阻水电缆

绪 论

随着我国国民经济的快速增长,特别是农村及城市电网建设改造步伐的加快和各地房地产业通信技术的高速发展，使我国的电力事业得到了快速发展,从而推动了为电力工业相配套的电工行业,尤其是电线电缆行业的发展,促使数字通信电缆产品得以广泛的应用，同时，为了应对广泛的适用场合和方式，电线电缆的品种发展呈现出多样化的趋势。电线电缆已经从单纯的电力传输向多功能化发展,即根据不同用途分别被附加了一些新的特性, 例如:阻燃电缆、耐火电缆、低卤低烟电缆、无卤低烟电缆等等。对电线电缆的阻水要求在近几年特发生了天翻地覆的改变，以前对阻水的要求主要限于海底电缆、超高压电缆和通信电缆的应用上。但是随着对绝缘吸水和水树的研究及认识的加深,人们越来越意识到防水性能对中高压电线电缆的重要性。在地下水位较高或常年多雨地区(比如我国长江以南地区),越来越多的用户和各种各样的地区场合对电缆提出了防水的要求。因此格式的阻水型电缆应运而生！随着时间的发展阻水型电线电缆成为了阻水型电缆产品中的一个重要分支产品，现在除了原始的使用功能和场合之外，还主要用于普通的室外，在风雨天气、潮湿季节，具有阻止水汽、潮气进入电缆内部，促使其仍能保持良好的传输性能的功能。综合以上背景，本文介绍了我国阻水型电线电缆的发展现状；从阻水型电线电缆的材料、结构设计、制造工艺和使用条件等方面对阻水型电线电缆进行了一系列的讨论分析。

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第1章 阻水型电缆的诞生和发展

1.1 阻水型船用电缆的开发

众所周知，舰船长年在海洋的大风大浪中航行，不可避免会发生事故，造成船体损伤并导致海水涌入船舱。对此有一套应急措施。首先应立刻查明船体损伤的位置并启动应急抽水泵进 行排水，然后组织人员进行抢修并修复，这是船体损 伤不严重的理想状态 。若损伤严重， 经抢修也无法 修复，则要采取第二套应急措施，即迅速关闭通往已损伤舱体的安全门，即让海水只涌入已损伤的船舱，而绝对保证不涌入相邻或其他的船舱，使船体仍能正常航行，直至航行到岸边的船厂进行修复。此时，如果连接上述两船舱的电缆不采用纵向水密封的话，那么船舱内高压水就会从电缆端头(终端或连接头)或损坏部位，渗入到电缆的缆芯，并沿着缆芯纵向渗透，导致相邻的舱体进水，最终使整个船体都有水涌入，这是绝对不允许的。为了满足于这种特殊的要求，开发了一种阻水型船用电缆。

该阻水性船用电缆是为一种早期的纵向水密封电缆，其结构是导体为紧压绞合导线，绞合导线之间应填充粘结剂，使导线之间无间隙；然后挤包橡皮绝缘， 但其必须与导线紧密粘结，故常在绞线表面涂有粘结剂；最后挤包橡皮护套，但 同样要采取上述措施，以保证绝缘与护套之间紧密粘合成一体。因此，电缆结构致密并不存在微小间 隙。这种电缆通常要进行一项特殊的高水压下渗水试验，即将电缆一端放入含有高压水的试验箱中，另一端 放在试验箱外,经数小时后不许有水渗出。实际上,该产品在上世纪30年代左右就已开发成功并获得了应用。但是这种电缆只是作为船用电缆中特殊产品，故不为人们广泛关注和知晓。 1.2 阻水型市内话缆开发

电缆纵向阻水性能差的主要原因 是缆芯中存在间隙，如果将一种憎水填充材料充满注入缆芯中的间隙，这就可达到纵向阻水的目的。

通常用于聚乙烯绝缘、护套市内话缆的油膏填充物，应具有如下一些主要特性：

油膏填充物应与电 缆材料相容，既不改变原有材料的电性能和机械物理性能，也不能影响电缆的使用寿命；

油膏注入缆芯时，要求其粘度底、流动性好、以便能注满所有的间隙，但在电缆运行的工作温度范围内，粘度要高，以免在使用中滴流，失去阻水作用等。

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通过反复研究发现，如果要求油膏注入充满整个间隙，通常需要加压的油膏注入设备，并将油膏加温，使其粘度下降，便于注入缆芯，但又不能使线芯绝缘烫伤。这种填充方式通常称为热填充。为了避免油膏加温可能损伤绝缘线芯，同时免去油膏加热设备，后期又开发一种触变型油膏，这种油膏在常态下粘度高不会产生滴流，但是在高速搅拌的机械力作用下， 其粘度很低，即可在低温条件下进行油膏填充工艺，这种工艺又称为冷填充工艺。不论是热填充还是冷填充， 其均有如下缺陷：

都需有一个专用的油膏填充设备， 且加工工艺 繁琐，生产速度低； 在生产过程中都不可避免产生油膏滴流和粘连，使整个车间地面和设备上粘有油膏，把环境和操作人员都搞得很脏；

在线路施 工中处理电缆终端和连接头时，不仅要清除油膏，给施工人员操作带来了麻烦，而且会搞脏施工现场。

大约在上世纪80年代，国外先进国家针对上述问题，又开发出吸水膨胀带 (线、绳) 材，代替了油膏绳填充物。其工作原理很简单，就是在纤维带内含有众多吸水膨胀粉，当其一旦吸入水分和潮气后会迅速膨胀，堵塞所有空隙，达到电缆纵向阻水的目的。这样，人们花了数十年时间，用科学技术来提升阻水型市内通信电缆产品的技术水平。 1.3 阻水型电力电缆的开发

