橡套电缆中铜丝发黑的多种原因

铜丝发黑的原因是多种因素造成的，不仅仅是橡皮的配方问题，还与铜丝本身所处的状态、橡胶加工工艺、橡胶硫化工艺、电缆的结构、护套橡胶配方、生产环境等诸多因素有关。

    1橡皮发粘和铜丝发黑的原因分析

　　1.1铜丝本身的原因在廿世纪五十到六十年代，国内大多数厂家均使用普通铜杆，铜含量为99.99%，均为有氧铜杆，生产方法都是铜锭加热后经多道压延后制得黑色铜杆，经过大、中、小拉将铜杆制成比较细的铜丝。因为铜本身不是无氧铜，在加工过程中铜丝表面难免出现氧化。到了廿世纪八十年代，国内引进了无氧铜杆的*生产技术，以及国内自行开发的无氧铜杆生产技术，使整个电线电缆行业均用上了无氧铜杆，这无疑是改善了铜丝的发黑问题。但由于对铜杆的加工，特别是韧炼工艺的掌握以及加工好的铜线芯存放的条件不好，使铜线芯本身已有轻微的氧化，这也是铜丝发黑的原因之一。

　　1.2橡胶配方的原因廿世纪五十年代，橡胶绝缘均采用天然胶和丁苯胶并用配方。由于绝缘橡皮直接与铜线接触，所以就不能直接使用硫磺作硫化剂，即使用很少的硫磺也会使铜线发黑。必须使用一些能够分解出游离硫的化合物，如前面提到过的促进剂TMTD、硫化剂VA-7，同时还要配合一些硫化促进剂来提高硫化速度和硫化程度，确保绝缘橡皮的物理机械性能和电气性能。但从绝缘橡皮的弹性、强力和yǒng久变形看，都不如加有硫磺的橡皮（如果不考虑铜丝发黑的话）。几十年的实践已经证实TMTD无法解决铜丝的发黑问题。另外，绝缘橡皮要有各种颜色，红、蓝、黄、绿、黑是基本颜色，这些颜色的出现也会促使橡皮发粘和铜丝发黑。配方中的主要填充剂是轻质碳酸钙和*，由于价格的关系，有些厂家为了降低成本，用价格特别便宜的碳酸钙和*，这些填充剂粒子粗、游离碱的含量大、杂质多，所以物理机械性能比较差，电性能不好，还容易造成铜丝发黑。还有的厂用活性超细碳酸钙来提高绝缘橡皮的物理机械性能，而活性钙多数是用硬脂酸来处理的，这种酸也是促使铜丝发黑的原因。硫化剂VA-7的使用，可以改善铜丝发黑，但由于硫化程度不够，橡皮的yǒng久变形大，会造成橡皮发粘。特别是加入促进剂ZDC以后，提高了硫化速度，为了防止焦烧，还要加入促进剂DM来延缓焦烧时间。从促进剂ZDC的结构看，是在TETD结构中两个相连接的硫中间接上一个金属锌，结构式为： S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-Zn-S-C-N＜ H5C2 H5C2 与TETD结构式 S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-S-C-N＜ H5C2 H5C2 十分接近，在配方中还无法避开和秋兰姆相似的结构铜丝发黑可能时间略长一点，但没有从根本上解决。

　　2从电线电缆结构分析

　　2.1铜的催化老化是橡皮发粘的重要原因前苏联电缆科学研究院试验证明：硫化过程中铜从与橡胶接触处渗入到绝缘橡胶中，1.0-2.0mm厚度的绝缘橡皮含铜0.009-0.0027%。*，微量铜对橡皮有*的破坏作用，也就是我们通常说的重金属对橡胶的催化老化。在绝缘硫化过程中，秋兰姆析出若干游离硫与铜反应，形成活性含铜基团： CH3 │ CH2-CH-C-CH2- │ │ S S │ │ Cu Cu 在老化时，较弱的-S-S-键断裂，形成活性含铜基：Cu-S-，它与橡胶作用，同时与氧作用，破坏橡胶的长键分子，使橡胶变软变粘，是低分子链的组合。法国橡胶研究院研究发粘重现问题时也指出：如果橡胶中含有有害的金属，如：铜、锰等重金属盐类，那么不管促进剂的种类，均会发生橡胶发粘现象。

