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。

铠装控-制电缆 MKVVP2-22 　　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。

防海水电缆及技术难点

交联聚乙烯绝缘电缆（XLPE）

交联聚乙烯绝缘（XLPE）海底电缆发展于上世纪80年代，多数用于220kV及以下电压等级［1］，其制造和运行经验还远不如充油海底电缆．截止到目前，电压等级zuì高的XLPE交流海底电缆是耐克森（NEXANS）公司正在为位于挪威海的大型OrmenLange天然气田安装的2.2km长的420kV4根单心海底电缆．500kV交流长距离海底电缆，目前应用的仅有充油电缆．

与充油电缆相比，XLPE电缆具有以下优点：

①XLPE电缆是固体绝缘，不需复杂的充油系统，不需要检测油位、控制油压，运行费用低；

②XLPE电缆没有铅护套，弯曲半径小、质量轻，可生产、敷设的长度更长，且在敷设安装和运输时都要比充油电缆简单；

③XLPE海底电缆的电气性能和机械性能也都优于充油电缆．正因如此，XLPE绝缘海底电缆的发展有着更广阔的前景，但也有众多技术问题尚需解决．普通的交联聚乙烯电缆在直流电压作用下，电缆绝缘中的空间电荷会在某处集中，从而造成此处局部场强过高而被击穿．在绝缘材料中采用添加剂可以减缓电缆绝缘中空间电荷累积，使得交联聚乙烯电缆可以用于直流高压供电．2002年，dì一根挤包型单心直流海底电缆（轻型直流电缆，瑞典ABB），电压±150kV，长度40km，容量330MW，用于连接纽约长岛和美国的康涅狄格．这种直流海底电缆采用3层聚合材料挤压成单极性电缆，内外屏蔽层与绝缘层同时挤压，具有高强度、环保和便于掩埋等优点，适用于深海等恶劣环境．

XLPE绝缘直流海底电缆现zuì高电压可达320kV交流电缆绝缘中的等效电容随电缆长度增加而增大，在能量传输过程中，等效电容与电源间不停地进行着充电放电，其充电电流可达到*值而影响正常有功负荷的传输，所以交流海底电缆有个理论上的极限传输距离，多个跨海工程表明，该距离约为40km［3］，超过这个距离，采用交流传输电能就不具经济性了．而直流电缆长度不受充电电流限制，无需无功补偿装置，制造安装简便，介损和导体损耗小，有着良好的市场前景．但高压直流海底电缆还有如空间电荷积累机理及其抑制方法、直流电压下的绝缘老化机理、新开发绝缘材料的*稳定性，局部放电的影响等众多问题有待研究解决．"

一般超高压交流海底电缆都是单心的，但由于3心交流海底电缆可以节省生产和敷设的费用，所以大截面、

高电压等级的3心XLPE交流海底电缆也在逐步推广．2008年，耐克森公司在加拿大敷设了世界上dì一根电压达245kV的3心XLPE绝缘海底电缆．聚乙烯（PE）绝缘电缆和EPR（乙丙橡皮）绝缘电缆乙丙橡皮电缆与XLPE电缆（tgδ≤0.0005）相比，介损正切值tgδ、和介电常数ε都比较大，但与聚乙烯电缆相比更能防止树枝及局部放电，一般只用于中等电压的海底电缆．截至目前为止，zuì高等级的乙丙橡皮海底电缆是2001年安装在意大利威尼斯－穆拉诺－梅斯特（Venezia-Murano-Mestre）的150kV海底电缆．铠装控-制电缆 MKVVP2-22

充气式电缆

充气式海底电缆在结构上与充油电缆很相似，也使用预先浸渍好的纸带做绝缘，再充入带压力的氮气，带压力的气体填充了纸带间的空隙，提高了击穿电压．充气式海底电缆可用于交直流输电，它比充油式电缆更适合于较长的海底电缆网．但由于需在深水下使用高气压操作，故此增加了设计电缆及其配件的困难，该电缆一般限于水深为300m以内．

海底电缆的相关技术问题

海底电缆的防水

当机械应力或外力造成电缆护套及绝缘损伤、接头损坏时，潮气或水分会沿着电缆纵向和径向间隙浸入，降低绝缘的电气强度，因此多数高压海底电缆都具

有防止水分入侵的纵向、径向防水措施．径向措施主要是在绝缘屏蔽和金属屏蔽层外面绕包半导电阻水膨胀带，在金属屏蔽层外面添加金属防水层即金属护套，中压电缆电场强度相对较低，一般使用铝塑复合护套，也有仅用聚合物护套的，高压电缆则采用铅、铝、不锈钢的金属密封套．聚合物护套具有防水性，但却有一定的吸水率，这是因为其结构主要是由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物．结晶相结构紧凑，无定形相中的分子排列疏松，分子间存在较大的间隙．在交变电场的作用下，极性的水分子不断来回翻转，可以透过间隙和晶界缺陷处渗透到绝缘材料中．采用聚合物护套时，护套里要加具有吸水作用的阻水剂．

纵向阻水主要采用①压紧型线心；②在导线之间和缆心屏蔽区添加阻水性物质，阻断水分在缆心中的扩散通道．纵向阻水采用阻水粉填充效果好，它的吸水量为自身的几十倍乃至几千倍，吸水强度大、膨胀率高，吸水后可迅速膨胀形成凝胶状物质，阻塞渗水通道，终止水分和潮气的进一步扩散和延伸，使受潮电缆的长度降到zuì低。