在上世纪90年代，国外文献报道了有关阻水型电力电缆开发和应用的情况，本世纪初国内有关文献也有报道，这比阻水型市内话缆开发和应用要晚许多年，主要由以下原因造成的：

首先，电力电缆的结构不同于通信电缆。众所周知，通信电缆传输弱电高频信号，其传输 特性中有一项很重要的性能指标 —— 传输信号的衰减。通常电缆的衰减是与电缆工作电容相关，而工作电容除了与绝缘线芯结构和尺寸有关之外，还与绝缘材料的介电常数 ε密切相关，聚乙烯ε = 2. 3； 发泡聚乙烯ε =1. 6～1. 8；空气介质ε = 1. 0。因此，通信电缆的绝缘通常由空气和介质共同组成的组合 绝缘，即使是纸绝缘实质上也是纸与空气的组合绝缘。因此通信电缆的缆芯组合通常不如电线电缆那么致密和紧压，总是存在着大量的气隙，这为埋地电缆水分和潮气渗入提供了基础和条件。 电线电缆传输工频强电信号，其重要的一项技术指标是电缆的耐电压水平，而空气的耐电压强度极低。因此电线电缆绝缘中绝不允许即使极微小的间隙或气孔的存在，其缆芯结构也是致密和紧压的，因此电缆埋地后就不易产生如通信电缆那样潮气以及水分的渗入 。

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其次水分和潮气影响电缆性能的时效和机理不同。如上所述，水分和潮气对电力电缆影响是极其缓慢的，反映性能恶劣的时效也是漫长的，而且影响的机理也是错综复杂的。通过大量研究才认识到形成的机理，并知道它对电缆使用寿命有很大的影响。据文献报道，有的交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电线电缆运行时间长达40多年仍能正常运行，可是有的电缆只运行10年左右， 即发生了绝缘击穿事故。 经分析这是与电缆制造工艺不良有关，例如制造过 程中有极微量水分渗入、绝缘存在极微小气孔、绝缘屏蔽表面有微小的突起等等；或者是与电缆使用和施工不当有关。例如：电缆直埋于水位较高的沿海地区，敷设施工不当引入潮气等。这些极微量水分在电缆运行中的电场和温度共同作用下形成水树和电树，经长期不断作用造成绝缘恶化，最终导致树枝状击穿。于是，人们在电缆制造工艺中加以改进和提高。例如：将水式 (蒸汽为交联媒质) 交联改为干式 (氮为交联媒质)交联，严格控制原材料的品质和质量，尽可能减少或避免绝缘屏蔽表面突起和杂质等缺陷； 研制并选用抗水树新型绝缘材料；在产品结构上采用阻水型电线电缆，用于某些较为苛刻的运行环境。由于阻水型市内通信电缆已成熟地应用了数十年，可以认为目前产品已趋于完美、实用和可靠， 这为阻水型电线电缆的开发和应用提供了良好的基础，因此可以认为目前的阻水型电线电缆是完全借鉴于阻水型通信电缆而开发出来的新型产品。它的结构是在绞合导电线芯之间及表面， 以及绝缘屏蔽的外面分别绞 (嵌)入和绕包吸水膨胀丝 (绳) 和带，然后挤包铝塑聚乙烯综合护套。这种新颖的阻水型电线电缆主要应用于较为苛刻的运行环境。 例如：电缆直埋于水位较高的沿海地区，长期浸在水中或排 水不畅的环境，以及雨季频繁的热带或亚热带地区， 特别是用于江湖和沼泽等环境下敷设。

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第2章 阻水型电线电缆的结构、选材、工艺

2.1 阻水的可行性分析 2.1.1 水分对电缆的危害

要确定阻水电缆的结构首先要知道水分对电缆的危害。一般而言,水分浸入到电缆中后主要影响的是电缆的导体和绝缘。就导体而言,电缆在正常运行时是处于一个热稳定状态,导体温度一般都在60°C 以上,如果有水分浸入就会导致导体氧化,使得导体中单线间的接触电阻增加从而增大了导体电阻、增加了输电线路的能量损耗。就绝缘而言,虽然聚乙烯是极难溶于水的非极性疏水物质,但是聚乙烯是一种由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物。聚乙烯结晶相结构紧密,但晶界存在缺陷；无定形相中的分子排列疏松,分子间存在较大的间隙。水分子是极性的,在交变电场下扩散力及电场力的共同作用,使水分子很容易渗透到聚乙烯无定形相的空隙和晶相的晶界缺陷中。交联聚乙烯分子结构中也存在上述问题,同时交联聚乙烯中有较多的交联副产物充当杂质,因而交联聚乙烯在交变电场下也有较大的吸水率。交联聚乙烯和聚乙烯绝缘吸水后会产生水树, 使得运行中的电缆发生击穿而损坏。 2.1.2 水树的定义和产生

在交流电场和水分的作用下，水树是聚合物绝缘材料发生降解的一种现象。然而在这种条件下也可以产生电树和聚合物的完全击穿，这依赖于准确的实验条件。电树和击穿与水树是有区别的。出于这种考虑，对水树的准确定义是非常必要的。

水树是聚合物的降解结构，降解结构具有下列的性能： 1永久性；

2在极少的潮气和极小的电场下可以成长；

3与原始的材料相比较，当潮湿时有极小的电应力，但水树不是短路也不是击穿；

4实质上降解结构比原始聚合物有较强的亲水性。

电缆进水后，在电场的作用下，会发生水树老化现象，最后导致电缆击穿。水树是直径在 0.1m到几微米充满水的空隙集合。绝缘存在中的杂质、气孔及绝缘与内外半导电层结合面的不均匀处所形成的局部高电场部位是发

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生水树的起点。水树发生过程一般在八年以上，湿度、温度、电压越高，水中所含离子越多，则水树发展越高。在潮气和电场的共同作用下，水树是诱发高压电线电缆的主要原因。自从日本遇到水树这种现象以来，许多文献中都涉及到这一问题。在人们对材料的超纯性以及材料表面的光滑性的重要作用识别以后，这一方面的技术己取得了巨大的进步。尽管对于电缆和其材料的水树测试是必要的，但目前的电线电缆己基本具备了抑制水树的能力。 2.1.3 水树的发生、进展的影响因子

