電纜的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，其實(shí)它的每一個(gè)組成部分都有各自重要的使用目的，所以制造電纜時(shí)必須仔細(xì)選擇每一種組成材料，從而保證這些材料制成的電纜在運(yùn)行過程中的可靠性。

1　導(dǎo)體材料

    歷*，用于電力電纜導(dǎo)體的材料是銅和鋁。人們還短暫地試用過鈉。銅和鋁具有更好的導(dǎo)電性，在傳輸同樣的電流時(shí)，銅的用量相對(duì)要少，所以銅導(dǎo)體外徑比鋁導(dǎo)體小。鋁的價(jià)格又明顯地低于銅。另外，由于銅的密度比鋁大，即使在載流量相同的情況下，鋁導(dǎo)體的截面比銅導(dǎo)體大，但是鋁導(dǎo)體電纜仍要比銅導(dǎo)體電纜輕。

    當(dāng)電纜在高電壓和電流下運(yùn)行時(shí)，交流電流趨向?qū)w表面流動(dòng)（集膚效應(yīng)），另外，臨近的電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)干擾導(dǎo)體中電流的分布（臨近效應(yīng)）。這些影響會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體電阻增加，使得交變電流條件下導(dǎo)體電阻的增值要比直流條件下明顯。因此大截面導(dǎo)體的設(shè)計(jì)可以采用典型的“分割導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)。

2　絕緣材料

    MV電力電纜能夠采用的絕緣材料有很多，甚至包括技術(shù)成熟的浸漬紙絕緣材料，這種材料已經(jīng)成功使用了100多年?，F(xiàn)在，擠包聚合物絕緣已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。擠包聚合物絕緣材料包括PE（LDPE和HDPE），XLPE、WTR-XLPE以及EPR等。這些材料的熱塑性的，也有熱固性的。熱塑性材料一旦受熱會(huì)產(chǎn)生變形，而熱固性材料在運(yùn)行溫度下可保持其形狀。

2.1　紙絕緣

    MV紙絕緣電力電纜已經(jīng)有超過100年的可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。直到今天，紙絕緣電纜損壞的大多數(shù)原因仍然是由于使用在該電纜外部的鉛護(hù)套開裂或被腐蝕，使水分滲入電纜內(nèi)部而導(dǎo)致的。然而需要重點(diǎn)指出的是，在紙絕緣電纜運(yùn)行初期，它們只承載了較小的負(fù)荷且被相對(duì)良好的維護(hù)。但是電力用戶不斷地使電纜承載越來越高負(fù)荷，原來的使用條件不再適合現(xiàn)在電纜的需要，那么原來好的經(jīng)驗(yàn)也就不能代表電纜未來的運(yùn)行狀況也一定良好。近年來，紙絕緣電纜已經(jīng)很少被使用。

2.2　聚氯乙烯

    PVC被用于電纜的絕緣材料是在20世紀(jì)早期，直到PE和XLPE發(fā)展起來，PVC一起都普遍應(yīng)用在電纜的絕緣中，尤其是低電壓等級(jí)的電纜。然而與PE材料相比，PVC在擊穿場(chǎng)強(qiáng)、老化特性、溫度等級(jí)以及耐潮濕性能等方面的劣勢(shì)迅速地顯現(xiàn)出來。另外，在運(yùn)行中PVC絕緣電纜表現(xiàn)了較高的事故率。因此，目前1kV以上電壓等級(jí)的電力電纜已經(jīng)不再使用PVC絕緣。

    PVC現(xiàn)在仍然作為低壓1kV電纜的絕緣材料，同時(shí)也是一種護(hù)套材料。然而，PVC在電纜絕緣中的應(yīng)用正迅速地被XLPE代替，在護(hù)套中的應(yīng)用正迅速地被線性低密度聚乙烯（LLDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）或者高密度聚乙烯（HDPE）所代替，非PVC電纜有較低的全壽命期費(fèi)用。

2.3　聚乙烯（PE）

    低密度聚乙烯（LDPE）從20世紀(jì)30年代發(fā)展起來，現(xiàn)在用于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）和抗水樹交聯(lián)聚乙烯（WTR-XLPE）材料的基體樹脂。PE是一種長(zhǎng)鏈的，熱塑性碳?xì)浠衔锓肿咏Y(jié)構(gòu)，在壓力作用下由乙烯氣體聚合而成。與絕緣相比，由于聚乙烯材料具有低成本、良好的電性能及加工性能、耐潮濕、耐化學(xué)腐蝕和良好的低溫特性，目前已經(jīng)被廣泛使用。但是，聚乙烯材料不具有良好的耐電?性能，導(dǎo)致PE很容易被局部放電腐蝕以及被電暈燒蝕，而且在潮濕環(huán)境和電場(chǎng)共同作用下，易產(chǎn)生水樹。在早期的電纜設(shè)計(jì)中，局部放電和水樹生長(zhǎng)導(dǎo)致電纜的絕緣劣化，并zui終致使電纜的失效。

