田驰 徐钢 刘畅
（1.沈阳产品质量监督检验院，辽宁沈阳 110000；2.沈阳市质量技术监督局，辽宁沈阳 110000）
交联聚乙烯绝缘使用寿命及其影响因素的研究
田驰1徐钢2刘畅1
（1.沈阳产品质量监督检验院，辽宁沈阳110000；2.沈阳市质量技术监督局，辽宁沈阳110000）
交联聚乙烯电缆绝缘料，简称XLPE是以电缆专用低密度聚乙烯（LDPE）为基础树脂，加入过氧化物体系，抗氧化物体系等，经过特殊的工艺制成的电缆绝缘料，改型后其各方面性能得到了大幅度改善，如力学性能，耐应力开裂性能和电性能等［1］。本文针对用户使用中出现的问题，通过试验数据分析，讨论了光、氧、热三者对交联聚乙烯绝缘电缆（以下简称XLPE电缆）使用寿命及安全运行的影响，并提出了使用中须采取有效保护措施保障电力稳定输送的建议。
交联聚乙烯绝缘电缆使用寿命绝缘层断裂影响
1 引言
近年来，XLPE电缆凭借结构轻便，施工简单，维护运行容易等优点应用于各个领域。但某用户使用时发现，安装在设备内部的电力电缆，运行2年后，接线端部的线芯绝缘层发生竹节龟裂现象。该电缆为低压交联聚乙烯绝缘电力电缆，型号为YJV 0.6/1kV 4*16。
2 试验分析
现场观察，电缆端头接线部分线芯裸露在护套外部约10cm左右。绝缘层表面呈龟裂，脆化无弹性。其中红色线芯最为明显，颜色哑光半透明，可用手将绝缘材料掰成小碎块，断裂处呈白色参差状。为查明绝缘断裂是材料质量不达标还是使用方法不规范所致，本文取该型号电缆的三处不同使用部位作为研究样本，如下：
（1）包覆在护套内部的电缆绝缘层；（2）安装在室外的电缆绝缘层（自然光照射）；（3）安装在设备内部的电缆绝缘层（设备内部光源照射）。
在例行试验和型式试验中，抗张强度和断裂伸长率是反映绝缘本身性能是否达标的主要参数。GB/T12706.1-2008规定，XLPE绝缘抗张强度应不小于12.5N/mm2，断裂伸长率应不小于200%。按照GB/T2951.11-2008试验方法，选取足够长度XLPE绝缘层作为研究对象。不同位置绝缘层试验数据见表1。
由于无法获得安装前绝缘材料原始参数，故主要以位置1为参考值。数据显示，位置1试样绝缘抗张强度在（14.3～15.0）N/mm2范围内，断裂伸长率在（322～328）%区间，均达到标准规定值，属合格产品。位置2和位置3中，绝缘机械性能明显下降。位置2的绝缘抗张强度降低约50%，断裂伸长率数值降低约70%。其中，红色线芯绝缘性能下降幅度最大，断裂伸长率降低了80%。位置3抗张强度和断裂伸长率降低幅度达到30%和60%以上。可见，由于使用位置和安装方式的不同，经长期使用后电缆在各部位的绝缘性能差异较大。有护套包覆的绝缘材料性能比较稳定，可继续使用；无外护套的部分，由于受到外界环境的影响，绝缘材料外观龟裂，性能降低，远低于国家标准规定值。在所有颜色的绝缘线芯中，红色线芯机械性能最差，也进一步解释了其表面龟裂现象更严重的问题。
3 影响因素分析
当安装电缆或是固定终端时，电缆接头处绝缘层若未经保护处理，裸露在外的部分将在光、氧、热三者的共同作用下，引起高分子材料的断裂老化［2］。
表1 不同位置的XLPE绝缘层试验数据
（1）光加速了交联聚乙烯的开裂。对高分子材料而言，最易造成破坏是紫外光，波长介于 290～400 nm 之间。以聚乙烯为例，在较强的紫外光长期照射下，会引入较多的含氧基团，聚合物链大量断裂，分子量降低，分子量分布加宽，发生光氧化降解。本文研究的红、黄、绿、蓝这四种颜色线芯中，红色可见光波最长，吸收大量紫外线，形成了较多含羰基分解产物和发色团，进一步加重了其颜色的变化。（2）氧气促进了老化进程。长期曝露在空气中的绝缘，除光老化外，还会受到氧气的影响。氧化反应包括聚合物氧化、断裂降解等过程，终极产物包括羰基化合物、过氧化物、烷氧基化合物等。研究表明，在无氧条件下受热，交联聚乙烯等聚烯烃类材料特性是稳定的。而在有氧环境下，即使温度较低，聚稀烃类材料也能发生氧化反应。尤其光辐射积累一定时间后，会引起材料温度上升，加速与氧气的反应速度，推进断裂老化进程。（3）热机械性能的化。载荷运行时导体和绝缘产生热量，达到一定工作温度将发生热伸缩和热应力变化，且热伸缩过程复杂，受热时发生热膨胀和塑性收缩。热胀冷缩是可逆过程，而热收缩是不可逆的［3］。尤其在频繁的电力通断切换条件下，会引起电缆温度起伏，导致塑性变形增大，收缩量增加，影响绝缘寿命和性能。
光、氧、热三者对绝缘材料的作用是相辅相成的［4］，是一种协同作用的方式。光老化作用促进了含羰基分解产物和发色团的产生，在氧和热的协同下，使得发色团的官能基进一步增加，同时也促进了光化学反应中的氧在材料中的扩散。
4 使用建议
通常在生产电缆时，外护套材料需添加光稳定剂、紫外线吸收剂和抗氧剂等。而绝缘材料一般没有这方面的考虑。因此，在电力电缆施工时需要对接线端部作以处理。电力部门通常对裸露的绝缘层外进行绕包保护，或加设热收缩套管、绝缘胶带等等，很大程度上防止了绝缘层受外环境影响而老化开裂。相关设计、使用规范对电缆安装时的终端保护措施也做了规定要求。G B/T50168-2006第6.2.3条和G B/T50217-2007第5.1.12条都提出对裸露的绝缘层进行保护措施的要求。为此，延长电力电缆的使用寿命，不仅要注重直埋、管道、竖井敷设等各个主要环节的安全防范，更要在细节上处理好接线终端绝缘层的保护措施，尤其是户外终端的预防措施，以保障电力电缆长期稳定可靠的运行。
［1］蒋佩南，郑长胜，王国兴.交联电缆的发展动向与需求预测［J］.供用电，1995（01）：10-12.
［2］韩雪梅.交联聚乙烯绝缘料在电线电缆中的地位［J］.化学与黏合，2008，53-56.
［3］王柏东，程仁良，戴忠华，杨吉成，刘鹏，卢文跃等.电缆开裂原因分析［J］.核电工程与技术，2005（3）.