对水树的发生、进展会产生影响的因子有：时间；外加电压和频率；温度；水质；绝缘材料；电极材料。着眼以上些因子，归纳实验结构以表示这些因素的影响。

以下就分别各个因素叙述使用这些电极结构做实验或把电缆作试样的实验结构。

1. 时间：在一定条件下对于外加电压时间和水树伸长或发生数的变化情况，有几个报告是不一样的。例如，在水电极里，外1kHZ、2kV电压时，时间直到140h ，水树对于时间的伸长达到100h的一定值后，观察到几乎不再增加。有时也看到水树伸长与时间的变化关系呈饱和特性。

一般水树随时间变成有饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和长度各个实验是不同的，这是与电极结构、外加电压、浸水条件等各种实验有关。

2. 外加电压和频率水树的伸长随外加电压增加而增加的报告较多。水树伸长和外加电压的关系一般是直线关系。也有水树伸长从电压500V到6kV几乎没有差别。水树伸长和外加电压的关系认为是电极配置与成为水树发生起点的电极曲率半径等有关。一般做实验认为到几千赫兹频率具有加速性。对于水树作加速性研究实验中，试样是否作过吸水处理对实验结果有很大的影响。

3. 一般温度于水树的伸长的影响关系上不明确的，从实验中可得到不同结果。关于水树的发生数，一般是温度越高，则特别小的水树数目变得越多。

以上是温度恒定的时候，然而实际运行的电缆负荷电流常是变化的。因此，常处于热循环的状态下。这时热循环比起常温来则是促进水树老化。

像这样的关于温度对水树影响，依据实验方法得到完全相反的结果，认为这是各种实验条件的微妙的综合结果，现在还没有得到统一的见解。

4. 水质：一般用于实验的水是自来水，用各种电解质和去离子水等作实验的目的在于研究水质的影响。把电导率相等的三种溶液和去离子水作水电

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极使用时的水树伸长比较。电解质溶液方面比去离子水的水树伸长来得大的多，这三种电解质认为没有多大差别。用同样的电极的结构作实验，以氯化钠、氯化钾、自来水、去离子水作比较，水树容易发生的顺序是：电解质溶液、自来水、去离子水。还有得到水树的伸长、形状和电解质浓度有关的结果。

5. 绝缘材料：PE的密度、熔解指数（M.I.）和水树进展的速度有关。一般PE的分子量和结晶度对水树的进展特性没有多大的影响。PE以外的有机绝缘材料中确实也发生过水树。

6. 电极材料电极材料对水树的影响，在实际电缆中从防止水树的观点看是很重要的。以碳黑纸、半导电性棉布带、牛皮纸、珞珞（纤维质）纸、半导电性PE作式样，在常温下，外加60Hz、6kV电压时，经100h后，除半导电性PE外，其它发生了水树，其伸长程度没有什么差别。一般水树不发生在挤出半导电层，但当绝缘接口有凸出等缺陷存在时发生水树。 2.1.4 水树的应变和抑制

由于XLPE电缆是以挤出机挤出的电缆绝缘层，加工时的条件不同，会造成绝缘内有残余应变，在电缆管路敷设和海底电缆的敷设时，都存在附加的弯曲、扭转等机械应力。试样是预先加50%拉伸应变的半交联（交联度30%-40%）的PE片，由碳黑的纤维端发生水树，不管纤维是什么方向，水树伸长的方向都垂直于试样的拉伸应变方向，而无拉伸应变的试样容易引起水树拉伸。

用水针电极讨论PE在加拉力状态下的水树伸拉特性，和残余应变一样，水树伸随着外力增加而变大。从上述实验结果表明，不论是内部应变，还是外部应力，若在应力方向有水树，其伸长就会变得容易。

关于伴随水树进展的应变发生原因还不太清楚，有认为应力源处应变增加是由于浸水耐电中因介电电泳方向高场强集中的水的反复膨胀收缩造成的。

通用的抑制水树的方法如下：提高绝缘强度作为目的的添加剂效果。实验结果是水树发生数和结果减少；加入电解性物质，气隙内发生水的凝结，电场下降，增大了水气吸内的化学势，防止水再进入气隙，能够抑制水树；添加剂（电压稳定剂）的效果。当电压稳定剂加入电缆时，比没有添加剂的电缆水树发生数要少。

用添加剂的任务是：缓和绝缘体中的凸出物、气隙的局部高场强；增加气隙内的化学势，预防气隙内进入水。

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2.1.5 阻水的可行性分析

普通电缆本身不具备阻水特性,在地下水位较高或常年多雨地区水分很容易渗入护套或从护套的破损处侵入到电缆内部,并引发事故。早在20世纪 70年代,交联聚乙烯绝缘电线电缆中的水树问题就引起了国际电缆行业的极大关注,并且很多国家都作了大量的研究工作。最初主要是考虑对交联聚乙烯进行改性,采用添加电压稳定剂及其它添加剂的方法来抑制水树的产生,此举虽有一定效果但并不显著,未能从根本上解决问题。后来的实践经验证明,防止外来水分侵入是解决交联聚乙烯电线电缆中水树问题的最佳途径。现在我国电线电缆的阻水结构大多是借鉴于通信电缆,主要是通过增加防水护层以达到防止水分透过护套渗入到绝缘层的目的。要实现电缆的全面阻水,不但要考虑电缆径向的水分渗透,还要考虑到有效阻止水分侵入电缆后沿电缆的纵向扩散。因为如果不考虑电缆的纵向阻水,当护套密封不严或破损时,侵入到电缆内部的水分会沿电缆纵向扩散,造成整根电缆报废,使损失扩大。IEC国际标准中也推荐额定电压6 kV~30 kV及30 kV~150 kV挤包绝缘电线电缆应具备纵向阻水结构,并在产品标准附录中给出了阻水性能试验方法。 2.2 结构、选材及关键工艺 电缆内部纵向渗水处如图2-1：

图 2-1 电缆内部纵向渗水图

a ) 金属丝屏蔽型 b ) 铝护套型

1-导体 2-内半导体 3-绝缘层 4-外半导电层 5-屏蔽层 6-包带 7-塑料护套 8-垫层 9-间隙 10-波纹铝护套 11-塑料防护层 阴影-纵向渗水可能发生处

