摘要 電纜絕緣層的破損直接影響到用電的安全性，經(jīng)濟環(huán)保的修復材料和修復方法的研究具有重要意義。 本文首先詳細研究了不同劑量下電子束（EB）輻照聚乙烯帶對材料熱和力學性能的影響規(guī)律。 在此基礎上，利用低劑量輻照聚乙烯（PE）材料特有的熱熔融和熱收縮特性，提出了一種修復局部破損交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜絕緣層的方法，并給出了具體的修復方案。 研究結果表明，低劑量輻照聚乙烯熱熔帶能夠有效修復破損的電纜絕緣層，修復層與原絕緣層緊密熔接。 在40 kGy劑量下輻照后，熱熔帶的凝膠含量（質(zhì)量分數(shù)）為33. 6%，拉伸強度達到16. 9 MPa，斷裂伸長率為638. 5%。 電阻達到2. 94×1012 Ω，體積電阻為5. 89×1014 Ω·m，相對介電常數(shù)為2. 35，滿足電纜應用要求。 修復后的電纜10 kV 交流耐壓通過39 kV/5 min，局部放電15 kV≤5 PC測試。 可見，低劑量輻照聚乙烯熱熔帶在電纜修復領域具有重要的應用前景。

關鍵詞 輻照交聯(lián)；聚乙烯；電纜；修復

中圖分類號：O631 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0518（2024）11-1648-08

電線電纜是輸送電能、傳遞信息和制造各種電機、電器、儀表所不可缺少的基礎器材，是當前電氣化、信息化社會中必要的基礎產(chǎn)品。 國民經(jīng)濟絕大多數(shù)行業(yè)均與電線電纜相關，電線電纜被喻為國民經(jīng)濟的“神經(jīng)”和“血管”，是國民經(jīng)濟健康發(fā)展的重要配套產(chǎn)業(yè)［1-2］。 隨著新能源、智能化和高端裝備制造需求的增長，電線電纜行業(yè)需要不斷推動技術升級，提高產(chǎn)品品質(zhì)和性能。 在電線電纜長時間的使用過程中，難免會造成絕緣材料的局部老化和物理損傷，導致停電漏電等故障，引起經(jīng)濟損失和安全事故［3］。 在電纜主體使用壽命沒到時，如果全部更換舊電纜則費工費時，在經(jīng)濟上造成巨大浪費。 目前，已經(jīng)報道［4-7］的電纜絕緣材料修復技術包括： 修復液注入修復、熱熔修復和熱縮管修復等，但是均存在自身優(yōu)點和局限性。

電線電纜用絕緣材料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等高分子樹脂，通過復合和改性，它們的物理和化學性能能夠滿足電纜行業(yè)要求［8］。 而PE以其優(yōu)異的可加工性和卓越的電絕緣性能，并且可以通過過氧化物交聯(lián)、硅氧烷交聯(lián)和輻射交聯(lián)等多種交聯(lián)方式實現(xiàn)交聯(lián)改性，使其在電線電纜領域成為可替代PVC的理想絕緣材料［9-10］， 因此，針對交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜老化和破損修復材料和修復方法的研究十分必要。 Nannery等［11］采用硅氧烷修復液修復方法對XLPE電纜材料進行修復，結果表明電纜的使用壽命獲得了有效延長。 羅陽帆等［12］采用通過修復系統(tǒng)向電纜芯層注入有機-無機復合修復液的方法對XLPE電纜進行修復，修復后的電纜各項性能指標增強，擊穿電壓得到了提高。 然而，這些修復方法存在施工工藝復雜，修復液難以制備等問題，使廣泛應用受到很大的限制。本文在研究不同劑量下電子束（EB）輻射交聯(lián)聚乙烯熱熔帶的熱、機械和絕緣性能的基礎上，嘗試利用低交聯(lián)度聚乙烯熱熔帶修復XLPE 電纜絕緣層，并報道了修復過程和修復效果。

1 實驗部分

1. 1 儀器和試劑

AG-l 20 KN型電子萬能材料試驗機（日本SHIMADZU公司），拉伸速率為2 mm/min。 Mettler ToledoDSC821e型差示掃描量熱儀（DSC，美國Mettler Toledo公司），升溫速率10 ℃/min。 Pekin-Elmer Pyris1型熱失重分析儀（TGA，美國Perkinelmer有限公司），測試氣氛為空氣，升溫速率為10 ℃/min。 M606B型數(shù)顯氧指數(shù)測定儀（北京亞歐德鵬科技有限公司）；MPXRZ-400A型熔體流動速率儀（吉林大學科教儀器廠）。ZC-90F型高絕緣電阻測量儀（上海漢儀電氣科技有限公司）；Automatic LCR Meter 4225型介電常數(shù)測試儀（天津安福泰電子技術有限公司）。 AB3. 0-30型高頻高壓電子加速器（無錫愛邦輻射技術有限公司）。

