挤包绝缘电力电缆的历史

本文节选自《电力电缆工程》（原书第三版），正如该书第一版序言中描述的“电力电缆工程的历史精彩纷呈，其中既包含巨大的成就，也伴随着未曾预料的失误。”从挤包绝缘电力电缆的历史，可窥一斑。

本文省略了电报线路、纸绝缘电缆的历史，感兴趣的可查阅原书。

从它们的历史可以看出，通讯的需求推动了电报线路的产生和发展；城市建设的需求（1884年，纽约市颁布了强制拆除街道所有架空线的法令，在相同的时代，华盛顿和芝加哥，也禁止安装架空线路）推动了地下配电系统的发展，尤其推动了地下电缆的发展。

本文罗列了挤包绝缘电力电缆的应用历程，展现了需求、经济性、问题等因素是如何促进电力电缆在材料、生产、易于施工等方面发展的，也揭示出“电力电缆发展史主要是电缆绝缘材料的应用史”。

以下是原文：

1.7 挤包绝缘电力电缆

   天然及合成聚合物在工业上的应用（第二次世界大战期间及战后）使这一技术逐渐用于电缆绝缘。与纸绝缘电缆相比，这些聚合物可以挤出成型。最初使用的是天然橡胶，随后也采用合成橡胶。随着材料的发展，丁烯橡胶一度成为绝缘材料的选择之一。技术的进一步发展引人更新的合成橡胶聚合物，如氯丁橡胶（1931年）、氯丁二烯和氯磺化聚乙烯（1951年）。这些新型聚合物的研发促进了材料特性和加工技术的提升（如长期耐老化或阻燃性能）；它们在不同的场合同时得到应用。20世纪60年代，乙丙橡胶（EPR）作为丁烯橡胶的替代品，用于电缆绝缘，不过它的用量一直很平稳，直到20世纪80年代才有明显增加。值得注意的是，弹性体绝缘性能的提高不仅与聚合物本身有关，还与添加剂的特性有关。

  高分子量聚乙烯（HMWPE）不属于弹性体，可以挤出成型；它的发展（始于1941年）引发了输配电用电缆绝缘的显著变化。热塑性聚乙烯实际上是在二战中作为高频电缆绝缘开始使用。1947年，HMWPE作为绝缘材料用在15kV电缆上。它的广泛应用始于20世纪60年代早期，即城市地下配电系统出现的时候。在20世纪60年代中期，常规HMWPE成为美国迅速扩张的地下住宅配电系统选用的材料（注：“需求驱动创新”）。与丁烯橡胶相比，它的电气性能和防潮性更优。这些线路选用的电缆规格为#2和#1/0AWG。聚乙烯应用的优势地位一直持续到20世纪70年代中期。

  对HMWPE、交联聚乙烯（XLPE）、EPR等现代绝缘材料的深人讨论参见本书第5章“电气绝缘材料”。

1.8 存在的问题

   20世纪70年代中期，早期敷设的挤包绝缘电缆的故障报告出现在世界许多地区。“树”这一概念再次引入电缆工程师的词汇中。这次它不再与纸绝缘电缆中的含义相同。关于“树”的更多信息参见第17章。

  1976年，美国一些和电力研究院的研究报告证实，一些热塑性聚乙烯绝缘电缆（HMWPE）投运不到5年就开始发生故障，而且故障率迅速上升。到1980年，中压HMWPE绝缘电缆在北美停止使用。

（注：故障带来了临时的不便，降低了供电可靠性，但也推进了材料等关键问题的改进。）

  XLPE表现出明显较低的故障率，但早期它未能广泛应用（注：符合一切新生事物的发展规律）。欧洲UNIPEDEDIS-CAB公布的报告数据也证实了同样的运行状况。XLPE自1963年开始实现商业应用，但它稍高的一次成本使其仅限于较重负荷的馈电电缆。到1977年，XLPE成为中压电缆的绝缘材料。

  这些问题的深度和广度促使业界对一次电压的电缆进行调整和改进，主要包括：

  1）研究工作开始集中在解决问题的方案上。

  2）电力公司开始撤换运行状况最差的电缆。

  3）部件材料供应商致力于产品的提升。

  4）电缆制造商改进工艺和处理的技术。

（注：正如《电力电缆及附件专业领域现状与发展分析（四）》文中所说

电力电缆领域的总体水平不高，这也是行业的主要“短板”之一，还有许多其他“短板”及薄弱环节，诸如：高压及超高压电缆及其系统的基础研究、超净树脂的合成技术与工艺装备、国产中高压电缆材料的性能稳定性、包括基础器件及元件和辅助材料等的产业配套能力、电缆的长期使用可靠性等。

这些“软肋”及“短板”，是我国实现线缆强国的障碍和拦路虎，但也是我们努力跨越障碍和持续创新的的奋斗方向。

解决这些“软肋”和“短板”，需要动员和组织全产业乃至于上下游产业联合攻关，更需要政府和行业机构的大力协调、积极支持和有效组织开展各项工作。）

1.9 中压电力电缆的研制

   20世纪60年代中期，普通聚乙烯成为美国快速增长的城市配电系统选用的。因为它防潮性能优于丁烯橡胶，且能够挤出成型。它与导体半导电包带和绝缘屏蔽组合使用；后两者通过加入炭黑实现半导电特性。到1968年，几乎所有城市配电系统都由中压聚乙烯绝缘电缆构成。一般认为聚乙烯是“高分子量”（HMWPE）的材料。简单地说，这表明它的“平均分子量”很高。分子量越高，电气性能越好。分子量最高的聚乙烯因可以挤出而得到应用。那时的电缆较少采用护套结构。