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2.2.1 径向阻水型的电缆结构

一般电缆所用的护套材料是聚氯乙烯，而聚氯乙烯分子是极性的，极性的水分子极易透过聚氯乙烯层侵入到电缆中，目前要实现电缆的纵向阻水在技术上的不存在问题，只要在护套内加一层水密性材料构成的阻水曾即可。 目前普遍采用的方法是在聚氯乙烯外护套内挤包一层中高密度聚氯乙烯内护套或纵包一层铝塑复合带作为纵向阻水隔离套。纵向阻水电缆结构如图2—2 所示：

图 2－2 纵向阻水电缆结构图

1. 聚乙烯（内护套）防水隔离套聚乙烯在交变电场下易吸水并不说明聚乙烯材料的水密性不好。聚乙烯材料的水密性比聚氯乙烯高数百倍，挤包聚乙烯阻水层再配合一层吸潮垫层（如阻水包带）可以满足敷设在一般潮湿环境中的电缆的纵向阻水防潮要求。采用聚乙烯材料在阻水隔离套在工艺上实现起来比较简单，在不添加任何生产设备的情况下就可以实现。因为聚乙烯层只是作为阻水层而不考虑其机械强度等因素，出于成本和工艺方面的考虑在工艺设计时其厚度在1.0~1.5mm即可达到很好的效果。

2. 铝塑复合带聚乙烯粘结防水隔离套。如果把电缆敷设在水中或特别潮湿的环境中，聚乙烯防水隔离套的径向阻水能力就显得不足了，对于径向阻水性能要求较高的电缆，其阻水隔离套应选用水密封性更好的材料，现在采用较多的是在电缆缆芯外包一层铝聚乙烯复合带。理论上讲，铝-聚乙烯复合带的水密封性比单一的聚乙烯高几百甚至上千倍，只要复合带的接逢处完全粘结密封水分几乎是无法透过，纵包铝-聚乙烯复合带聚乙烯粘结的关键工艺有两方面：一是纵包工艺，纵包时要做到紧且圆整，消除纵包搭缝处的―荷叶边‖（即复合带边缘的纵向弯曲）；二是粘结工艺，应保证复合带与聚乙烯内护套及其复合带搭缝处粘结完善。生产铝-聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水

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电缆需要一台专用的纵包设备，同时为了保证工艺需要考虑纵包长模，纵包止转定位装置（防止纵包过程中电缆的左右摆动及转动）。定位导轮及成型涡轮等的设计和正确使用。同时考虑到电缆在运行中热膨胀因素，在防水层与绝缘线芯间应加一层具有较好弹性且吸水的缓胀垫层（如有吸潮能力的无纺布或阴水包带）生产铝/聚乙烯复合带纵包结构的径向阻水电缆需要一定的奖金投入和设备改造。 2.2.2 纵向阻水的电缆结构

前文己探知了电缆纵向阻水的重要性。要实现电缆的纵向阻水在理论上并不困难，就是要有效阻断水分在电缆内部的纵向信道（包括导体内部间隙，成缆线芯之间的间隙，各护层之间的间隙）目前大多数电缆生产家考虑是如何从电缆外部阻断纵向水流信道，对于单芯电缆较易实现，但对于多芯电缆和铠装结构的电缆实现起来仍有许多难点。

目前用于电缆中的阻水材料主要有填充膏，热熔胶及阻水带等，从材料的阻水材料特点可以将它们分为两类：一类是静态被动阻水，也就是利用填充材料（热熔胶阻水环，阻水填充膏等）本身的电缆线芯及护套的良好接触密封性达到阻止水分在电缆内部流动的目的；另一类是主动吸水并迅速膨胀，从而达到阻断水分在电缆内的流动信道。阻水填充膏和 热熔胶均属于静态被动性阻水材料。这种结构最初都是借鉴于光缆阻水结构，生产工艺复杂，效率低，并且使用填充膏会给施工带来很大的不便。阻水带（纱）遇水能够迅速膨胀且能达到一定的膨胀高度并能形成强度较高的凝胶，是一种理想的主动性阻水材料，采用阻水带，阻水绳，阻水纱作为阻水材料工艺简单施工方便并且生产效率高，所以这种结构受到用户和生产厂家的普遍欢迎，由于单芯电缆绝缘与护套之间接触面较平整，只要在外护套与线芯间绕包一层阻水带即可达到很好的纵向阻水效果。如有金属屏蔽，则需要在金属屏蔽层内侧绕包半导电阻水带。多芯电缆还需要在成缆线芯的间隙中用阻水绳，阻水纱进行有效填充，然后用阻水带进行绕扎，有铠装层的电缆，则还需要在铠装层内外两侧各绕包一层阻水带。

采用阻水绳，阻水纱进行填充的电缆虽然有很大优势，但同时也存在一些问题，一是价格问题，由于阻水绳价格高，采用其作为填充材料会使电缆成本大幅上升，二是阻水效果，对于单芯电缆和小截面的多芯电缆，上述结构并不存在什么问题，但对于大截面的多芯电缆，由于成缆线芯间隙较大，用阻水绳进行填充时，有时会因为阻水绳来不及吸水膨胀而使阻水失败。为了解决上述问题，确定一种工艺简单施工方便，性能可靠且成本相对较低的

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阻水结构，许多电缆厂家和材料厂家在填充材料方面做了大量试验，并且研制出了很多新型的阻水填充材料。

国外早期采用石油膏，由于其存在接头施工困难，导电性能下降等缺陷而逐步淘汰，取而代之的是采用超强吸水膨胀材料其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水分后膨胀材料。其作用是在绝缘线芯遇水时能迅速吸收水份后膨胀形成和保持凝胶状，从而阻止水进一步侵入及造成纵向流动，引起绝缘破坏。

超强吸水膨胀材料是一种吸水特别强的物质，它的吸水量为自身的几十乃至几千倍。目前超强吸水材料发展极快种类繁多，就其原材料来源可分为：淀粉系，纤维系，合成聚物系。制品形态有粉末状，纤维状和薄膜状。在电缆工业中应用于径向阻水各种电缆中，也有超强吸水绳绞合在导电线芯中，以起到纵向阻水作用。