　　2.2橡套电缆中硫磺向绝缘橡皮和铜线表面的迁移前苏联科学家应用放射性同位素证实了电缆护套橡胶中硫扩散的可能性。以天然橡胶为基的硫化胶中，在130-150℃的温度下，游离硫的扩散系数约为10-6cm2/s。连续硫化的生产厂，硫化护套橡胶时，温度在185-200℃之间，这个扩散的系数就更大。由于橡套游离硫的扩散，改变了秋兰姆橡胶的结构，可能形成多硫键。这些多硫化合物通过化学分解和化合实现迁移，即"化学扩"。由于迁移的结果，不仅可改变绝缘橡皮的结构，降低其耐热性，而且硫与铜表面反应，形成硫化铜和硫化亚铜，导致铜线发黑。反过来，硫化铜和硫化亚铜加速橡胶的老化，又导致发粘现象的发生。

充油通信电缆 -HYAT 100X2X0.4　　3加工工艺方面的原因

　　3.1橡料加工方面的原因在以天然胶和丁苯胶并用为基础的绝缘配方中，天然胶需要通过塑炼来提高橡胶的可塑性。有些大厂为了产量，用密炼机塑炼，还要加入少量的化学增塑剂--促进剂M来提高塑性。如果塑炼温度和生胶滤橡时的温度控制不好，出现140℃以上的高温，当生胶放到开炼机上缓慢通过滚筒，而上面的积胶由于受到热氧和促进剂M的同时作用，会发现橡胶表面好象涂了一层油，实际上是橡胶分子在化学增塑剂的促进下断链比较严重，产生了比较软和粘的较小分子量橡胶。虽然后来与丁苯胶并用混炼出绝缘橡料，这些小分子量的天然胶被均匀地分散在胶料中，这些胶料挤包在铜丝上进行连续硫化后，当时可能看不出什么问题，但已经为橡胶粘铜丝埋下了一个隐患，也就是说，这些小分子量的天然胶将首先出现局部粘铜丝现象。绝缘橡皮加硫化剂和促进剂的工艺也十分重要。有些小厂在开炼机上加硫化剂，就是将装有硫化剂的罐子，在滚筒的中部倒入，中间很多，而两边较少。当硫化剂吃入橡皮中，翻三角的次数较少，会使硫化剂在橡料中分布不均匀。这样在挤包连续硫化时，含硫化剂比较多的地方很容易出现铜丝发黑现象，在发黑的地方时间一长，还会出现橡皮粘铜丝的现象。

　　3.2绝缘橡皮硫化方面的原因有些企业为了追求产量，连续硫化管只有60米长，蒸汽压力是1.3Mpa,而硫化速度要开到120米/分，这样绝缘橡胶在管中的停留时间只有30秒。橡皮本身是热的不良导体，绝缘线芯表面温度大于190℃，当温度传热到与铜线接触的里层橡皮时，又被铜线吸热，铜线升温到与里层橡皮温度接近时，硫化的橡皮电线芯已经出硫化管了。这样里层橡皮温度比较低，大约为170℃，停留只有几秒钟就出硫化管，进入冷却和收线，绝缘橡皮就会硫化不足。为了达到足够的硫化。促进剂TMTD的用量（作硫化剂用）高达3.4%，过量的硫化剂，在硫化过程中放出的游离硫也多，除供交联橡胶分子外，还有多余的游离硫。这是促使铜线表面发黑的原因。

　　总之，解决铜线发黑的问题，难度仍然较大，从铜丝到橡皮的每一道工序都要认真对待，才能取得较好的效果。胶种选择和硫化体系的采用仍是问题的关键所在。这个问题的解决需要经历时间的考验。

浅谈低温柔性电缆性能要求及测试方法

一般来说，风场位于特殊气候条件的恶劣环境中，例如，强风、强紫外线和含盐度很高的空气等。正因如此，风电应用中的电缆性能无疑比其它应用更高。而风机内的运动部件进一步提高了正确选择电缆的重要性。"

现有风场的维护和新的大规模风场开发都需要考虑采用高等级的电力电缆、数据与控制电缆和通信电缆，它们决定了电网和通信系统的互连质量。单个风电机组所需的电缆数量比人们想像的要多。例如，一台90米高的1.25MW风力发电机需要约1km的电力电缆。这样算，50MW装机容量的风场将需要40km的电缆。

风电机组工作在恶劣环境，这种环境一般具有宽温度范围(约-40℃至50℃)、并且暴露在*紫外线的照射下。因此，要达到预期的使用寿命，所使用的特殊电缆需要能够承受-40℃的低温及可抵御紫外线的辐射。对风机内的运动部件而言，电缆应具有优异的扭转和弯曲柔韧性，并具有很小的弯曲半径。电缆还需要能抗燃料、抗冷冻剂、耐油、耐腐蚀性化学品及抗磨损。如果风场是靠近海岸的陆地或位于海上，电缆都还必须耐高含盐水的侵蚀。出于ān全考虑，除上述要求外，还要求电缆具有阻燃性。在某些情况下，还要求低烟、零卤素(LSZH)材料和EMI保护等其它特性。

