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橡套電纜中銅絲發(fā)黑的多種原因

銅絲發(fā)黑的原因是多種因素造成的，不僅僅是橡皮的配方問題，還與銅絲本身所處的狀態(tài)、橡膠加工工藝、橡膠硫化工藝、電纜的結(jié)構(gòu)、護(hù)套橡膠配方、生產(chǎn)環(huán)境等諸多因素有關(guān)。

    1橡皮發(fā)粘和銅絲發(fā)黑的原因分析

　　1.1銅絲本身的原因在廿世紀(jì)五十到六十年代，國內(nèi)大多數(shù)廠家均使用普通銅桿，銅含量為99.99%，均為有氧銅桿，生產(chǎn)方法都是銅錠加熱后經(jīng)多道壓延后制得黑色銅桿，經(jīng)過大、中、小拉將銅桿制成比較細(xì)的銅絲。因為銅本身不是無氧銅，在加工過程中銅絲表面難免出現(xiàn)氧化。到了廿世紀(jì)八十年代，國內(nèi)引進(jìn)了無氧銅桿的*生產(chǎn)技術(shù)，以及國內(nèi)自行開發(fā)的無氧銅桿生產(chǎn)技術(shù)，使整個電線電纜行業(yè)均用上了無氧銅桿，這無疑是改善了銅絲的發(fā)黑問題。但由于對銅桿的加工，特別是韌煉工藝的掌握以及加工好的銅線芯存放的條件不好，使銅線芯本身已有輕微的氧化，這也是銅絲發(fā)黑的原因之一。

　　1.2橡膠配方的原因廿世紀(jì)五十年代，橡膠絕緣均采用天然膠和丁苯膠并用配方。由于絕緣橡皮直接與銅線接觸，所以就不能直接使用硫磺作硫化劑，即使用很少的硫磺也會使銅線發(fā)黑。必須使用一些能夠分解出游離硫的化合物，如前面提到過的促進(jìn)劑TMTD、硫化劑VA-7，同時還要配合一些硫化促進(jìn)劑來提高硫化速度和硫化程度，確保絕緣橡皮的物理機(jī)械性能和電氣性能。但從絕緣橡皮的彈性、強(qiáng)力和yǒng久變形看，都不如加有硫磺的橡皮（如果不考慮銅絲發(fā)黑的話）。幾十年的實踐已經(jīng)證實TMTD無法解決銅絲的發(fā)黑問題。另外，絕緣橡皮要有各種顏色，紅、藍(lán)、黃、綠、黑是基本顏色，這些顏色的出現(xiàn)也會促使橡皮發(fā)粘和銅絲發(fā)黑。配方中的主要填充劑是輕質(zhì)碳酸鈣和*，由于價格的關(guān)系，有些廠家為了降低成本，用價格特別便宜的碳酸鈣和*，這些填充劑粒子粗、游離堿的含量大、雜質(zhì)多，所以物理機(jī)械性能比較差，電性能不好，還容易造成銅絲發(fā)黑。還有的廠用活性超細(xì)碳酸鈣來提高絕緣橡皮的物理機(jī)械性能，而活性鈣多數(shù)是用硬脂酸來處理的，這種酸也是促使銅絲發(fā)黑的原因。硫化劑VA-7的使用，可以改善銅絲發(fā)黑，但由于硫化程度不夠，橡皮的yǒng久變形大，會造成橡皮發(fā)粘。特別是加入促進(jìn)劑ZDC以后，提高了硫化速度，為了防止焦燒，還要加入促進(jìn)劑DM來延緩焦燒時間。從促進(jìn)劑ZDC的結(jié)構(gòu)看，是在TETD結(jié)構(gòu)中兩個相連接的硫中間接上一個金屬鋅，結(jié)構(gòu)式為： S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-Zn-S-C-N＜ H5C2 H5C2 與TETD結(jié)構(gòu)式 S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-S-C-N＜ H5C2 H5C2 十分接近，在配方中還無法避開和秋蘭姆相似的結(jié)構(gòu)銅絲發(fā)黑可能時間略長一點，但沒有從根本上解決。

