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高压电缆用半导电缓冲阻水带膨胀高度测试方法

2025-03-28 65 上传者：管理员

摘要：高压电缆用半导电缓冲阻水带的阻水性能准确测定对高压电缆的阻水带选用、电缆性能设计、缓冲层放电故障解决至关重要。为此，对表征阻水带中凝胶吸水速度和吸水能力的膨胀速率和膨胀高度测试方法进行了研究。针对现有标准JB/T 10259—2014规定的阻水带膨胀高度测试方法因限制阻水带中凝胶水平方向膨胀路径而导致的阻水带的膨胀速率、膨胀高度测试结果存在瑕疵，提出了改进的阻水带膨胀高度测试方法。通过新型膨胀高度测定仪的设计以及动态阻水膨胀高度测试引入，该改进测试方法避免了阻水带中凝胶水平方向上的膨胀量堆叠到垂直方向上，确保了所测得的静态/动态阻水带膨胀速度和膨胀高度更能真实地反映半导电缓冲阻水带在实际静态/动态使用环境中的阻水性能。

关键词：
XLPE
半导电缓冲阻水带
测试方法
膨胀高度
高压电缆
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近年来我国各电缆生产厂家制造的交联聚乙烯(XLPE)绝缘皱纹铝护套高压电缆多次出现因缓冲层放电而导致电缆本体故障,进而引发线路故障的现象,对此国家电网总公司及各省电网公司给予了高度重视｡目前,针对上述放电问题的原因分析研究报道较多,主要涉及对半导电缓冲阻水带的质量､铝护套与缓冲层的间隙､皱纹铝护套电缆自身结构特性等原因的分析研究｡虽然现在对缓冲层放电问题的解决方案尚无统一意见,但解决半导电缓冲阻水带质量问题始终处于首要位置｡由半导电缓冲阻水带制成的半导电缓冲阻水层是高压电缆绝缘系统的有机组成､是高压电缆系统接地的内在延伸,其重要性不容忽视,对其质量的控制必须严之又严｡由于应用条件特殊,各电缆生产厂家的高压电缆用半导电缓冲阻水带基本为针对性设计选型,通常要求具有优良的阻水性､耐热性及化学稳定性｡

吸水速度和最大吸水能力是衡量阻水带阻水性能的主要指标｡在标准JB/T10259—2014中的具体指标为膨胀速率和膨胀高度,两者分别为阻水带中凝胶吸水速度和吸水能力的直接体现｡对高压电缆用半导电缓冲阻水带的膨胀速度和膨胀高度的准确测定,不仅有助于筛选出阻水稳定性更高､阻水能力更好的阻水带,而且还有助于高压电缆设计人员对阻水带的合理选用,避免缓冲层放电问题的出现｡为此,本文对高压电缆用半导电缓冲阻水带的膨胀速度和膨胀高度的测试方法进行了研究,以期能够准确测定阻水带的膨胀速度和膨胀高度,更真实地反映其实际使用中的阻水性能｡

1、半导电缓冲阻水带阻水原理

高压电缆用半导电缓冲阻水带由聚酯纤维非织造布､半导电材料与高吸水材料等复合而成,其不含对金属材料及其他相邻材料有腐蚀作用的成分且与之有较好的相容性｡高吸水材料是确保阻水带具有阻水性能的关键,通常选用超级吸水性聚合物(SuperAbsorbentPolymers)中的交联聚丙烯酸聚合物[水凝胶(Hydrogel)]作为高压电缆用半导电缓冲阻水带的高吸水材料[1]｡该水凝胶为聚丙烯酸盐高吸水性树脂,一旦接触到水,固定在聚合物分子羧基上的阳离子就会与水亲和,离开分子链,留下带负电荷的羧基;聚合物分子链在相同电荷间的静斥力作用下伸展开来,有效电荷增加,导致聚合物分子链在强烈亲水作用下吸水,从而发挥膨胀吸水的功能;水凝胶是一种极为亲水的三维网络结构凝胶,水凝胶强度是其在阻水带中发挥阻水效果的关键,交联密度越低的高吸水性聚合物分子链越容易伸展,表现为吸水速率越快且体积膨胀越大,但是由此形成的水凝胶的刚性较低,表现为胶体部分或全部溶解于水,凝胶失去了阻水能力｡

根据Flory提出的聚合物在水中的膨胀公式可得吸水倍率Q=(P2o+Faw)/ρcl(其中Po为渗透压,Faw为亲和力,ρcl为交联密度),由刚性公式可得刚性模量G与交联密度ρcl成正相关,即过低的交联密度ρcl会导致刚性模量G降低,吸水树脂容易溶解,而过高的交联密度ρcl会限制吸水倍率Q,因此为确保良好的阻水作用,阻水带必须选择合适的交联密度ρcl,以均衡其吸水倍率Q和刚性模量G｡