综上所述，风电应用中使用的电缆一般应满足以下要求：

(1) 导线

为尽量提高柔曲性，*设计工程师只使用多股数的退火软铜线。在弯曲绕折类应用中，采用短的同心绞线构造；在扭转绕折类应用中，采用长的同心绞线构造。面积大于6mm2(10AWG)的导线要求使用复合绞线结构。

(2) 绝缘

为增加低温柔韧性，通常选择热塑性橡胶(TPE)、乙丙橡胶(EPR，一种EPM或EPDM)或硅橡胶(SiR)作为绝缘材料，以抵抗臭氧腐蚀和发热引起的老化。PVC/尼龙绝缘由于具有高电介强度也得到了广泛应用。

(3) 护套

电缆护套既可以是诸如聚氯乙烯(CPE)、聚氯丁烯(氯丁橡胶)、氯磺化聚乙烯(CSPE)合成橡胶等热固性化合物；也可是类似TPE、TPE-PVC合金和聚亚安酯等热塑性化合物。这些材料都具有抗油、抗燃料、耐溶剂腐蚀等能力，并且在低温下具有出色的柔韧性。这种特性使其成为风电电缆的理想护套材料。

应当注意，电缆结构也是电缆柔韧性的决定性因素。采用平衡结构的对称导线设计通常具有高柔韧性。

即使电缆制造时遵循这些一般规则，仍强烈建议进行*的测试，以仿真"实际"应用。

电缆测试方法和程序

根据风向，需要由偏航驱动器调整风机角度。电力、控制和通信电缆要么沿水平轴弯曲，要么沿垂直轴旋转。这就对扭转挠曲性要求更加严格，也需要更多关注。虽然目前没有扭转挠曲性方面的标准或法规，但zuì终用户通常仍追求电缆在投入使用前能通过某些方式的测试。

下面是电缆行业中zuì终用户采用的一般测试方法。

(1) 单根电缆在低温(-40℃)下的扭转应力测试：

将一根10米长的垂直悬挂电缆样品的顶端固定，底端绑定到一个旋转装置上。首先，将电缆顺时钟扭转4圈(+1440o)，然后逆时针回转4圈，恢复到原始位置。接着将电缆逆时针扭转4圈(-1440o)，然后顺时针回转4圈，恢复到原始位置。重复上述整个过程5000次以模拟20年的使用情况。如果在2.5U0条件下经过5分钟，电缆没被击穿、护套也没有裂纹，那么这根电缆就通过了测试。充油通信电缆 -HYAT 100X2X0.4

注意：取决于电缆的电压等级，U0可以是600、1000或2000V。

(2) 一束电缆的扭转应力测试

测试程序与(1)相同，只是换成了电缆束。

风电电缆标准

目前还没有专门针对风电应用中使用电缆的标准。许多电缆制造商遵循IEC 60228 Class 5或6(类似于DIN VDE 0295 Class 5或6、HD 383、GB/T 3956 Class 5 或 6)标准，使用光面或镀金属的退火多股铜线作为风电电缆导线以获得所需的柔韧性。有趣的是，IEC 60228只为电力电缆规定了导线的标称横截面面积和导线中电线的数量和尺寸，这给电缆制造商提供了很大自由度。因此，即使电缆满足IEC 60288 Class 5或6的要求，电缆性能也经常会不尽如人意。而UL 62(涉及多个ASTM标准)不仅规定了导线中每股电线的尺寸和数量，还规定了导线结构(如同心绞线、复合绞线和集合绞线等结构)，这些都是电缆柔韧性性能的关键。至于绝缘和护套，许多制造商遵循DIN VDE 0207-20和DIN VDE 0207-21。HD 22.1、HD 22.4、UL 44和UL 62也成为电缆生产的通用标准。

诸如UL 758、UL 1581、UL 1277、UL 2277、IEC 60332等其它标准也经常被用于支持一些额外特性，如风机机架电缆(WTTC)规范和可燃性等级要求。

由于欧洲国家早于北美国家开发用于风能市场的电缆，因此电缆制造商目前更多的采用欧洲标准。尽管如此，类似的美国UL标准具有相同功用，且在某些情况下，UL标准对风能应用有更严格的要求。