破損電纜（中科英華長春高技術有限公司提供，10 kV核級電纜，絕緣層為XLPE）、聚乙烯熱熔帶（中科英華長春高技術有限公司自制）、冷縮管（中科英華長春高技術有限公司自制）、鋁箔（東莞市鑫章實業(yè)有限公司）、聚酰亞胺膜（任丘市雙雄電纜輔料有限公司）、加熱帶（長春華升電氣技術有限公司）、玻璃纖維耐高溫帶（長春華升電氣技術有限公司）和二甲苯（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）干燥后直接使用。

1. 2 輻照聚乙烯帶的輻照交聯(lián)

將低密度聚乙烯（LDPE）帶（每個樣品的寬度、厚度和長度分別為25 mm、0. 12 mm和1 m）利用電子加速器在空氣氛圍下進行輻照交聯(lián)，獲得交聯(lián)程度不同的聚乙烯基熱收縮帶（簡稱PE帶）1-7號樣品，輻照劑量分別為0、20、40、60、80、100和120 kGy（表1）。

1. 3 破損電纜絕緣層修復過程

經(jīng)過以下工藝步驟對核電站電纜絕緣層的破損和老化部位進行修復： 1）破損絕緣層的切割和打磨，使主線絕緣層兩端形成坡型過渡； 2）纏繞輻照聚乙烯基熱收縮帶，纏至高于原絕緣層3～5 mm； 3）套入冷縮管； 4）相繼纏繞鋁箔、聚酰亞胺膜、加熱帶及纏繞玻璃纖維耐高溫帶； 5）加熱至190 ℃，恒溫2 h，實現(xiàn)修復層與原絕緣層的熔接； 6）關閉熱源，冷卻至常溫后逐層拆除包覆物； 7）打磨修復層直至與原絕緣層厚度吻合。

1. 4 測試方法

交聯(lián)聚乙烯的凝膠含量（質(zhì)量分數(shù)）使用二甲苯抽提的方法進行測定［13］； 樣品的力學性能參照GB/T1040. 3-2006的實驗條件進行測試； 熱穩(wěn)定性測試參照GB/T17391-1998進行，升溫速率為10 ℃/min；極限氧指數(shù)參照GB/T2406. 2-2009進行測試； 熔融、結晶溫度以及熱焓性能參照GB/T19466. 1-2004進行測試，升溫和降溫速率均為10 ℃/min。

2 結果與討論

2. 1 聚乙烯帶的輻照交聯(lián)

低劑量輻照聚乙烯基電纜修補帶為單層結構，兼具熱熔融和熱收縮雙重特征。 利用低交聯(lián)度聚乙烯類高分子的熔體可流動性與高粘度提升與原電纜芯層和絕緣層的相互作用。 利用熱收縮特性提升修補帶與原電纜芯層和絕緣層的包裹能力。 聚乙烯基電纜修補帶與原絕緣層具有相似的基體組成，主要成分均為交聯(lián)聚乙烯。

PE作為產(chǎn)量最大的合成樹脂之一，不但具有優(yōu)異的性能和可加工性，更可以在不加入任何交聯(lián)劑的情況下，采用電子加速器（高能電子束）和鈷源（伽馬射線）進行輻照交聯(lián)，使線性的聚乙烯分子鏈進化為體型交聯(lián)結構。 本文測定了PE帶在不同輻照劑量下的凝膠質(zhì)量分數(shù)，來表征它們的交聯(lián)程度。 如圖1所示，在0～60 kGy劑量下，凝膠質(zhì)量分數(shù)隨輻照劑量成明顯遞增趨勢，在60 kGy時達到45. 6%； 在80～120 kGy的劑量下，凝膠含量的增加變得平緩，在120 kGy時達到最高的63. 2%，可見PE分子的交聯(lián)已經(jīng)趨于完成。 在此基礎上，給出了較低輻照劑量（0～60 kGy）和高輻照劑量（60～120 kGy）下的PE分子鏈交聯(lián)示意圖（圖2）。 PE分子鏈在高能電子束輻照下，一些—C—H鍵在H?離去之后形成—C?自由基，—C?自由基與—C?自由基之間生成共價鍵，進而形成交聯(lián)網(wǎng)絡。顯而易見，在低交聯(lián)度的情況下，樣品會呈現(xiàn)出一定的熱熔特征。 而在高交聯(lián)度時，樣品將失去可熔的特性，形成穩(wěn)定的高度交聯(lián)材料。