2、现有阻水带膨胀高度测试方法

目前,对高压电缆用半导电缓冲阻水带的膨胀速度和膨胀高度测试主要根据标准JB/T10259—2014附录A规定的测试方法｡在阻水带膨胀速度和膨胀高度测试时采用由外径80mm并均匀分布60个直径2mm小孔的盖板和容器(容量100mL烧杯)组成的膨胀高度测定仪(如图1所示)､精度0.01s秒表以及助剂(纯净水或去离子水)｡

图1膨胀高度测定仪

阻水带膨胀高度测试步骤为:a.从5个样品上各切取1个直径为80mm的试样;对于宽度为80mm以下的盘带,应将该带剪成若干段,并拼成直径80mm的试样｡b.将试样置于膨胀高度测定仪的容器中,使试样较薄的一层朝上,轻轻放下盖板与试样接触,应确保盖板能自由移动,并保持盖板对试样的压强为100Pa｡c.慢慢注入100mL纯净水或去离子水,同时开始计时,注水时间为10s｡d.当试样浸水达1min时,记录盖板的位移读数,即为阻水带的膨胀速率ve(单位mm/min)｡e.当试样浸水达5min时,记录盖板的位移读数,即为阻水带的膨胀高度he(单位mm)｡阻水带膨胀速度ve以5个试样1min测试数据的算术平均值为测试结果,膨胀高度he以5min测试数据的算术平均值为测试结果｡

经过长期观察发现,现有标准阻水带膨胀高度测试方法存在以下局限性:阻水带中的凝胶需要达到一定程度的刚性和稳定性,才能真正起到阻水作用,不会在吸水后部分或全部溶解,但膨胀高度测定仪容器内径为80.5mm,试样直径为80mm,容器内径限制了阻水带中凝胶水平方向膨胀的路径,使其只能在垂直方向上膨胀;所测得的向上膨胀高度结果并非是凝胶全部在垂直方向上的膨胀量,还存在一部分水平方向凝胶膨胀量的堆叠,这使得依据测试结果对阻水带的膨胀速率､膨胀高度的判定存在瑕疵,对阻水带的阻水性能判定出现偏差｡

3、改进阻水带膨胀高度测试方法

3.1测试方法改进设计

为了能真实反映阻水带的阻水能力,针对现有阻水带膨胀高度测试方法的局限性,进行了阻水带膨胀高度测试方法改进设计[2]｡改进设计原则为:在水平方向上膨胀不受限制的前提下,在垂直方向上对100Pa静态压强下阻水带的膨胀速度和膨胀高度进行测试;对阻水带中凝胶的刚性和稳定性进行测试｡由此确定了改进设计的重点是新型膨胀高度测定仪设计以及动态阻水膨胀高度测试引入｡

3.1.1新型膨胀高度测定仪设计

在阻水带膨胀速度和膨胀高度测试时采用由特制盖板和容器(特制容量100mL烧杯)组成的新型膨胀高度测定仪(如图2所示)､精度0.01s秒表以及助剂(纯净水或去离子水)｡为了给阻水带水平方向膨胀提供空间,真实反映凝胶遇水后的自由膨胀(水平方向膨胀和垂直方向膨胀)状态,在设计膨胀高度测定仪时进行了以下考虑:a.为与烧杯上部的内径82.0mm筒体相配合,盖板外径设为81.5mm,两者之间间隙为0.5mm,以保证盖板可自由上下移动｡b.为便于纯净水或去离子水的注入,盖板上面均匀分布60个直径为2.0mm的小孔(与现有试验装置盖板保持一致)｡c.为与烧杯中心直径15.0mm固定圆柱杆相配合,盖板中心设有1个直径15.5mm的孔,两者之间间隙为0.5mm,以保证盖板可自由上下移动｡d.盖板厚度t根据标准要求的100Pa确定(因不同材料的密度不同,故对t不作明确规定);同时,为与烧杯底部的外径120mm､深度H凸台(主要用作半导电缓冲阻水带膨胀的空间)相配合,设定盖板厚度t>凸台深度H,以保证盖板始终能在中心固定圆柱杆上运动,不会产生水平方向的移位,由于盖板厚度t未作强制规定,故凸台深度H也未作强制规定｡