　　2從電線電纜結(jié)構(gòu)分析

　　2.1銅的催化老化是橡皮發(fā)粘的重要原因前蘇聯(lián)電纜科學(xué)研究院試驗證明：硫化過程中銅從與橡膠接觸處滲入到絕緣橡膠中，1.0-2.0mm厚度的絕緣橡皮含銅0.009-0.0027%。*，微量銅對橡皮有*的破壞作用，也就是我們通常說的重金屬對橡膠的催化老化。在絕緣硫化過程中，秋蘭姆析出若干游離硫與銅反應(yīng)，形成活性含銅基團(tuán)： CH3 │ CH2-CH-C-CH2- │ │ S S │ │ Cu Cu 在老化時，較弱的-S-S-鍵斷裂，形成活性含銅基：Cu-S-，它與橡膠作用，同時與氧作用，破壞橡膠的長鍵分子，使橡膠變軟變粘，是低分子鏈的組合。法國橡膠研究院研究發(fā)粘重現(xiàn)問題時也指出：如果橡膠中含有有害的金屬，如：銅、錳等重金屬鹽類，那么不管促進(jìn)劑的種類，均會發(fā)生橡膠發(fā)粘現(xiàn)象。

　　2.2橡套電纜中硫磺向絕緣橡皮和銅線表面的遷移前蘇聯(lián)科學(xué)家應(yīng)用放射性同位素證實了電纜護(hù)套橡膠中硫擴(kuò)散的可能性。以天然橡膠為基的硫化膠中，在130-150℃的溫度下，游離硫的擴(kuò)散系數(shù)約為10-6cm2/s。連續(xù)硫化的生產(chǎn)廠，硫化護(hù)套橡膠時，溫度在185-200℃之間，這個擴(kuò)散的系數(shù)就更大。由于橡套游離硫的擴(kuò)散，改變了秋蘭姆橡膠的結(jié)構(gòu)，可能形成多硫鍵。這些多硫化合物通過化學(xué)分解和化合實現(xiàn)遷移，即"化學(xué)擴(kuò)"。由于遷移的結(jié)果，不僅可改變絕緣橡皮的結(jié)構(gòu)，降低其耐熱性，而且硫與銅表面反應(yīng)，形成硫化銅和硫化亞銅，導(dǎo)致銅線發(fā)黑。反過來，硫化銅和硫化亞銅加速橡膠的老化，又導(dǎo)致發(fā)粘現(xiàn)象的發(fā)生。

鎧裝控-制電纜 MKVVP2-22 　　3加工工藝方面的原因

　　3.1橡料加工方面的原因在以天然膠和丁苯膠并用為基礎(chǔ)的絕緣配方中，天然膠需要通過塑煉來提高橡膠的可塑性。有些大廠為了產(chǎn)量，用密煉機(jī)塑煉，還要加入少量的化學(xué)增塑劑--促進(jìn)劑M來提高塑性。如果塑煉溫度和生膠濾橡時的溫度控制不好，出現(xiàn)140℃以上的高溫，當(dāng)生膠放到開煉機(jī)上緩慢通過滾筒，而上面的積膠由于受到熱氧和促進(jìn)劑M的同時作用，會發(fā)現(xiàn)橡膠表面好象涂了一層油，實際上是橡膠分子在化學(xué)增塑劑的促進(jìn)下斷鏈比較嚴(yán)重，產(chǎn)生了比較軟和粘的較小分子量橡膠。雖然后來與丁苯膠并用混煉出絕緣橡料，這些小分子量的天然膠被均勻地分散在膠料中，這些膠料擠包在銅絲上進(jìn)行連續(xù)硫化后，當(dāng)時可能看不出什么問題，但已經(jīng)為橡膠粘銅絲埋下了一個隱患，也就是說，這些小分子量的天然膠將首先出現(xiàn)局部粘銅絲現(xiàn)象。絕緣橡皮加硫化劑和促進(jìn)劑的工藝也十分重要。有些小廠在開煉機(jī)上加硫化劑，就是將裝有硫化劑的罐子，在滾筒的中部倒入，中間很多，而兩邊較少。當(dāng)硫化劑吃入橡皮中，翻三角的次數(shù)較少，會使硫化劑在橡料中分布不均勻。這樣在擠包連續(xù)硫化時，含硫化劑比較多的地方很容易出現(xiàn)銅絲發(fā)黑現(xiàn)象，在發(fā)黑的地方時間一長，還會出現(xiàn)橡皮粘銅絲的現(xiàn)象。