超强阻水材料填充导电线芯空隙一般采用两种方法。一种为采用绳子形态与导电线芯均匀分布后一起绞合，另一种采用粉末状态在每层导电电单线绞合后都均匀涂覆表面。

新型的阻水材料均具有以下特点：

1、兼有被动性阻水材料和主动性阻水材料的优点， 2、成本相对于阻水绳要低得多， 3、不会为电缆施工带来不便，

4、材料中不含增朔剂，硫化剂等，与绝缘护套及金属屏蔽层等兼容性好 采用上述阻水材料作填充材料并结合阻水包带生产的阻水电缆，在实际应用中效果良好，（结构如图2-3）

图2-3 有阻水包带的阻水电缆结构图

实现电缆的全面阻水特性，还需要解决导体阻水的问题，因为绞合导体中单线之间存在间隙，当导体中有水分浸入时会沿导体快速扩散，业内也早己认识到这个问题并作了努力，例如将导体改为紧压结构并逐步提高导体的

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紧压系数。但采用紧压结构对导体阻水的效果并不明显。因为采用紧压结构的导体中仍会存在间隙，水分会在毛细管作用下沿导体扩散，同时过分提高导体紧压系数会破坏导体中单线的金属结晶结构。导致导体变硬，电阻增加。要彻底解决导体阻水问题其根本就是采用间歇或连续的阻水屏障将导体中的间隙切断。目前较通用的方法是在绞线时在各层绞线之间填充疏水材料或阻水材料从而达到切断导体内间隙信道的目的。如导体绞合时各层单线之间涂覆橡胶或绕扎阻水纱的方法均能达到较好的阻水效果并且不影响导体的机械物理性能和电气性能。

2.2.3 多芯阻水电缆结构的改进

通过上述分析可以看出，单芯电缆实现阻水结构较多芯电缆简单。并且单芯阻水电缆的阻水效果较多芯电缆好。同时在加工工艺上单芯阻水电缆不需要增加额外设备且生产工艺简单，在施工中单芯电缆比多芯电缆易于敷设，接头在实际输配电线路中，可用同等截面多根单芯电缆代替多芯电缆使用，并且更利于电缆运行时散热，用多根单芯电缆代替多芯电缆时，为了方便施工可将多根单芯电缆绞合在一起并将两端扎紧。如图2-4

图2-4 多根电缆绞合示意图

现在上海电力局已经开始将额定电压10KV及以上的三芯阻水电缆用三根单芯电缆代替，三根单芯电缆相对于三芯电缆在保证原有性能的条件下材料用量来增加却简化了生产工艺，同时也大大提高了阻水效果，因此在设计和选用阻水电缆时推荐以多根单芯电缆代替多芯电缆

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2.2.4 吸水带

1．吸水带的结构

吸水带的材料容易改进，所以广泛应用于阻水电缆中。吸水带是由聚酯无纺布作基布和添加了吸水聚合物的橡胶及塑料涂料构成吸水带如图2-5

图2-5 吸水带的结构

2．吸水聚合物

吸水聚合物有丙烯醇，纤维素，聚氧化乙烯等多种材料，但考虑到吸水速度，吸水凝胶的粘度，分解率，耐热性，不洁物和使用环境等因素，有必要对其进行选择，这其中丙烯酸的吸水聚合物显示出较好的特性。 3．吸水带的特性

吸水带阻水的机理是当进水膨胀后吸水带应充满电缆内空隙，从而确保不再纵向渗水。因此在带子周围的间隙处添加适量的吸水聚合物，特别是较大空隙处的吸水带要求有较高的吸水能力；还要求其膨胀后的吸水凝胶不从空隙内流出。故对膨胀后吸水凝胶的粘度，吸水带及电缆的结构进行研究。另外，用在导体部分的吸水带。需要耐受近200摄氏度的交联温度 导体部分吸水带在加热过程中的吸水能力见图2-6：

图 2-6 吸水带吸水能力

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2.2.5 电缆的构造

研究阻水结构时，由于电缆的结构不同，渗水特性也不同，因此需要对适合电缆结构的吸水带的特性，如吸水高度，吸水速度（吸水后达到带的吸水高度的时间），进行带材的选择。此外，将吸带包在外半导电层上时，带的P-T（固有热阻率-温度）特性和电缆的tg上升值有关。因此采用p-t特性稳定的吸水带，并且在电缆上测试tg-t(时间），需确认吸水带在使用时不发生问题。

以下就是对电缆的不同结构提出各种不同的阻水结构 1 阻水型导体

导体的阻水以往主要是在导体内填充水密化合物，填充绞线间的空隙，但是为了提高制造的工作效率，缩短电缆在中间连接时清洗化合物所需工时和施工作业的时间，采用了绞线过程中将吸水带插入绞层间的结构，如图2-7，关于导体导通的问题，经过实践的确定，插入的吸水带因绞线压缩时导线间挤压而部分破损，从而导通，并在电缆连接和终端组装时不发生问题。

图2-7 吸水带插入绞层间

2 阻水型铅包结构

对于铅包结构电缆，外导电层和铅包的交界面是光滑的。插入外半导电层和铅包间的吸水带不需要特别高的吸水高度。因在铅包挤出时的热量将吸水带融化在外导电层及铅包上，因此应采用耐热性较好的吸水带。 3 阻水型金属丝屏蔽结构

对于金属屏蔽结构电缆，将金属下的垫带及金属丝上的包带改作为吸水带，使其紧压金属丝，这包带的张力与以往使用的布带具有同等张力。这种结构的阻水效果很好。此外还要考虑到，带子的吸水高度充满金属丝的间隙，却使吸水高度很充分，但实际上一旦绕包在缆芯上，由于带子的结构及包带的压力，其得不到期望的高度，故采用吸水高度较大的材料可取得了充分的

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阻水效果。 4 阻水型铝护套结构

对于铝护套结构电缆，绝缘线芯在负载作用下，反复热膨胀或收缩，所以在铝波纹管内侧必须设置空隙，因此吸水带要使用膨胀性好且吸水高度高的材料，来填充间隙。因此吸水带使用膨胀性好且吸水高度高的材料。来填充间隙，却使螺旋状的波纹也是可以阻水的但需要较厚的绕包带和膨胀性好的吸水带，这就造成了电缆成本的提高。