  1965~1975年间，挤包热塑性屏蔽引入电缆结构中，它使得电缆的工艺更简单、性能更稳定。

  1959年，Frank Percopio博士申请了首个关于XLPE的专利,一种添加炭黑的复合材料；1963年他又申请了关于不添加炭黑材料的专利。受工程造价的巨大压力，必须将城市地下配电系统的成本控制到与架空系统相近的水平，所以XLPE没有得到广泛的应用。造成较高成本的原因，一是制备时需加入添加剂（交联剂）；二是生产需要大长度的连续硫化（CV）管。同一时期，EPR也引入了电缆领域。但明显较高的材料成本使用户难以接受这种电缆，直到20世纪80年代它才用于电力系统。

  XLPE和EPR的常规运行温度和应急运行允许温度都比较高，使其成为商用和工业用馈电电缆的选择。这两种材料不像HMWPE那样会发生熔融和流动。

  为了方便接头和终端制作，20世纪70年代早期XLPE电缆的绝缘屏蔽为热塑性，这与HMWPE电缆相同。其后出现了屏蔽过热变形的情况，致使线路载流量要求值减小。因此，20世纪70年代后期电缆改为交联型绝缘屏蔽。

  双层共挤工艺也用于电缆绝缘生产，即导体屏蔽和绝缘一次挤出。未完成绝缘屏蔽挤制的电缆收在线盘上，通过另一台挤出机，挤制绝缘屏蔽层。这有可能使杂质落人绝缘表面。一旦采用了交联型绝缘屏蔽料，就能利用“三层”挤出，一次走线完成电缆绝缘挤包（两台挤出机串行布置）。随后出现了“真正的三层共挤”，即三台挤出机送料至一个机头，同时挤出三层绝缘。

  20世纪70年代中期出现抗水树的聚乙烯材料（TR-HMWPE）。它的商业应用有限，未成为市场上的主流材料。

  1976年左右，出现了另一种选择。供应商提供“抗形变”热塑性绝缘屏蔽料。这是一种“热固性”材料的尝试，因而提高了电缆的额定工作温度。在真正的热固性屏蔽料出现后，这种方法就停用了。

  到1976年，各种材料的市场份额为：XLPE约占45%，HMWPE约占30%，TR-HMWPE约占20%，EPR约占5%。

  20世纪70年代后期，引入了可剥离热固性绝缘屏蔽料。这使用户可以安装“高温”的XLPE；与之前不相容的屏蔽料相比，制作接头时，这种聚乙烯更易于剥离。

  到1980年，护套的选用逐渐增多。1972~1973年间，越来越多的事实表明电场作用下由于水分的存在会产生“水树”，从而导致电缆寿命缩短。护套可以减少水分侵人。这使人们认识到利用护套结构可以控制或延缓水树的产生。到1980年，市场上销售的电缆40%都有护套。

  20世纪80年代，EPR电缆变得更加普遍。这是由于70年代中期有一项技术突破，使得EPR材料可以像XLPE绝缘一样在相同型式设备上挤出。尽管加工性能有了上述改进，但与XLPE相比，EPR电缆较高的成本影响了其应用推广。

  1981年，产生了另一项革新，即“干式硫化”电缆研制成功。截至此时，硫化或交联工艺都采用高压蒸气实现。由于水对电缆长期寿命的影响，去除水分成为当务之急。最终，人们认识到：XLPE生产的“干式硫化”工艺既可使工艺过程更高效，还能去除蒸气工艺的不利影响。

  另一个重要转折点发生在1982年，抗水树交联聚乙烯（TR-XLPE）开始应用。与普通XLPE相比，该产品体现出优越的抗水树性能，现在已经替代普通XLPE的市场份额。到1983年，HMWPE和TR-HMWPE在市场上彻底消失。

  到1984年，市场份额大体上为XLPE约占65%，TR-XLPE约占25%，EPR约占10%。当时一半销售的电缆具有护套。

  20世纪80年代后期，一个主要的变化是开始使用填充绳。尽管这种工艺已经为人所知近十年，但大批制造商对挤出型“胶状”材料的控制更深的理解却刚开始。这种材料可作为一种储水介质，阻止水分在绞合线芯间纵向侵人，并消除导体中大部分间隙。

  20世纪80年代后期，另一项电缆材料的重大改进实现更为光滑和洁净的导体屏蔽。80年代电缆材料和中压电力电缆挤出工艺的显著改进使电缆预期寿命可以达到30年或40年，甚至60年（如果采取了所有适当的措施）。1995年，市场份额变成TR-XLPE约占45%，XLPE约占35%，EPR约占20%。

参考文献：

[1] (美)WilliamA.Thue等著;孙建生,徐晓峰等译. 电力电缆工程（原书第三版）.北京：机械工业出版社，2014.