　　3.2絕緣橡皮硫化方面的原因有些企業(yè)為了追求產(chǎn)量，連續(xù)硫化管只有60米長，蒸汽壓力是1.3Mpa,而硫化速度要開到120米/分，這樣絕緣橡膠在管中的停留時間只有30秒。橡皮本身是熱的不良導(dǎo)體，絕緣線芯表面溫度大于190℃，當(dāng)溫度傳熱到與銅線接觸的里層橡皮時，又被銅線吸熱，銅線升溫到與里層橡皮溫度接近時，硫化的橡皮電線芯已經(jīng)出硫化管了。這樣里層橡皮溫度比較低，大約為170℃，停留只有幾秒鐘就出硫化管，進(jìn)入冷卻和收線，絕緣橡皮就會硫化不足。為了達(dá)到足夠的硫化。促進(jìn)劑TMTD的用量（作硫化劑用）高達(dá)3.4%，過量的硫化劑，在硫化過程中放出的游離硫也多，除供交聯(lián)橡膠分子外，還有多余的游離硫。這是促使銅線表面發(fā)黑的原因。

　　總之，解決銅線發(fā)黑的問題，難度仍然較大，從銅絲到橡皮的每一道工序都要認(rèn)真對待，才能取得較好的效果。膠種選擇和硫化體系的采用仍是問題的關(guān)鍵所在。這個問題的解決需要經(jīng)歷時間的考驗。

防海水電纜及技術(shù)難點

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜（XLPE）

交聯(lián)聚乙烯絕緣（XLPE）海底電纜發(fā)展于上世紀(jì)80年代，多數(shù)用于220kV及以下電壓等級［1］，其制造和運(yùn)行經(jīng)驗還遠(yuǎn)不如充油海底電纜．截止到目前，電壓等級zuì高的XLPE交流海底電纜是耐克森（NEXANS）公司正在為位于挪威海的大型OrmenLange天然氣田安裝的2.2km長的420kV4根單心海底電纜．500kV交流長距離海底電纜，目前應(yīng)用的僅有充油電纜．

與充油電纜相比，XLPE電纜具有以下優(yōu)點：

①XLPE電纜是固體絕緣，不需復(fù)雜的充油系統(tǒng)，不需要檢測油位、控制油壓，運(yùn)行費用低；

②XLPE電纜沒有鉛護(hù)套，彎曲半徑小、質(zhì)量輕，可生產(chǎn)、敷設(shè)的長度更長，且在敷設(shè)安裝和運(yùn)輸時都要比充油電纜簡單；

③XLPE海底電纜的電氣性能和機(jī)械性能也都優(yōu)于充油電纜．正因如此，XLPE絕緣海底電纜的發(fā)展有著更廣闊的前景，但也有眾多技術(shù)問題尚需解決．普通的交聯(lián)聚乙烯電纜在直流電壓作用下，電纜絕緣中的空間電荷會在某處集中，從而造成此處局部場強(qiáng)過高而被擊穿．在絕緣材料中采用添加劑可以減緩電纜絕緣中空間電荷累積，使得交聯(lián)聚乙烯電纜可以用于直流高壓供電．2002年，dì一根擠包型單心直流海底電纜（輕型直流電纜，瑞典ABB），電壓±150kV，長度40km，容量330MW，用于連接紐約長島和美國的康涅狄格．這種直流海底電纜采用3層聚合材料擠壓成單極性電纜，內(nèi)外屏蔽層與絕緣層同時擠壓，具有高強(qiáng)度、環(huán)保和便于掩埋等優(yōu)點，適用于深海等惡劣環(huán)境．