因此采用环形（独立环形）的铝波纹护套作阻水电缆。如图2-8，为环形波纹管和螺旋纹管护套的结构比较

（ａ）－螺旋波纹 （ｂ）－环形波纹

图 2-8 波纹示意图 环形波纹管的特点是自我独立空隙，可以封锁水路，而螺旋波纹管的空隙呈螺旋形连接而形成水路，吸水带及其它阻水材料同样需要考虑p-t特性，吸水高度，吸水速度及耐热性，而且因为绕包在铝护套下，其膨胀性也很重要。另外还要考虑渗水时吸水带的化合物不能流出。

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第3章 常用阻水材料及其结构性能

3.1 聚丙烯的结构性能

聚丙烯是丙烯的均聚物，简称PP。它具有优良的力学和电绝缘性，良好的耐化学腐蚀性，而且耐热性好，因此PP的应用范围很广。在电线电缆方面，由于聚丙烯优异的电绝缘性能，且不受湿度的影响，工艺上可连续挤包或以薄膜绕包制造电缆电缆，故特别适用于高频通信电缆、大长度油矿测井电缆的绝缘、10KV及以下的电线电缆及电缆终端盒。 聚丙烯的结构特点

聚丙烯是典型的立体规整型的高聚物，其性能除和分子量有关，还受到立体规整性的影响。

聚丙烯通常是等规聚合物，具有高度的结晶性。当熔融状聚丙烯冷却时，便生成结晶，在杂质或内应力集中处首选生成晶核，然后从晶核向四周以球形成长，形成球晶。冷却速度大，则生成的球晶小；缓慢冷却时，球晶的大小为急冷时的数倍。球晶的数量、大小和种类，对聚丙烯的物性及工艺性能有很大的影响。球晶越大、越脆，这是因为在紧密性增加的同时也造成了易于分离的结果。

聚丙烯等规度高，结晶度越大。此外，在通常情况下，分子量依存性越大，分子链的扩散越难，结晶度则下降。但即使同样的分子量，由于成型条件的不同，或以后加热方式的不同，结晶度也会变化。结晶度的大小直接影响聚丙烯的密度。聚丙烯非结晶部分的密度为0.85g/cm3结晶部分的密度为0.935g/cm3一般聚丙烯的结晶度介于30%~70%之间，密度为0.90g/cm3左右。当聚丙烯结构、结晶薄片的厚度、球晶结构、无定形部分状态产生变化时，即使结晶度相等，其物理性能也不同。一般说来，球晶小的，在急冷和低温下热处理处，结晶度即使相等，但屈服强度和冲击强度等也会变大。聚丙烯的分子量及其分布情况，对熔融时的流动性能（即加工性能）有很大的影响，其规律与一般高分材料相同。

电线电缆用聚丙烯有粒料和薄膜两种，表3-1为聚丙烯的基本性能。

表 3-1 聚丙烯的基本性能 项目 密度 吸水度 单位 g/cm3 % 数值 0.90-0.91 0.03-0.04 16

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抗拉强度 伸长率 屈服点 断裂点 抗拉伸性模数 压缩强度 弯曲强度（屈服点） 线膨胀系数 成型收缩率 洛氏硬度 冲击强度 无缺口 有缺口 体积电阻率 击穿场强 相对介电常数 介质损耗角正切 耐电弧 热变形温度 负荷 耐磨性 pa % pa pa pa 10-5/c % KJ/m2 Ω.m MV/m mg 30-39 10-20 ≧ 200 1100-1600 39-56 42-56 10.8-11.2 1.0-2.0 95-105 不断 2.2-5.1 ≧1014 30 2.0-2.6 0.0005 125-185 100-116 56-67 25 3.1.1 物理力学性能

聚丙烯为白色蜡状材料，外观很像高密度聚乙烯，易燃烧，离开火后能继续燃烧，并发出石油气味，它的透气性与聚乙烯相同。

由于聚丙烯为结晶性高聚物，其力学性能不仅与了量有关，而且与结晶性有关。如果球晶大而结晶度高，则聚丙烯的硬度，强度增大，但柔软性变差。聚丙烯的抗拉强度比聚乙烯、等塑料来得大、特别是当温度超过18摄氏度时，随温度上升，聚丙烯抗拉强度的下降比较小，即使在100摄氏度以上，你可保留常温时抗拉强度值的一半。

聚丙烯的表面硬度比聚乙烯高，比聚苯乙烯低。聚丙烯的耐磨性比较好。聚丙烯还具有十分良好的耐弯曲变形的能力和较好的耐环境应力开裂性

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3.1.2 电绝缘性能

等规聚丙烯是非极性材料，有很好的电绝缘性能。因为聚丙烯吸水性很小，所以，绝缘性能基本上不受湿度的影响。聚丙烯相对介电常数很小（2.0~2.6），介质损耗角正切很低（0.0005），在温度和频率变化时，介电常数和介质损耗角正切的值变化较小。聚丙烯具有很高的绝缘电阻（10Ω.m以上），在温度升高时，体积电阻率逐渐下降。聚丙烯的击穿场强比较高（30kV/mm），随温度上升，击穿场强反而上升，因此可以制造耐热绝缘材料。 3.1.3 热性能

聚丙烯的耐热性能较好，在聚烯烃类塑料中是属最高的。熔点为165-170摄氏度，即使在荷重时，也可在100摄氏度下连续使用，若无负荷，使用温度可更高。

聚丙烯的耐寒性较差，低温脆化温度为－5摄氏度左右。聚丙烯的耐寒性与等规度及平均分子量有关。当等规度相同时，熔融指数越小，其脆化温度越低；反之，熔融指数相同而等规度较高时，则脆化温度也较高。为改善聚丙烯的耐寒性，可采取与乙烯共聚改性，常见的有丙烯-乙烯无规共聚和丙烯-乙烯嵌段共聚。也可采用其它塑料和弹性体共混改性，常见有聚乙烯、聚异丁烯、乙丙橡胶等。 3.1.4 耐化学稳定性

