浅述硅橡胶材料的改进与电缆附件产品的创新

1 2009年国际有机硅产业发展高峰会 浅述硅橡胶材料的改进 与电缆附件产品的创新 柯德刚 胡广森 王煜 (永锦集团浙江永锦电力器材有限公司公司，浙江台州，31805 2 浅述硅橡胶材料的改进与电缆附件产品的创新 柯德刚 胡广森 王煜 (永锦集团浙江永锦电力器材有限公司，浙江台州，318050) 电力电缆附件产品的创新与发展与硅橡胶材料的改进紧密相关，电力电缆 附件产品近二十年的演变过程充分说明了，是硅橡胶材料的持续改进、硅橡 胶材料的更新换代、为电力电缆附件产品的创新和发展提供了物质基础。 电力电缆附件是输配电网络的重要装置。电力电缆附件是连接电缆本体及 使电缆与架空输电线、各变电站内设备相连接，实现电能传输的必需装置。 电力电缆附件产品具有其它产品所没有的独特性①（不能在工厂组合为一个完 整产品；工厂只能制造半成品；必须要在施工现场将半成品与电缆精心组合 在一起才成为一个完整的产品），由于这个独特性，由于施工现场环境、施工 工具、施工工艺、施工人员等条件变动较大、电缆本体存在一定缺陷②等原因， 使电缆附件成为故障率比较高的一个产品，成为输配电网络的一个薄弱环节。 故多年来，世界各国的大型电力电缆制造商、电力电缆附件专业研制机构， 均把电力电缆附件的改进和提高列于重要位置。新型的电力电缆附件均提高 了产品的预制化系数。尽可能缩短现场施工时间，减少现场安装的复杂程度， 这些新产品的出现与硅橡胶材料的改进紧密相关。 电力工业用硅橡胶材料的改进和提高，是电力电缆附件产品创新和提高的 一个重要基础条件。经过几十年以来世界各国硅橡胶制造发展商、硅橡胶材 料应用研究机构的不懈努力，已经有一系列的特种硅橡胶制品广泛应用于电 力行业。如WACKER公司早在 1960年代即成立了输配电硅橡胶研发部③，由 早期开发出室温固化硅橡胶到热固化固体硅橡胶再到高粘度液体硅橡胶，近 几年又推出低粘度特种液体硅橡胶。由早期研发出应用于合成绝缘子的硅橡 3 胶到推出可以应用于预制型电缆附件的硅橡胶，再到近年推出可以用于冷缩 电缆附件的硅橡胶。 相对而言冷收缩电力电缆附件对硅橡胶的要求是最高的，它要求硅橡胶具 有优异的绝缘性能、抗漏电起痕能力、良好的憎水、持久的憎水迁移性能、防 水密封性能、散热透气性能。还要求硅橡胶具有一种长期(1-3年)处于扩张状 态，在去掉扩张支撑物后还可以恢复原状的功能，即硅橡胶扩张恢复率。硅 橡胶扩张恢复率这一个要求比较特别，且很难提高。这是摆在硅橡胶研究机 构及制造公司面前的一个难题，我们从 2002年开始在各种与硅橡胶有关的行 业会议上提出这个问题，至今已有近 7年的时间，七年来硅橡胶材料的物理 机械性能、加工性能均有较大的提高。但是比较遗憾的是硅橡胶材料的扩张 恢复率提高的程度还比较少。 一、硅橡胶材料的改进与 10-35KV 电力电缆附件产品的创新 ① 硅橡胶材料与电缆附件的结合起源于热收缩型电力电缆附件④。 早期的交联聚乙烯绝缘电力电缆附件主要结构有两种，一为绕包型、另一 种是铸铁瓷套灌注式（油纸绝缘电力电缆附件）。 当美国瑞侃（Raychem）公司发现了将一种具有“形状记忆效应”的改性聚 合材料，并将这种材料用于电力电缆附件（俗称热收缩型电力电缆附件）以 后，由于热收缩型电力电缆附件重量轻，（只有传统的电缆电缆附件产品重量 的 1/20）安装方便（安装时间缩短了 95%）故传统的电缆电缆附件很快就退 出了市场。 我国研制热收缩管时间较早，但将其用于电力电缆附件起源于 1985 年间。 当时，为了研制这种质量轻、施工方便的热收缩型电缆附件，武汉高压研究 所、吉林辐射化学研究所、长春应用化学研究所、武汉电缆附件厂等单位分 别进行了攻关。为了改善户外用电缆终端产品的抗漏电起痕能力，提高其憎 水性，将乙烯一醋酸乙烯共聚物（EVA）与甲基乙烯硅橡胶（PDMVS）及其它 原料混合在一起进行辐射交联处理。使这种共混料具有“形状记忆效应”， 将这种材料制造的热收缩型电缆附件产品相继通过了产品试验和国家有关部 委的鉴定。并迅速推向市场，应用于全国的电力、石化、铁道、油田、矿山 等系统。