    在熱塑性狀態(tài)，聚乙烯的zui高工作溫度是75℃，低于紙絕緣電纜的運(yùn)行溫度（80~90℃）。隨著交聯(lián)聚乙烯（XLPE）的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題，交聯(lián)聚乙烯可以達(dá)到或超過紙絕緣電纜的使用溫度。

2.4　交聯(lián)聚乙烯（XLPE）

    XLPE是通過把低密度聚乙烯（LDPE）和交聯(lián)劑（如過氧化物）混合而制成的一種熱固性材料。1963年3月，通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了XLPE。長(zhǎng)鏈的PE分子在硫化過程中發(fā)生“交聯(lián)”，形成了XLPE。XLPE不僅具備了同熱熱塑性PE同樣良好的電性能，還具備了更好的機(jī)械性能，尤其是在高溫度下。XLPE絕緣電纜的zui高導(dǎo)體工作溫度為90℃，過載測(cè)試高達(dá)140℃，短路溫度可達(dá)250℃。XLPE具有*的電介質(zhì)特性，可用于600V到500kV的電壓范圍內(nèi)。

2.5　抗水樹交聯(lián)聚乙烯（WTR-XLPE）

    水樹現(xiàn)象會(huì)減少XLPE電纜的使用壽命。在幾個(gè)月或者幾年的時(shí)間里，水樹的生長(zhǎng)相對(duì)緩慢。當(dāng)水樹生長(zhǎng)時(shí)，水樹電場(chǎng)強(qiáng)度增加，這時(shí)會(huì)在水樹頂部激發(fā)出電樹枝。電樹一旦生成，就會(huì)迅速地生長(zhǎng)，導(dǎo)致絕緣材料性能減弱，以致不再能夠承擔(dān)運(yùn)行電壓，從而致使電纜在生長(zhǎng)水樹/電樹的位置擊穿。可以采用許多辦法來減少水樹生長(zhǎng)，但是zui普遍接受的一種方法是使用為了抑制水樹生長(zhǎng)而設(shè)計(jì)的特殊工程絕緣材料，這種絕緣材料稱作抗水樹交聯(lián)聚乙烯WTR-XLPE。這種材料配合潔凈的半導(dǎo)電屏蔽的使用，加之成熟的制造工藝，消除了許多電力用戶對(duì)使用聚合物絕緣電纜的顧慮。

    有兩種絕緣技術(shù)被廣泛采用，來抑制水樹生長(zhǎng)，每一種都是對(duì)普通XLPE進(jìn)行的改進(jìn)。

    1）   改變聚合物分子結(jié)構(gòu)，即聚合物型WTR-XLPE，有時(shí)也稱為共聚物改性XLPE；

    2）   添加劑改性，即添加劑型WTR-XLPE，有時(shí)也寫為TR-XLPE；

    這兩種情況的XLPE都保持了普通XLPE具有的優(yōu)良的電氣性能（高介電強(qiáng)度和非常低的介質(zhì)損耗）。WTR-XLPE絕緣料在上世紀(jì)八十年代已經(jīng)出現(xiàn)，至今已可靠運(yùn)行了20多年。

2.6　乙丙橡膠（EPR）

    EPR是一種由乙烯、丙烯（有時(shí)會(huì)有第三種單體）共聚而成的熱固性材料，三種單體的共聚物稱為三元乙丙橡膠（EPDM）。在柔軟的共聚物中，添加一系列經(jīng)過設(shè)計(jì)的填料，會(huì)使材料具備良好的熱性能，擠出性能及電性能。這類絕緣以EPR為代表。在較寬的溫度范圍內(nèi)，EPR始終保持柔軟，并且具有良好的耐電暈性能。然而，EPR材料的介質(zhì)損耗明顯高于XLPE和WTR-XLPE。

3　絕緣硫化過程

    交聯(lián)工藝對(duì)所使用的聚合物是特定的?？山宦?lián)聚合物的制造是從一種基體聚合物開始，然后加入穩(wěn)定劑和交聯(lián)劑形成混合物。交聯(lián)過程在分子結(jié)構(gòu)中加入更多的連接點(diǎn)。一旦被交聯(lián)，聚合物分子鏈仍保持彈性，但是不能被*切斷，變成易流動(dòng)的熔融體。

    XLPE絕緣電力電纜采用的交聯(lián)方式基本有兩種：

   1）過氧化物交聯(lián)：未交聯(lián)的絕緣材料被擠包到電纜導(dǎo)體上以后，在硫化管中過氧化物交聯(lián)劑受熱分解，使熔融態(tài)的聚合物發(fā)生交聯(lián)。這種方式適用于XLPE和EPR絕緣材料。過氧化物交聯(lián)方法是zui主廣泛使用的交聯(lián)技術(shù)，已應(yīng)用在MV、HV以及EHV絕緣電纜的制造中。濕法交聯(lián)基本用于低壓電纜的制造，有時(shí)也用于MV電纜。

