电力电缆的材料及特性

电力电缆的材料及特性

一、电力电缆的导体材料

1.导体材料的物理性能

电缆线芯的作用是输送电流。为减小电缆线芯上的电压降和功率损耗，电缆线芯一般用具有高电导率的铜或铝制成。

铜作为电缆线芯具备许多优异的物理性能，如电导率大，机械强度高，工艺性好，容易加工，易于压延、拉丝和焊接，同时还耐腐蚀，是作为电缆线芯被最广泛采用的金属材料。铝是导电性能仅次于金、银、铜的导电材料，它的矿产资源比铜的更为丰富，价格较低，因此也被广泛采用。铜与铝的物理性能见表8-3。

从表8-3中可以看出，铝的机械性能与导电性能均比铜的略差，但对于敷设安装后固定的电缆线路来说，导体在运行过程中一般并不承受很大的拉力，只要导体具有一定的柔软性和机械强度，易于生产制造和施工安装，就能满足作为电缆导体的基本要求。所以铜和铝这两种导体均能用来制作电缆线芯。

从导电性能看，铜在20℃时电阻率为0.01724×10*Ω·m，铝的电阻率比铜大，为0.0263×10-Ω·m，是铜的1.64倍。要使同样长度的铜线与铝线具有相同的电阻，铝线芯的截面积是铜线芯的1.64倍，直径是铜线的1.28倍。但由于铝的密度比铜小很多，即使截面积增大到1.64倍，铝线芯的重量也只有铜线芯的1/2。从表8-3中还可以看出，铝的电阻温度系数比铜的大，换言之就是随着温度的升高，铝的通流能力比铜的下降的快。

在城市中，电力通道越来越拥挤和珍贵，为了节省空间，主网中基本上只采用铜芯电力电缆。

经过上述分析可知，由于铝的电阻率比铜大，在导电能力同等时铝线的直径较大，无形中增加了电缆绝缘材料与保护层材料的用量。另一方面，铝线质量比铜线轻一半，加上铝线的截面大，散热面积增加，实际上要达到同样的负载能力，铝线截面只需达到铜线的1.5倍就可以了，由于这些原因，铝芯电缆还有着足够的经济价值。

从安装运行来看，铜的性能比铝优越。铜线芯的连接容易操作，不论采用压接还是焊接，均容易满足运行要求。而铝线芯连接就比较困难，运行中的接头还容易因接触电阻增大而发热。

铜对于充油电缆的矿物油、油纸电缆的松香复合浸渍剂、橡皮电缆的硫化橡胶等有加速老化的作用。在此情况下，可使用表面镀锡的铜线芯，使铜不直接与这些物质接触，以降低老化速度。采用镀锡铜线提高了电缆的质量，也使线芯的焊接更加容易。

2.导体材料电阻温度系数的计算

导体的电阻都会随着温度的升高而增加。所谓导体的温度系数是指单位温度（摄氏）电阻变化的绝对值与室温（20℃）时该导体电阻的比值。

二、电力电缆的绝缘材料

作为电缆绝缘层的材料除满足前述基本性能的要求以外，价格还应当便宜。绝缘材料的价格对电缆的造价影响很大，价格昂贵，就不能大范围使用。常用的电缆绝缘材料有电缆纸及浸渍剂、聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、乙丙橡胶、硅橡胶等。

1.电缆纸

电缆纸的基本成分是木质纤维素，它常用软木中的松杉料如黄柏、白松、红毛杉等木材制成。

它具有很高的稳定性，不溶于水、酒精等有机溶剂，同时也不与弱碱及氧化剂等起作用，因此，纯纤维素做成的纸经久耐用。纤维素纸具有毛细管结构，它的浸渍性远大于聚合薄膜，这是聚合物薄膜未能取代纤维素纸的主要原因。

纸具有很大的吸湿性，纸内含水量的大小对纸的电气性能影响很大。电缆纸中含水会大大降低其绝缘电阻和击穿场强，并使介质损耗增大。因此，浸渍纸绝缘电缆在浸渍前必须严格进行干燥，除去纸中的水分。由于水分会渗透到纸的微细孔中，所以干燥过程都在高度真空下进行。

2.浸渍剂

浸渍纸绝缘的浸渍剂按其黏度可分两大类，即黏性浸渍剂和高压电缆油。常说的浸渍剂是指35kV及以下浸渍纸绝缘电缆用的，它实际上是光亮油和松香等的混合物，由于现代化学工业的发展，合成微晶蜡逐步代替了松香。

黏性浸渍剂也有两种。一种叫普通黏性浸渍剂，用于油浸纸绝缘电缆，在工作温度下浸渍剂是流动的，所以必须限制电缆的敷设落差。另一种是不滴流浸渍剂，用于不滴流电缆，在工作温度下浸渍剂是不流动的，所以电缆不受敷设落差的限制。不滴流浸渍剂在工艺温度时具有良好的流动性，以保证电缆绝缘纸得到充分的浸渍，但在电缆运行温度范围内，它不能流动而成为塑性固体。不滴流浸渍剂的电气性能与黏性浸渍剂大体相同，但它在80℃以下是不流动的塑性体。

高压电缆油要求黏度低，具有良好的流动性。主要用作充油电缆浸渍剂的是矿物油和合成电缆油。

3.聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯（PVC）塑料是以聚氯乙烯树脂为基础加入稳定剂、增塑剂、着色剂等物质按一定比例配合而成。由于其具有机械性能优越，耐化学腐蚀，不延燃，耐气候性好，有足够的电绝缘性能，容易加工，成本低等优点，因此广泛用做电线电缆的绝缘和护套材料。