伴随着热收缩型电缆附件的研制，硅橡胶开始了应用于 10-35KV电 力电缆附件的历程。 （10KV 热缩电缆终端外形见图 1；实地安装运行见图 2） 4 图 1 图 2 ② 硅橡胶材料的改进与预制型电力电缆附件产品的创新 20 世纪 80 年代末，一种全新的、完全采用硅橡胶制造的预制型电缆附件 在欧洲问世。这种产品由于完全采用硅橡胶材料制造，具有多种优良的特性。 （耐幅射、抗漏电起痕能力强、适用温度范围广、具有优良的憎水性能；安 装后与电缆本体贴合为一体，可以对电缆主绝缘施加恒定的压力，与电缆同 呼吸，能有效降低电缆屏蔽切断处的放电量）。 室温硫化液体硅橡胶的出现为预制型电力电缆附件的发明提供了基础。但 室温硫化液体硅橡胶制造电缆附件的效率很低，制造产品的时间周期长，效 率低，造价高，制约了产品的推广应用。 当高温硫化液体硅橡胶出现之后，预制型电缆附件的制造效率明显提高， 效率提高的结果是直接降低了产品造价，故产品得到了较快的推广。预制型 电力电缆附件的采用明显提高了电缆输电网络的安全运行水平。 （10KV 3 芯户内预制型电缆终端见图 3；10KV 单芯户外预制型电缆终端内 部结构见图 4） 图 3 图 4 1990 年代初我国广东电缆厂从德国西门子公司引进了 10KV 液体硅橡胶预 制型电缆附件产品的全套生产设备、模具和技术，采用德国WACKER公司制 造的液体硅橡胶成批制造硅橡胶预制型电缆附件。并在此基础上开发出 35KV 电压等级的液体硅橡胶预制型电缆附件。紧随其后，长沙、武汉等地也逐步 5 6 使用液体硅橡胶制造 10-35KV 预制型电缆附件。 ③ 选用硅橡胶材料提高 10KV 插拔式可分离连接器的产品质量 电缆分接箱是一种用来对电缆线路实施分接、分支、接续及转换电路的设 备，我国高压电缆分接箱中主要有欧式和美式两大系列。电缆分接箱中采用 的可分离连接器也有两种类型，一是欧式（原料为固体硅橡胶），二是美式 （原料是乙丙橡胶）。美式产品的特点是历史悠久、三层复合，可带电触摸， 安全系数高。但产品体积大、造价偏高、且安装较困难。欧式产品的特点是 设计先进、体积小、安装方便，但是不能带电触摸。 我国电缆附件行业早期简单模仿美式或欧式，现在已经有较多企业对该产 品进行了创新设计，综合了美式和欧式的优点。其要点是采用液体硅橡胶、 采取三层复合的结构、体积小、安装方便、可带电触摸。产品质量和性能已 经超过了原美式及欧式的产品。 ④ 硅橡胶材料改进与 10-35KV 冷缩型电力电缆附件的创新 硅橡胶预制型电缆附件质量可靠、寿命长，能提高电缆网络的安全运行水 平。但一些固有的缺点也制约了其大幅度推广应用：其一，安装比较困难， 尤其是安装小截面三芯地下中间接头时很困难，但是我国目前 10 kV 电压等 级的电缆线路 95%以上为三芯电缆，；其二，各种规格的电缆都要对应库存一 种电缆附件，导致用户库存增加，费用增加，管理难度增大；其三，我国部 分电力电缆生产企业加工的产品主要电气性能合格，但几何尺寸偏差较大， 造成预制型附件不适用等。 为解决上述问题，美国 3M 公司在相关硅橡胶研制公司的协助下，开发出 硅橡胶冷收缩电缆附件，受到了全球的普遍欢迎（冷收缩式电缆附件是利用 特种硅橡胶材料的高弹性， 将特种硅橡胶注射硫化成型为各种管状部件；再 对这种部件进行预扩张到原来的 3倍，将塑料螺旋支撑物置入其中即构成冷 缩电缆附件的部件。现场安装时，将这些预扩张件套在经过处理后的电缆末 端或接头处，抽出内部的支撑管（条），硅橡胶部件自动收缩压紧在电缆绝缘 上构成为电缆附件。因为它是在常温下靠弹性回缩力，而不是像热收缩电缆 附件要用火加热收缩，故俗称冷收缩电缆附件。）我国电缆附件行业近十年以 来已有很多企业研制这种产品，本公司研制的硅橡胶冷收缩附件已于 2001 年 10 月通过了原国家电力公司的科技成果鉴定，评定为达到国内领先技术水平。 8年以来已经有几十万套产品安全运行于全国各地，包括酒泉卫星发射基地等 国家重点工程。 （10KV 单芯冷缩户外终端内部结构见图 5；3芯冷缩户外终端外形见图 6） 图 5 图 6 7 8 冷缩电缆附件产品也有不足之处，也存在一些需要改进和提高的指标。热 缩式电缆附件产品、预制式电缆附件产品都可以存放很长时间，产品性能不 改变。而冷缩电缆附件产品随着存放时间的延长，产品的回弹能力下降，直 接导致产品的性能下降。如前所述有些用户要求产品存放 1-3年，扩张状态 的产品存放 1-3年，去掉扩张支撑物后，要求产品还可以恢复原状，这种要 求比较特别，较难实现，因为在合成橡胶中间，一般认为高温硫化硅橡胶是 压缩永久变形最好的一类橡胶⑤如甲基乙烯高温硫化硅橡胶在 150℃×22h压 缩试验的形变小于 20%。如液体高温硫化硅橡胶 50℃48h200%的拉伸形变小 于 2%，这些在硅橡胶业内认为比较好的指标确达不到冷缩电缆附件产品的实 际需要。 由于 10-35KV冷缩电缆附件产品的应用量大面广，研制一种扩张恢复率高 的硅橡胶专门用于制造冷缩型电力电缆附件很有必要⑥。这种硅橡胶有较好的 市场前景。这需要硅橡胶研究机构及硅橡胶制造公司深入研究，必要的情况 下与电缆附件制造厂联合研究。共同探讨提高硅橡胶扩张恢复率这一个难题 的解决方法。 二、硅橡胶材料的改进与在 110KV 高压电力电缆附件新品种的发展 ① 硅橡胶材料的改进与利用推动了 110KV 交联聚乙烯绝缘电力电缆含绝 缘填充剂电缆终端的改进与发展 早期含绝缘填充剂电缆终端为瓷套式结构（如图 7）。如图所示产品的内 绝缘采用乙丙橡胶制造的预制应力锥控制电场，由于乙丙橡胶加工过程中的 流动性较差，故制品的合格率较低，由于导电胶与绝缘胶结合面或多或少存 在一定的间隙，故只有采取复杂的压紧机构来弥补。采用复合硅橡胶制造的 预制应力锥导电胶与绝缘胶结合面复合良好,成品率高，不需压紧机构，简化 了产品安装工艺。 近几年人们进一步采用硅橡胶制造硅橡胶复合套管替代瓷套，用硅橡胶复 合套管与复合硅橡胶预制应力锥组合，通称硅橡胶复合套管电缆终端。 这种电缆终端产品是硅橡胶材料用于电缆附件产品、实现传统产品创新的 一个经典案例。硅橡胶复合套管电缆终端基本保留了传统瓷套式电缆终端的 结构，但是它克服了瓷套式电缆终端的缺点，它的重量大幅下降，安装方便， 还具有优良的憎水性，尤其是它具有优良的防爆性，可避免产品在偶发性故 障中可能产生的伤人或伤及其它配电设施的现象⑦。硅橡胶复合套管电缆终端 受到了电力系统的普遍欢迎，具有广阔的市场前景。硅橡胶复合套管电缆终 端见图 8。 图 7 图 8 ② 硅橡胶材料的改进与在 110KV 高压电力电缆中间接头产品的更新换代 9 早期 110kV 高压交联电缆中间接头采用绕包式，后改为组合预制式（材料 以乙丙橡胶为主）。 由于低粘度高强度液体高温硫化硅橡胶的出现，人们用这种材料可以比较 方便的制造出一种整体预制型中间接头。外形结构见图 9。 图 9 制造过程是;先将液体半导电硅橡胶制成内屏蔽管、应力锥；然后用液体 绝缘硅橡胶将半导电内屏蔽管、应力锥复合预制成一个整体、再在制品外部 复合一层导电硅橡胶。现场安装时，将整体预制的中间接头用氮气套在电缆 绝缘上即可。硅橡胶整体预制中间接头产品本体质量比绕包式、组合预制式 有明显提高，且现场安装的工艺简化，安装质量也易保证，产品的预期运行 寿命也可以延长。故得到电力部门的充分肯定。目前全国大部分电力公司招 投标都指明要整体预制的中间接头产品。 ③ 硅橡胶材料的改进与 110KV 高压硅橡胶整体预制（无纵向合模缝）电 缆终端产品的诞生 如前所述硅橡胶预制型电缆终端首先应用于 10～35 KV 电缆，随着国际上 硅橡胶材料科学的进步，新型的优质的硅橡胶尤其是特种液体硅橡胶(具有超 常的抗漏电起痕及其优异的机械物理性能)的出现,相关的特种硅橡胶材料加 工装备科技的进步,以及设备的更新换代,为把硅橡胶预制型电缆终端用于 10 110KV 电缆提供了基础条件。 近 10 年国内外均有代表企业将硅橡胶预制型电缆终端应用于 110 KV。它 代表了交联聚乙烯绝缘电力电缆终端的发展方向⑧。 110KV 最新结构的硅橡胶整体预制（大小伞裙交替）无纵向合模缝的电缆 终端由我国浙江永锦电力器材有限公司创新研究成功。