2. 2 聚乙烯熱熔帶的熱力學性能

通過DSC對不同劑量下輻照PE熱熔帶樣品的熔融和結晶情況進行了研究，結果如圖3所示。 與PE樹脂相似，熱熔帶在升溫和降溫過程中，出現(xiàn)了明顯的熔融峰和結晶峰。 在升溫過程中，熔融峰出現(xiàn)在116. 4～118. 2 ℃，熔融焓值（經(jīng)峰面積計算獲得）在103. 3～127. 5 J/g。 不同的輻照劑量下樣品的峰值和焓值略有差異，60 kGy的樣品4熔融峰的溫度值達到118. 2 ℃，熔融焓值為103. 3 J/g。 不同輻照強度下PE熱熔帶的結晶度不同，以100%結晶的理論焓值290 J/g為基準，經(jīng)計算它們在35. 6%～44. 0%之間，具體數(shù)值列于表2。 相對應地，熱熔帶樣品在降溫過程中，出現(xiàn)了明顯的結晶峰，主峰出現(xiàn)在109. 6～110. 4 ℃，結晶焓值在104. 3～126. 5 J/g。 由此可見，輻照處理過程在一定程度上能夠影響的PE熱熔帶的結晶行為，進而表現(xiàn)出不同的熔融焓和結晶焓（表2），PE帶熔融和結晶過程的焓值如圖4所示。

通過TGA研究了不同輻照劑量處理后熱熔帶在空氣中的熱失重曲線（圖5A），熱熔帶展現(xiàn)了與常用PE純樹脂相似的失重曲線，即在300 ℃之前沒有出現(xiàn)明顯的熱失重行為，滿足電線電纜絕緣材料的熱穩(wěn)定性要求。 PE熱熔帶樣品從400 ℃起開始出現(xiàn)失重，10%熱失重溫度（TD）為435～443 ℃，在450 ℃失重達到最快（圖5B），這主要與PE聚合物主鏈的降解相關。 另外，輻照交聯(lián)對PE熱熔帶的熱穩(wěn)定性略有影響，但影響并不十分明顯（表2）。

作為電纜修復材料，需要具有一定的力學強度和柔韌性。 不同劑量輻照后的PE熱熔帶的拉伸性能測試如表1所示。 熱熔帶的最大拉伸強度為16. 0～16. 9 MPa，楊氏模量為0. 512～0. 671 GPa，斷裂伸長率為534. 4%～638. 5%，表現(xiàn)出了LDPE材料良好的力學性能。 為了更好地分析輻照對材料力學性能影響規(guī)律，將輻照劑量與熱熔帶的拉升強度和斷裂伸長率的關系在圖6中給出。 可以看到大致的趨勢為： 隨著輻照劑量的增加，拉伸強度略有升高，而斷裂伸長率稍有下降。 這個趨勢基本符合交聯(lián)對高分子材料力學影響規(guī)律，即隨著輻照劑量的增加，熱熔帶的PE分子鏈間形成穩(wěn)定的共價鍵，可以一定程度上提升材料的強度。

2. 3 修復過程和修復效果

為了評價低劑量輻照聚乙烯基熱收縮帶對絕緣層破損電纜的修復能力，選擇了樣品3對10 kV低壓核級電纜進行修復。 樣品3的電阻達到2. 94×1012 Ω，體積電阻為5. 89×1014 Ω·m，相對介電常數(shù)（50 Hz、20 ℃）為2. 35，接近XLPE電纜絕緣層的絕緣性能［14］。 采用簡單便捷的纏繞和加熱熔融的方式，即可以完成核電站電纜絕緣層修復工作，修復的具體步驟如圖7所示。 通過破損絕緣層的切割和打磨，去除破損絕緣層。 使主線絕緣層兩端形成坡型過渡，增加修復層與絕緣層的接觸面積，形成更加牢固的相互作用力。纏繞聚乙烯基熱收縮帶至高于原絕緣層3～5 mm，確保熔融收緊后的修復層填滿破損切除部位。 套入尺寸合適的冷縮管，促使加熱熔融后，冷卻過程中對熔體的定型和收縮。 通過相繼纏繞鋁箔、聚酰亞胺膜、加熱帶和纏繞玻璃纖維耐高溫帶，加熱至190 ℃，恒溫2 h，實現(xiàn)修復層與原絕緣層的充分熔接。 如果需要，可以進一步打磨修復層直至與原絕緣層厚度吻合，使電纜絕緣層光滑美觀。 電纜修復效果如圖8所示，電纜絕緣層修復后表面光滑，修復層與原絕緣層（圖8A）和電纜芯層（圖8B）實現(xiàn)緊密熔接。 修復后，電纜通過10 kV交流耐壓39 kV/5 min，局部放電15 kV≤5 PC測試，滿足實際應用要求。