聚丙烯和聚乙烯一样，耐化学药品好。它对于一般无机化学药品，也表现出高度的稳定性，例如耐硫酸、盐酸及氢氧化钠的能力较聚乙烯、聚氯乙烯为好。而且耐受温度较高，对含量为80%的硫酸及浓盐酸的耐受温度可达100摄氏度。但是聚丙烯分子结构有叔碳原子，容易被氧化性药品侵蚀；对于有机化学药品和同类的非极性溶剂性，但也有例外，如在卤化烃中比在非极性溶剂中更容易溶解。 3.1.5 其它性能

聚丙烯虽有许多优点，但由于化学结构的关系，它在高温下对氧很敏感，

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容易氧化老化，特别在有紫外线和铜存在的情况下，更能加速这一老化过程。为了改善聚丙烯的耐老化性能，在实践中聚丙烯等防老剂，以制止由于光或热能在聚丙烯中形成受激励部分和游离基，并捕获己产生的游离基，使之不引起链式反应；分解己生成的过氧化氢化合物；钝化在聚丙烯中存在的重金属。

3.2 聚乙烯的结构和性能

3.2.1 聚乙烯的结构

聚乙烯是一种只含有碳和氢两种元素的高分子聚合物，其通式可用（CH2-CH2-）表示。其中n为102–106。由于乙烯聚合时需要加入催化剂，所以聚乙烯还含有残余的少量催化剂杂质。聚乙烯的分子并不是一般长，由于聚合反应器内的温度、压力和催化剂含量的差异，乙烯聚合反应的过程，如链增长、链传递和链终止反应都不尽相同，所以得到的聚乙烯最终产品实际上是大大小小各种不同分子量的聚乙烯的混合物。因此实际上聚乙烯的化学结构并不是这样简单，而是较为复杂的。其分子主链上有不少短的甲基支链和较长的烷基支链。并且分子中还存在着双键的可能，根据双键位置的不同，又可能分为10型端双键， 11型次甲基支链和 12型双键等。

高压法低密度聚乙烯，由于是游离基反应聚合而成的，所以分子支化度较高。特别是釜式法，因反应停留时间长，使得长链较多。而中、低压法聚乙烯由于是离子型聚合，所以分子支化度也很少，基本上呈直链接构，不存在长支链，短支链也极少。但线性低密度聚乙烯和超低密度聚乙烯的短支链要多些，短支链的长度和数量取决于共聚单体的碳链长度和数量，一般短支链长度为C1 –C8 。低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯的分子示意图如图3-1

a)低密度聚乙烯（LDPE） b)高密度聚乙烯(HDPE) c)线性低密度聚乙烯(LLDPE)

图 3-1 不同密度聚乙烯分子示意图

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3.2.2 聚乙烯的性能

聚乙烯是一种热性塑料。外观为乳白色，薄时半透明，厚时不透明，表面呈蜡状。它具有优异的介电性能，广泛用于国防工业、无线电工业、雷达、电线电缆和电信装置等绝缘材料。低温性能好，能在低达-70摄氏度的低温条件下使用，不脆裂，不硬化。化学稳定性好，耐水性、耐火性、耐老化性优良。密度小于1g/cm3。但遇火时容易燃烧和熔解。并放出与石蜡燃烧时同样的气体。熔解温度在110~135摄氏度之间，能用挤出、注射、吹塑、模压和粘贴等各种方法加工成型。

表3-2 聚乙烯的性能

序号 1 2 性能 密度 透明度 单位 G/cm3 LDPE 0.910-0.925 半透明 MDPE 0.926-0.904 半透明—不透明 3 透气速率 吸水性(质量分数) 4 5 6 7 8 9 10 （24H） 抗拉强度 伸长率 弹性模量 弯曲模量 肖氏硬度 结晶熔点 热变形温度 11 （荷重186N/cm） 12 13 14

MDPE 0.941-0.970 半透明-不透明 1/3 相对性 1 1/3 pa % pa pa D ℃ <0.015 8-16 400-600 100-300 250 41-46 108-126 <0.01 8-26 50-800 200-400 _ 50-60 120-130 <0.01 20-40 15-1000 400_1200 1000 60-70 126-135 32-42 41-49 43-49 线膨胀系数 热导率 长期使用温M/m c℃ W/m℃ ℃ 2.2＊10-14 0.35 65-70 1.7*10-14 _ 75-85 1.5*10-14 0.48 80 20

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度 15 16 17 脆化温度 体积电阻率 击穿强度(瞬时) 相对介电常数 18 60-100HZ 10介电损耗角正切 19 （60-100HZ，10） 20 21 22 耐弧性 弱酸性 强酸 S 135-160 耐 受氧化酸侵蚀 23 24 碱 耐溶剂性 耐 常温下不受侵入 25 燃烧性 易燃 易燃 200-235 很耐 受氧化酸侵蚀较慢 很耐 常温下不受侵蚀 易燃 >200 很耐 受氧化酸侵蚀较慢 很耐 常温下不受侵蚀 易燃 <0.0005 <0.0005 <0.0005 2.25-2.35 2.25-2.35 2.30-2.35 ℃ Ω.cm kV/mm <-70 >1016 18-40 2.25-2.35 <-70 >1060 18-40 2.25-2.35 <-70 >1060 18-40 2.30-2.35

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第4章 新型阻水材料

一类新的用于电信电缆的密封填充油膏已得到ANSI和ICEA的认可。这项技术将超级吸水聚合物与触变胶体物质相结合从而达到电容稳定和超强防水的话缆性能.此外，这种新型油膏具有独特的性能，能自愈因水侵入而引起的短路，（这种短路会发生于绝缘导线存在裂缝时）同时补偿铜导线受热时的电容变化。在此说明这类油膏的合成技术及材料作用的机理，涉及的特性包括：

1. 承受较高的水柱压力的能力；

2. 在湿度及温度变化时钢缆的电容稳定性； 3. 老化时导线绝缘层的氧诱导时间： 4. 涮试自愈特性，消除由水引起的短路； 5. 绝缘稳定性。 4.1 当前的技术状况

