質(zhì)為石墨,石墨在高溫空氣環(huán)境下會發(fā)生一定的氧化反應,以及阻水帶纖維高溫環(huán)境熔化及再結(jié)晶,造成了阻水帶體積電阻增加。阻水帶纖維表面開裂或結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生降低了阻水帶的吸水能力,因此,阻水帶老化后期吸水膨脹速率及高度大幅降低。

3 結(jié)束語

阻水帶隨著老化溫度的增加,伸長率及強度也相應增加,這可能是高溫將阻水帶內(nèi)部的纖維熔化黏連造成的;樣品老化后吸水膨脹變化較大,樣品B在135 ℃環(huán)境下老化,基本失去了吸水功能;總體上樣品B在90 ℃環(huán)境下的表現(xiàn)較優(yōu)異;樣品A和樣品C的電阻較高,老化后吸水能力及電性能變化較為明顯;樣品B老化后電性能變化較小,樣品A和樣品C體積電阻變化較為明顯,為高壓電纜的失效帶來了風險。