    2）濕法交聯(lián)：將化學(xué)組分（硅烷）引入到聚合物分子鏈中，當(dāng)這些組分接觸水后，就會(huì)引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)。交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生在絕緣擠出后的固相中。生產(chǎn)MV電纜時(shí)，如果擠出生產(chǎn)線需要生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電纜，并且（或者）制造長(zhǎng)度相對(duì)較短的時(shí)候，濕法交聯(lián)是zui常用的方式。在這種情況下，從產(chǎn)品的角度來講，將擠出過程與硫化過程分開是非常合適的。

3.1　過氧化物交聯(lián)

    生產(chǎn)絕緣材料的*步是從聚合物反應(yīng)器開始的，突出的特點(diǎn)是它由一個(gè)很長(zhǎng)的鋼管組成，這個(gè)鋼管經(jīng)過設(shè)計(jì)能夠承受很高的溫度和壓力，一般也稱作“高壓管”反應(yīng)器。反應(yīng)器被設(shè)計(jì)用來傳送具有相容特性的聚合物，并且避免引入降低聚合物絕緣材料介電性能污染物或者化學(xué)物質(zhì)。實(shí)際上，這就意味著在反應(yīng)器中，聚合物的生產(chǎn)過程和在其組分中所使用的材料必須非常仔細(xì)地控制。

3.2　濕法交聯(lián)

    濕法交聯(lián)過程的關(guān)鍵步驟是如何使化學(xué)活性組分結(jié)合到聚合物骨架上。有三種辦法可以實(shí)現(xiàn)：

    1） Siloplas：使合適的硅烷材料與過氧化物及聚合物在熔融狀態(tài)下混合。在這個(gè)過程中，硅烷接枝到聚合物材料分子鏈上，然后將這樣的材料制成適合電纜擠出設(shè)備使用的粒料。交聯(lián)反應(yīng)催化劑和其他添加劑（抗氧劑和一些加工助劑）在擠出過程中以母料形式加入。這種方法zui主要的缺點(diǎn)是混合物降解在使硅烷接枝到聚合物分子鏈上的擠塑機(jī)中即開始，從而限制了混合物制品的存入周期和工藝性能。

    2） Monosil：這種方法與Siloplas類似，只是在這種方法中，所有組分（包括催化劑、過氧化物、硅烷和穩(wěn)定劑）全部在電纜的擠出設(shè)備中一起混合，因此接技反應(yīng)在電纜的擠出過程中同時(shí)發(fā)生。

    3） EVS：這種方法并不是將硅烷接枝到聚合物分子鏈上，而是當(dāng)聚合物在反應(yīng)器中聚合的時(shí)候?qū)⒐柰榻M分插入到聚合物分子鏈上。這些反應(yīng)器中聚合物可以直接用于擠出。交聯(lián)反應(yīng)催化劑和其他添加劑在擠出過程中以母料形式加入。

4　導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽材料

    半導(dǎo)電屏蔽層被擠出在導(dǎo)體和絕緣的外表面，用來均勻電場(chǎng)，以及把電場(chǎng)包容在電纜絕緣線芯中。這種材料包含了工程等級(jí)的炭黑材料，以使電纜的屏蔽層能夠達(dá)到要求范圍內(nèi)的穩(wěn)定的電導(dǎo)率。

    半導(dǎo)電屏蔽料基于炭黑材料（由碳?xì)浠衔?或者在控制下燃燒制得），炭黑分散在聚合物基體中。炭黑必須保持很高的濃度才能保證屏蔽料具有足夠和均勻的電導(dǎo)率。為保證電纜的半導(dǎo)電電層和絕緣層之間的界面光滑，它們之間的結(jié)合必須*化。光滑的表面非常重要，因?yàn)檫@可以減少電場(chǎng)集中。為了保證這些性能的平衡，使用良好工藝制備的炭黑和基體聚合物是關(guān)鍵的。

    制備半導(dǎo)電屏蔽料需要認(rèn)真考慮的問題與制備XLPE絕緣料相同。因?yàn)橹苽浒雽?dǎo)電屏蔽料時(shí)需要添加炭黑，所以它選擇的基體聚合物材料的化學(xué)特性有別于制備絕緣料的基體聚合物。炭黑和其他重要的添加劑（不包括交聯(lián)劑）被混和進(jìn)入基體聚合物中，制成半導(dǎo)電高分子合成物。用來輸送材料的傳輸和混料設(shè)備能夠使材料均勻的混合。在添加交聯(lián)劑之前可能需要過濾，以進(jìn)一步確保材料的光滑度。