图2新型膨胀高度测定仪

3.1.2改进设计的阻水带膨胀高度测试步骤

改进设计的阻水带膨胀高度测试步骤为:a.从5个样品上各切取1个直径为81.5mm的试样;对于宽度为81.5mm以下的盘带,应将该带剪成若干段,并拼成直径81.5mm的试样;并用模板在其中心抠出1个直径为15.5mm的圆,形成一个外径为81.5mm､内径为15.5mm的圆环(试样面积与原有膨胀高度测定仪保持一致)｡b.在静态阻水膨胀速率和膨胀高度测试时,将试样置于新型膨胀高度测定仪的容器中,使试样较薄的一层朝上,轻轻放下盖板与试样接触,应确保盖板能自由移动,并保持盖板对试样的压强为100Pa;慢慢注入100mL纯净水或去离子水,同时开始计时,注水时间为10s;当试样浸水达1min时,记录盖板的位移读数,即为阻水带的静态阻水膨胀速率ve(单位mm/min);当试样浸水达5min时,记录盖板的位移读数,即为阻水带的静态膨胀高度he(单位mm)｡阻水带的静态阻水膨胀速度ve以5个试样1min测试数据的算术平均值为测试结果,静态阻水膨胀高度he以5min测试数据的算术平均值为测试结果｡c.在动态阻水膨胀速率和膨胀高度测试时,将试样置于新型膨胀高度测定仪的容器中,使试样较薄的一层朝上,轻轻放下盖板与试样接触,应确保盖板能自由移动,并保持盖板对试样的压强为100Pa;将整个测定仪固定于离心装置中,慢慢注入100mL纯净水或去离子水,同时开始计时,注水时间为10s;根据需要设定离心装置的旋转速度nc(单位r/min)并确保整个测定仪在离心装置上沿中心线转动,待注水结束开始旋转1min后停止,静置4min后记录盖板的位移读数,即为阻水带的动态阻水膨胀高度he,d(单位mm)｡阻水带的动态阻水膨胀高度he,d以5min测试数据的算术平均值为测试结果｡

3.2改进测试方法准确性评估

为了研究改进阻水带膨胀高度测试方法对阻水带的膨胀速率､膨胀高度测试结果的准确性,采用目前市售的高压电缆常用半导电缓冲阻水带为试验样品,选取不同厂家不同批次半导电缓冲阻水带制作了10组试样(每组3个试样),分别采用现有和改进的阻水带膨胀高度测试方法进行测试,测试结果如表1所示｡可知:a.对于同一半导电缓冲阻水带试样,相对于现有阻水带膨胀高度测试方法,改进阻水带膨胀高度测试方法的膨胀速度ve和膨胀高度he测试结果较低｡经分析,由于阻水带中凝胶吸水膨胀在水平和垂直方向上同时存在膨胀量,现有阻水带膨胀高度测试方法所用的膨胀高度测定仪在水平方向上限制了凝胶膨胀空间,导致其垂直方向的膨胀高度包含了水平方向的膨胀量,而改进阻水带膨胀高度测试方法所用的新型膨胀高度测定仪在水平方向上提供了足够的凝胶膨胀空间,避免了水平方向上的膨胀量堆叠到垂直方向上,确保了所测得的阻水带膨胀速度和膨胀高度更能真实反映半导电缓冲阻水带在实际静态使用环境中的膨胀速度和膨胀高度,从而有助于高压电缆设计人员对阻水带在静态下阻水性能的准确判定｡b.对于同一半导电缓冲阻水带试样,相对于改进阻水带膨胀高度测试方法中静态阻水膨胀高度he测试结果,动态阻水膨胀高度he,d测试结果较低｡经分析,由于凝胶存在溶解于水而失去了阻水能力的现象,相较于静态,刚性不够的凝胶更易在动态下溶解于水,因而测得的动态阻水膨胀高度较低,这也从侧面证实了Flory提出的聚合物刚性模量和吸水倍率的相关理论,凝胶不仅需要较快的吸水速率,同时还需要一定的刚性｡通过在盖板100Pa压强的作用下以及一定离心力作用下对阻水带动态阻水膨胀高度进行测试,更能真实反映半导电缓冲阻水带在实际动态使用环境中的膨胀高度以及阻水能力的稳定性和高效性,从而有助于高压电缆设计人员对阻水带在动态下阻水性能的准确判定｡

表1现有和改进的阻水带膨胀高度测试方法测试结果

4、结束语

针对现有阻水带膨胀高度测试方法存在一定的局限性,提出了一种改进的阻水带膨胀高度测试方法｡该改进测试方法能够更真实地反映高压电缆用半导电缓冲阻水带在实际应用中的阻水效果,对高压电缆在实际现场的使用性能评估更具参考意义｡虽然本文仅从半导电缓冲阻水带的膨胀高度特性研究角度提出了该改进测试方法,但所涉及的阻水带阻水原理､阻水带实际环境使用性能考核思路可为其他半导电缓冲阻水带性能测试方法设计提供参考,以使相关测试结果更具真实性､准确性和实际参考价值｡

参考文献:

[1]包宏前,程淑玲,刘义霞.光缆用阻水带测试方法的再研究[J].光通信研究,2003(4):51-54.

[2]蔡建荣.一种阻水带测试装置､系统及测试方法:202310121713.2[P].2024-04-26.

文章来源:蔡建荣.高压电缆用半导电缓冲阻水带膨胀高度测试方法[J].光纤与电缆及其应用技术,2025,(02):31-34.