3 結 論

報道了一種低劑量電子束輻照交聯(lián)聚乙烯基熱收縮帶對電纜絕緣層的修復方法，所使用的輻照聚乙烯基熱收縮帶為低密度聚乙烯帶經(jīng)過低劑量電子束輻照改性，獲得的聚乙烯基帶具有熱熔融和熱收縮雙重特征。 通過簡單便捷的纏繞和加熱熔融的方式，即可以完成XLPE電纜絕緣層修復工作。 修復后的電纜絕緣性能與原電纜相近。 修復后電纜通過10 kV交流耐壓39 kV/5 min，局部放電15 kV≤5 PC測試，滿足實際應用要求。

參考文獻

［1］ HAMMONS T J. Power cables in the twenty-first century［J］. Electr Pow Compo Sys， 2003， 31（10）： 967-994.

［2］ 張萬里， 鄭剛， 孫斌， 等. 乙烯-三氟氯乙烯共聚物的制備及其在電線電纜上的應用進展［J］. 材料導報， 2019， 33：609-612.

ZHANG W L， ZHANG G， SUN B， et al. The preparation and application in wire and cable of ethylene-chlorotrifluoroethylenecopolymer［J］. Mater Rep， 2019， 33： 609-612.

［3］ ZHANG Y Y， JIANG F Y， YU X Y， et al. Assessment of thermal aging degree of 10 kV cross-linked polyethylene cable based on depolarization current［J］. IEEE Access， 2021， 9： 111020.

［4］ ZHU G Y， ZHOU K， GONG W ， et al. Inhibition of rejuvenation liquid on trees in XLPE cables under switching impulsevoltages［J］. Energies， 2019， 12（11）： 2133.

［5］ 尹游， 周凱， 陳澤龍， 等. 長鏈硅烷修復液對水樹老化電纜修復效果長期性的影響研究［J］. 絕緣材料， 2020， 53（1）：52-57.

YIN Y， ZHOU K， CHEN Z L， et al. Influence of long-chain siloxane rejuvenate liquid on long-term rejuvenation effect ofwater tree aged cable［J］. Insulat Mater， 2020， 53（1）： 52-57.

［6］ CLARKE G J， KATZ L H. Advances in multiconductor jointing systems for medium voltage solid dielectric cables usingheat-shrinkable components［J］. IEEE Trans Ind Appl， 1982， IA-18（6）： 641-646.

［7］ 宋德建， 于鵬， 彭進松， 等. 阻燃EVA熱熔膠的制備及其在線纜修復中的應用研究［J］. 中國塑料， 2022， 36（9）：53-56.

SONG D J， YU P， PENG J S， et al. Preparation of flame retardant EVA hot melt adhesive and its application in repairingcables［J］. China Plastics， 2022， 36（9）： 53-56.

［8］ LI Z， DONG Y， WU Y， et al. Breakdown performance evaluation and lifetime prediction of XLPE insulation in HVACcables［J］. Energies， 2024， 17（6）： 1337.

［9］ ZHANG Y， WU Z， HE J， et al. Electrical treeing behaviours in cross-linked polyethylene cables after thermal ageing［J］.High Voltage， 2023， 8（4）： 749-759.

［10］ MONTANARI G C， LAURENT C， TEYSSEDRE G. From LDPE to XLPE： investigating the change of electrical properties.part Ⅰ： space charge， conduction and lifetime［J］. IEEE Trans Dielectr Electr Insul， 2005， 12（3）： 438-446.

［11］ NANNERY P R， TARPEY J W， LACENERE J S， et al. Extending the service life of 15 kV polyethylene URD cableusing silicone liquid［J］. IEEE T Power Deliver， 1989， 4（4）： 1991-1996.

［12］ 羅陽帆， 周凱， 李康樂， 等. 基于電纜絕緣壽命擴展技術的現(xiàn)場退運電纜修復效果研究［J］. 絕緣材料， 2021， 54（5）：54-60.

LUO Y F， ZHOU K， LI K L， et al. Research on rejuvenation effect of field returned cable based on cable insulation lifeextension technology［J］. Insulat Mater， 2021， 54（5）： 54-60.

［13］ 吳貴芬， 吳大鳴. 用于熱收縮材料的LDPE/EVA體系化學交聯(lián)［J］. 北京化工大學學報（自然科學版）， 1995， 22（1）：71-76.

WU G F， WU D M. Chemical crosslinking of LDPE/EVA systems for heat shrinkable materials［J］. J Beijing Univ ChemTechnol（Nat Sci Ed）， 1995， 22（1）： 71-76.

［14］ 朱曉輝. 修復水樹老化XLPE電纜的修復液注入技術［J］. 高電壓技術， 2004， 30： 16-17.

ZHU X H. The repair liquid injection technology of XLPE cable for repairing water tree［J］. High Voltage Eng， 2004， 30：16-17.

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