在现在所采用的技术中，电缆的生产通常基于两种设计：空气缆和填充缆。空气缆空隙处没有油膏或任何其它的阻水材料，而填充缆的空隙在生产过程中填充有油膏以防止水浸人电缆。用于填充缆的油膏绝大部分是热熔性材料，像油、石蜡和橡胶混合物。采用这些材料的目的在于通过疏水及充填空隙，阻止水进人电缆。

然而，由于热熔性材料在冷却过程中会产生收缩，这类材料实际上只是延缓了水之进入电缆。

“干燥的”阻水电缆设计近来已经被采用，利用附着于带材、线或散在电缆内的超级吸水剂达到阻水目的。这些粉剂的作用就是在水分进人缆芯之前吸收全部水分，膨胀形成阻水墙阻隔更多水分流动。

然而，这类技术的缺点在于这种\"干燥的\"电缆构造会导致较高的维护费用，否则，会造成整个电缆的失效。例如，\"干燥的\"电缆设计是基于一种认识，即超级吸水剂遇水膨胀，在吸水的情况下，阻断了更多的水进人电缆。这个概念与实际情况不符，即超级吸水剂干了，它吸收的水份以水蒸气的形式蒸发了（水蒸气将存在于电缆内部环境中），且在一个封闭的空间内保持着35%-95%的相对湿度，换句话说，一旦水进入了\"干燥\"电缆结构，水汽能渗入代电缆空隙，这在接续盒和系统接续箱的空隙中也是普遍存在的，最终在光纤、导线或接续盒中凝结的水汽开始腐蚀、短路铜缆系统，微结晶，分层

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或影响光纤系统。

4.2 新型阻水材料的设想和开发

4.2.1 高吸水性树脂

高吸水性树脂（Super Absorbent Polymer，SAP）是一种含有羧基、羟基等强亲水性基因，并具有一定交联度网络结构的高分子聚合物[1]，是一种特殊功能材料。它不溶于水，也不溶于有机溶剂，并具有独特的性能，通过水合作用能迅速地吸收几十倍乃至上千倍自身重量的水，也能吸收几十倍至100倍的食盐水、血液和尿液等液体，同时具有较强的保水能力。SAP作为一种很有前途的新型功能性高分子材料，完全不同于传统的吸水材料如海绵、纸、棉等。其应用涉及众多行业，除卫生用品领域外，在农林园艺和水土保持、医疗、化妆品、建材领域、电缆、电子工业方面也有广泛的应用。 4.2.2 纳米阻水剂（可应用于所有柔性纤维材料上）

从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。对未来纳米材料所创造的产值，德国早在1997年就预测：2000年全世界纳米技术和相关产业产值为3,700亿马克。实际上，2000年是3,700亿美元，比预测高出2倍，而且主体纳米材料产业贡献比较大；我国也十分重视，2000年，朱镕基总理表示，中国也要投资5亿人民币，5年累计投入25亿来发展纳米技术。

纳米阻水剂通过化学方法，将防水纳米颗粒的生成分为前体和渗透结晶两个步骤。通过有机溶媒将亚晶体均匀分散在溶液中。在使用时通过渗透作用，分子将有序排列，规律的产生纳米级疏水颗粒。并自动吸附在物品表面和微观纤维结构中，使物品产生特殊的憎水特性(不成膜)。由于纳米材料的特殊性质，原物品将完全不改变本身的颜色、外观、柔软度、透气性和手感。具有很强的防水、防吸潮、防霉变或因吸水而变色、变形。本品可广泛应用于皮革、家具、无纺布、纸制品、草制品、竹木制品、纺织品、柳藤制品、纤维等吸水性强的材料上。

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第5章 结论

在生产和社会实践中，人们总是在不断地 开发和应用新技术、新材料和新产品来推动社会的进步和发展。

电缆的制造和使用，以及对于不同种类电缆的选择主要取决于使用环境、使用条件 (技术要求)以经济性(性价比)等综合因素，这是我们电缆设计和制造的指导思想 。

随着时代的发展和对各种电缆事故认识的加深。用户对电缆的要求越来越高，对电缆附加功能的要求也越来越多，为了能适应能力市场的需求满足用户的需求，电缆行业必须不断开发出新的产品，阻水电线电缆在我们在我们国内刚刚起步，目前还缺少统一的标准规范和试验要求。随着新型阻水电缆材料的不断出现今后还会出现新的阻水结构。我们可以借鉴光缆和通信电缆中的成功经验，共同探讨和完善电线电缆的阻水结构。也可借鉴国外的先进经验早日制出统一的产品标准和试验标准

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致 谢

本论文是在田丰指导下完成的。他们渊博的学术知识使我受益匪浅；孜孜不倦、踏实求真的治学精神以及乐观向上的人生态度是我人生的楷模和学习的典范；感谢田老师给予我的指导，再次向百忙之中为我做毕业答辩的老师表示真心的感谢！。

在近三年的学习生活中，我由衷的感谢母校的各位老师无论在专业知识还是学习生活方面给我的极大支持和帮助，感谢同学对我的帮助、支持和理解。

最后祝所有的老师心想事成，幸福、安康，祝所有的同学工作顺利，步步高升！

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参考文献

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[3] 王春江主编.电线电缆手册(第1册)[M].北京:机械工业出版社.2001

[4] 陈佶民,刘旌平,曾纪刚.电缆纵向水密封性能检测技术研究[J].电线电缆2005，第四期 [5] 蒋佩南 . 国产交联聚乙烯电线电缆击穿故障的评定和分析[J].电线电缆2007，第二期

[6] 黄崇祺 . 论中国电缆工业的废杂铜直接再生制杆和以铝节铜[C].2007 .中国电线电缆行业大会报告集.中国电器工业协会电线电缆分会.上海电缆研究所.2007

[7] 印永福，吴士敏，蒋强.电线电缆行业应重提以铝代铜[C].2008 电线电缆论坛论文集 (聚焦市场与技术).上海电线电缆研究所信息会展中心.2008

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