电缆护套材料自修复性能的评价方法研究

    林木松 李丽 彭磊

    

    

    

    摘 ?????要： 电缆外护套绝缘材料在运行或者施工时，由于老化或机械损伤造成绝缘材料绝缘性能下降，导致停电、漏电等故障，造成严重经济损失，引发严重的安全隐患。而现有的修复不仅存在效果差，而且还需要依靠故障定位技术。由于电网线路长，架接方式复杂，现有修复难以满足生产需要。在对材料自修复技术研究的基础上，研发了新型的自修复电缆外护套绝缘材料。自修复性能评价是研发新材料必须关注的问题，一方面新材料是否具备自修复性能需通过评价方法进行评价，另一方面，材料合成配方优化及性能改进也需要在评价的基础上进行。在自修复研究基础上，提出了采用拉伸试验和显微法来评价自修复性能。

    关 ?键 ?词：电缆护套材料;自修复;性能评价

    中图分类号：TQ 01 ??????文獻标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）02-296-04

    Abstract： The insulation property of outer sheath insulation material in the operation or construction of the cable always declines due to aging or mechanical damage， which can result in the failures of power outage or leakage， causing serious economic loss and serious security risks. The existing repair process not only has a poor repair effect， but also needs the fault location technique. In this paper， a new type of self repairing cable outer sheath insulation material has been developed on the basis of the in-depth study of the self repairing technology of material. But the self repairing performance evaluation is still a problem in the development of the new material. On the one hand， whether the new material has self repairing performance or not need be evaluated. On the other hand， formula optimization and performance improvement need be carried out on the basis of evaluation results. At last， the tension testing and microscope testing for the evaluation of self repairing performance were put forward.

    Key words： Cable sheath materials; Self-healing; Evaluation method

    1 ?电缆外护套老化或损伤带来的危害

    电缆绝缘材料故障容易造成停电、漏电等故障，造成严重经济损失，引发严重的安全隐患。电缆事故中因绝缘护套层老化损伤而引起的电缆故障所占比例最大[1]。我国电线电缆用绝缘材料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）以及交联聚乙烯（XLPE）。这些材料的共同优点是电气性能优异、绝缘性能好，但共同的缺点是作为传统的聚合物材料均不具备智能性。即使轻微的老化损伤，也会造成材料性能的劣化，并且随时间推移，小损伤会不断加重，最后导致材料力学性能或绝缘性能的彻底丧失[2]。

    2 ?常用的电缆绝缘护套修复技术

    目前，对现有电缆绝缘护套材料的修补修复主要为以下三种方法：

    2.1 ?修复液灌装修复

    该方法是将具有修复功能的液体灌入缆芯[3]，电缆修复液通常是一类低粘度小分子液体，具有较高的反应活性，渗透力很强。可在渗入材料微观缺陷后与其中的水分发生聚合反应，生成胶状的有机聚合物，一定程度上修补微观绝缘缺陷。这种方法对水树类缺陷有较好的修复效果，对XLPE类易发生水树老化的电缆，可有效延长使用寿命。但是，首先，电缆修复液的使用的工艺过程比较麻烦，需要相应的注入设备和电缆附件。电缆修复液注入装置包括气体压力罐、修复液罐、连接管路、出液罐、限压阀、压力传感器、电磁开关阀、监视窗口以及氮气等近10个组成部分，作业施工复杂;其次，电缆修复液只有对含水的缺陷有修补作用，对其它侵蚀类缺陷不能产生任何修复。

    2.2 ?热焊修复

    该方法是在电缆绝缘护套层出现碰伤、刮伤、压伤或击穿等缺陷点时，对PVC类热塑性绝缘层可在缺陷区填入同质塑料后，利用热焊将材料部分熔融进行粘结修补，然后在修补处用修复带进行绕包。但是，这种方法不适合XPLE等已经产生交联的材料。并且，热焊修补需采用电烙铁或热风焊枪为工具，工艺也相对复杂，要求操作人员具备较高的技术水平。另外，对于截面较小的线芯，不易保证质量。

    2.3 ?热缩管修复

    对于大尺寸缺陷或XLPE等交联材料的缺陷、或者小截面线芯的绝缘损伤，目前一般采用热缩管进行修复。这种方法是把尺寸合适的热缩管套于缺陷区，加热使套管收缩至紧包缺陷。工艺较为简单，适用的范围也比较广。但是，采用热缩管修复后，电缆绝缘层厚度增加，使散热难度加大，容易导致接头发热，并进一步产生故障，同时，热缩管还不能抵挡潮气的侵入对绝缘性能的影响。