4.聚乙烯（PE）

聚乙烯是由单体乙烯聚合而成的高聚物。乙烯是最简单的烯烃，常温常压下为无色可燃性气体，稍具烃类臭味，沸点-103.8℃。由酒精脱水制备和由石油的热裂化制得是单体乙烯的两个来源。

聚乙烯分子中，分子结构对称，不合有极性基团，因此具有优良的电绝缘性能。有如下几个特点∶

（1）介电常数和介质损耗角正切值很小，并且在很宽的范围内几乎不变，因此是很理想的高频绝缘材料。电缆绝缘的介电常数ε为2.3，电缆绝缘的介质损耗角正切值tanδ为0.0001。

（2）聚乙烯的分子量对电绝缘性能影响不大。

（3）聚乙烯的体积电阻系数和击穿场强，在浸水7天后仍然变化不大，因此适合用于水下电气产品，如潜水电缆、海底电缆等。

5.交联聚乙烯（XLPE）

聚乙烯虽然具有一系列优点，但耐热性和机械性能低，蠕变性大及易产生环境应力开裂，妨碍聚乙烯在电缆绝缘中的应用。目前为了克服这些缺点，除在绝缘料中加入各种添加剂外，主要途径是采用交联法，即利用化学或物理方法将聚乙烯的分子结构从直链状变为三维空间的网状结构，称为交联聚乙烯。交联聚乙烯克服了聚乙烯的缺点，机械、耐热、抗蠕变以及抗环境开裂性能大大提高，同时还保持了聚乙烯的优良性能。

交联聚乙烯的生产方法∶绝缘的水解反应和交联反应是在绝缘挤出后完成的，反应过程必须具备水和温度两个必备条件，通常把挤出的硅烷交联绝缘线芯放在热水或蒸汽房中进行交联。

硅烷交联绝缘的优点是设备投资少、工艺简单，缺点是绝缘中的水分含量较高，只能用于低压电缆。

三、电力电缆的屏蔽材料

油纸电缆的导体屏蔽材料一般用金属化纸带或半导电纸带。绝缘屏蔽层一般采用半导电纸带。

半导电纸有单色和双色两种。半导电纸是在纸纤维中掺入胶体碳粒所制成的纸。半导电纸的表面不应有皱纹、折痕及各种不同的斑点;纸面不应有穿孔、裂口和光线通过的小孔以及肉眼可见的金属杂质微粒。金属化纸是用电缆纸作基材，用黏合剂粘合铝箔后形成的复合纸带，铝箔必须紧密地粘贴在电缆纸上，不应有脱胶和气泡存在，边缘应整齐，不应有锯齿形和倒刺现象。

塑料、橡皮绝缘电缆的导体或绝缘屏蔽材料分别为半导电塑料和半导电橡皮。是在各自的基材中加入导电炭黑获得的，一般应采用细粒径、高结构的炭黑。当炭黑加到一定数量后才显出导电性能，这时电阻迅速降低，以后随用量增加电阻逐渐减小，并接近各种炭黑自己的特性值。

应注意交联聚乙烯半导电层呈空间网状结构，用砂纸打磨后，导电性能明显降低，可通过加热的方法使内层炭黑析出，恢复导电性能。

四、电力电缆的护层材料

1.常用的金属护套

按照加工工艺不同，有热压（连铸连轧）金属护套和焊接金属护套两种。金属材料的选择主要从4个方面进行考虑，即容易加工，机械强度高;非磁性材料;较好的导电性，较低的电阻率;良好的化学稳定性。目前投入实际应用的有铅护套、铝护套、铜护套和不锈钢护套。其中，铅护套和铝护套是最常用的两种金属护套。

2.铅护套及铅的主要物理性能

铅护套加工工艺主要采用热挤包。其厚度受电压等级、截面、载流量、系统接地电流、机械强度等的影响。110kV电缆和220kV电缆应分别符合《额定电压110kV（Um=126kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第2部分∶电缆》（GB/T11017.2-2014）和《额定电压220kV（Um=252kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第1部分;试验方法和要求》（GB/T 18890.1-2015）的相关规定。

铅的主要物理性能∶

（1）密度为11.34 g/cm³。

（2）熔点为327℃。

（3）20℃时，线膨胀系数为29.1×10-5/℃。

（4）电阻率为22×10-8 Q·m。

（5）抗拉强度为18~20 N/mm²。

铅容易加工，化学稳定性好，耐腐蚀。缺点是机械强度较差，具有蠕变性和疲劳龟裂性。我国目前用作电缆金属护套的铅是合金铅，其成分是铅、锑、铜，含锑0.4%~0.8%，含铜0.02%~0.06%，其余为铅。经试验，在相同应力作用下，铅锑铜合金的耐振动疲劳次数约比纯铅大2.7倍左右。

3.铝护套及铝的主要物理性能

铝护套加工工艺主要采用热压连铸连轧和氩弧焊接两种。其厚度也受电压等级、截面、载流量、系统接地电流、机械强度等的影响。根据GB/T 11017.2的规定，110kV电缆一般是2.0~2.3mm;根据GB/Z 18890.2的规定，220kV电缆一般是2.4~2.8mm。

铝的主要物理性能∶

（1）密度为2.84 g/cm³。

（2）熔点为658℃。

（3）20℃时，线膨胀系数为23.7×10-61℃。

（4）电阻率为 2.8×10-8Q·m。

（5）抗拉强度为70~95 N/mm²。

铝的蠕变性和疲劳龟裂性比铅合金要小得多，因此，铝护套电缆的外护套结构可以大大简化，直埋敷设时无需用铜带或不锈钢带铠装。缺点是铝比铅容易遭受腐蚀;搪铅工艺比铅护套电缆要复杂。