XLPE絕緣直流海底電纜現(xiàn)zuì高電壓可達(dá)320kV交流電纜絕緣中的等效電容隨電纜長度增加而增大，在能量傳輸過程中，等效電容與電源間不停地進(jìn)行著充電放電，其充電電流可達(dá)到*值而影響正常有功負(fù)荷的傳輸，所以交流海底電纜有個理論上的極限傳輸距離，多個跨海工程表明，該距離約為40km［3］，超過這個距離，采用交流傳輸電能就不具經(jīng)濟(jì)性了．而直流電纜長度不受充電電流限制，無需無功補(bǔ)償裝置，制造安裝簡便，介損和導(dǎo)體損耗小，有著良好的市場前景．但高壓直流海底電纜還有如空間電荷積累機(jī)理及其抑制方法、直流電壓下的絕緣老化機(jī)理、新開發(fā)絕緣材料的*穩(wěn)定性，局部放電的影響等眾多問題有待研究解決．"

一般超高壓交流海底電纜都是單心的，但由于3心交流海底電纜可以節(jié)省生產(chǎn)和敷設(shè)的費用，所以大截面、

高電壓等級的3心XLPE交流海底電纜也在逐步推廣．2008年，耐克森公司在加拿大敷設(shè)了世界上dì一根電壓達(dá)245kV的3心XLPE絕緣海底電纜．聚乙烯（PE）絕緣電纜和EPR（乙丙橡皮）絕緣電纜乙丙橡皮電纜與XLPE電纜（tgδ≤0.0005）相比，介損正切值tgδ、和介電常數(shù)ε都比較大，但與聚乙烯電纜相比更能防止樹枝及局部放電，一般只用于中等電壓的海底電纜．截至目前為止，zuì高等級的乙丙橡皮海底電纜是2001年安裝在意大利威尼斯－穆拉諾－梅斯特（Venezia-Murano-Mestre）的150kV海底電纜．鎧裝控-制電纜 MKVVP2-22

充氣式電纜

充氣式海底電纜在結(jié)構(gòu)上與充油電纜很相似，也使用預(yù)先浸漬好的紙帶做絕緣，再充入帶壓力的氮氣，帶壓力的氣體填充了紙帶間的空隙，提高了擊穿電壓．充氣式海底電纜可用于交直流輸電，它比充油式電纜更適合于較長的海底電纜網(wǎng)．但由于需在深水下使用高氣壓操作，故此增加了設(shè)計電纜及其配件的困難，該電纜一般限于水深為300m以內(nèi)．

海底電纜的相關(guān)技術(shù)問題

海底電纜的防水

當(dāng)機(jī)械應(yīng)力或外力造成電纜護(hù)套及絕緣損傷、接頭損壞時，潮氣或水分會沿著電纜縱向和徑向間隙浸入，降低絕緣的電氣強(qiáng)度，因此多數(shù)高壓海底電纜都具

有防止水分入侵的縱向、徑向防水措施．徑向措施主要是在絕緣屏蔽和金屬屏蔽層外面繞包半導(dǎo)電阻水膨脹帶，在金屬屏蔽層外面添加金屬防水層即金屬護(hù)套，中壓電纜電場強(qiáng)度相對較低，一般使用鋁塑復(fù)合護(hù)套，也有僅用聚合物護(hù)套的，高壓電纜則采用鉛、鋁、不銹鋼的金屬密封套．聚合物護(hù)套具有防水性，但卻有一定的吸水率，這是因為其結(jié)構(gòu)主要是由結(jié)晶相和無定形相組成的半結(jié)晶高聚物．結(jié)晶相結(jié)構(gòu)緊湊，無定形相中的分子排列疏松，分子間存在較大的間隙．在交變電場的作用下，極性的水分子不斷來回翻轉(zhuǎn)，可以透過間隙和晶界缺陷處滲透到絕緣材料中．采用聚合物護(hù)套時，護(hù)套里要加具有吸水作用的阻水劑．

縱向阻水主要采用①壓緊型線心；②在導(dǎo)線之間和纜心屏蔽區(qū)添加阻水性物質(zhì)，阻斷水分在纜心中的擴(kuò)散通道．縱向阻水采用阻水粉填充效果好，它的吸水量為自身的幾十倍乃至幾千倍，吸水強(qiáng)度大、膨脹率高，吸水后可迅速膨脹形成凝膠狀物質(zhì)，阻塞滲水通道，終止水分和潮氣的進(jìn)一步擴(kuò)散和延伸，使受潮電纜的長度降到zuì低。