这种最新结构的电缆 终端已于 2004 年通过武汉高压研究所进行的型式试验,现已有近千套产品在 电力系统实际运行(运行状况良好)。 这种 110KV 最新结构的硅橡胶整体预制无纵向合模缝的电缆终端,经中国 电力企业联合会 2006 年 2 月组织国家电网公司、南方电网公司、国家电力科 学研究院,、武汉高压研究所、上海电缆研究所，北京、上海、广州、杭州等 供电公司的专家鉴定:达到了同类产品国际先进技术水平。 110KV 硅橡胶整体预制无纵向合模缝电缆终端(见图 10)的技术特点简 介： 图 10 110KV硅橡胶整体预制无纵向合模缝电缆终端 • 产品为整体预制结构,不需现场粘接，消除了安装过程涂抹粘合剂可能 存在的质量隐患,提高了产品的安装质量，保证了产品长期运行质量。 • 硅橡胶整体预制内外均无纵向合模缝，消除了橡胶产品制造过程中合模 缝处可能产生缺陷的影响，提高了产品的预期运行寿命。 • 硅橡胶终端外表面电场强度最高区域采取大小伞裙交替遮盖，降低了终 11 12 端外表面电场强度，提高了产品长期稳定运行的可靠性。 • 硅橡胶整体预制电缆终端产品结构简单，安装过程简化,安装时间大幅 缩短(由五天缩短到半天), 安装质量明显提高。 硅橡胶整体预制无纵向合模缝电缆终端产品结构简单，安装方便,性能可 靠,已经受到电力系统广大用户的好评。但是如果没有低粘度，高强度，高抗 撕，高伸长率的液体硅橡胶作基础材料，这种电缆终端是不可能加工成型的。 如果硅橡胶材料没有良好的电性能、耐老化性能、憎水性能及憎水迁移性能， 也不能把这种电缆终端应用于 110kV 高压领域。 三 结论 国际上以德国 Wacker 公司、美国 Dow Corning 公司、迈图公司为代表的 硅橡胶工业的不断进步，尤其是电力用特种液体硅橡胶的持续改进为我们制 造高质量的电缆电缆附件提供了基础，为我们进行电力电缆附件产品的结构 创新提供了保证。（我国目前也有部分硅橡胶材料公司逐步制造出可以制造电 缆电缆附件的液体硅橡胶材料） 我国电力工业十多年来的持续快速发展为高质量电力电缆附件的创新和 发展，提出了客观要求和明确的市场机遇⑨。即使在这次世界金融危机面前， 这个市场仍然很广阔。 我们需要不断加深用于电缆附件硅橡胶材料的研探（尤其是特种 LSR 液体 硅橡胶），不断提高硅橡胶电缆电缆附件的研制水平和产品质量，不断推出更 新的更实用的硅橡胶电力电缆附件产品。 13 参考文献： 【1】 葛光明. 电力电缆附件 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 集 上海电缆研究所 2008 【2】 蒋佩南.国产交联电缆击穿故障的评定和分析《电线电缆》2006-6 【3】 WACKER WORLD WIDE CORPORATE MAGAZINE 4.8（2009） 【4】 柯德刚.硅橡胶在电力电缆附件上的应用.《有机硅材料》，2002， 16（5） 【5】 冯圣玉、张洁等《有机硅高分子及其应用》化学工业出版社 2004p99 【6】 柯德刚、王煜、《电力电缆附件用硅橡胶》-2006 年热硫化硅橡胶信 息交流会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 【7】 王佩龙 高压电缆附件的选型及品质评测《电力设备》2004.5.(8) 【8】 陈永仁、柯德刚 等“高压交联聚乙烯绝缘电缆终端的研制与创新” 全国电力电缆运行经验交流会论文集 2008 【9】 杨黎明 “中国电缆及附件现状与高压附件的发展” 全国电力电缆 运行经验交流会论文集 2008 主要起草人简介： 柯德刚，男，1953 年出生 从 1974 年开始从事电力电缆附件等产品研究制造 是我国 1-35kV 电力电缆附件产品通用标准；预制型电力电缆附件产品标 准；冷缩型电缆电缆附件产品标准起草人之一 现任永锦集团浙江永锦电力器材有限公司副总工程师 地址：浙江台州市路桥区新安西街区 463 号 邮编：318050 邮箱:kdg5353@yahoo.com.cn