    3 ?电缆绝缘护套材料自修复技术及其评价方法

    自修复是指材料自我修复并恢复正常性能的能力，目前的修复技术主要包括含修复剂和不含修复剂两种修复方式。含修复剂的自修复方法是在材料内部加入微胶囊等，由裂纹撕破胶囊释放修复剂实现自修复。优点是可自主修复并且位点专一，缺点是制备难度大，只能一次行修复，微胶囊的稳定性、灵敏性、均匀性不容易控制[3]。不含修复剂的修复方式包括通过动态化学键（如热可逆共价键）和超分子作用力两种方式，动态化学键自修复是损伤后的切面在动态化学键作用下愈合，优点是可多次修复，缺点是动态化学键需要加热或光照等条件方能进行[4]。超分子作用力自修复是在超分子作用力（如氢键、主客体包合、静电相互作用等）作用下自行修复，优点是自主并且多次修复，无需外界条件刺激。

    本文研究的自修复技术是通过主客体包合[5]实现自修复，这种技术是对原有电缆故障修复方式的一次重大突破。在材料遭遇老化等损伤时，体系中的超分子作用力（即客体分子金刚烷进入环糊精中空内孔形成主客体包合的超分子力）将断面拉合在一起，自行修复。这种修复可多次进行，并且，无需外界条件刺激，修复自主完成，并且能够多次完成自修复。

    自修复绝缘材料在修复过程中表现为伤口裂痕变小至完全修复，同时，恢复原有的机械电气性能，其中包括抗拉伸性能的恢复，因此，可以通过损伤前以及修复后伤口裂痕截面积以及拉伸应力的变化来评价自修复性能。

    4 ?采用拉伸试验评价自修复性能

    4.1 ?试验部分

    4.1.1 ?试验设备及样品

    拉伸试验设备采用的万能拉力试验机。样品的准备：将0.8 mm厚度的样品按照国标裁成长为75 mm，两端宽为12.5 mm，中间部分宽为4 mm的哑铃状试件，共制备8个形状一样的样品。

    4.1.2 ?拉伸试验

    将将哑铃试件置于万能拉力试验机的夹具上，首先是对未损伤样品进行拉伸试验：拉伸速度为500 mm·min-1， 测定拉伸断裂时的拉伸应力δ0（单位：MPa），共测定4个样品，取4个试样的算术平均值作为最终的测定值。

    接着测定自愈合后试样的拉伸应力：将另外4根的试样用小刀切成两段，然将伤口两端相互接触，在室温下等待2 h后，待试样完全自愈合后再用万能拉伸试验机测定愈合后试样的拉伸应力δ1，拉伸速度为500 mm·min-1，共测定4个样品，取4个试样的算术平均值作为最终的测定值。将试样再从原来位置断开，重新愈合，测定第二次愈合的拉伸应力δ2。那么，同样操作，則得到第三次愈合、第四次愈合....的拉伸应力δ3、δ4....。

    自愈合之后的拉伸应力δ1、δ2、δ3与断裂前的拉伸应力σ0的百分比即为自愈合效率η1、η2、η3。

    4.2 ?自愈合性能的评价

    要求自愈合次数超过3次以上，同时自修复效率达到70%以上。

    4.3 ?测定结果

    将某一样品分别切断3次，分别测定损伤前拉伸应力σ0及自修复后的拉伸应力δ1、δ2、δ3，得到结果如表1。

    5 ?采用显微法评价自修复性能

    5.1 ?试验部分

    5.1.1 ?设备及试样

    试验设备采用激光共聚显微镜。样品的准备：将材料制成30 mm×5 mm×1 mm长条形的试样，共制备3根试样。

    5.1.2 ?伤口横切面积测定

    将3根的试样用小刀切成两段，然后将伤口两端相互接触，采用激光共聚焦显微镜观察测定伤口初始横切面积S0（见图1）， 分别测定3根的试样的伤口初始横切面积。

    5.1.3 ?自修复效率的计算

    自修复效率为自愈合前后伤口横切面积变化值与自愈合前伤口横切面积的百分比，表达式如下：

    5.2 ?自愈合性能的评价

    要求自愈合次数超过3次以上，同时自修复效率达到70%以上。

    5.3 ?测定结果

    将某一样品分别切断3次，分别测定损伤时初始伤口横截面积及自修复后伤口横截面积，结果见表2。

    6 ?结 论

    在对自修复技术深入研究的基础上，提出采用拉伸试验及显微法评价材料的自修复性能，建立了自修复性评价规范。自修复性能的评价是自修复技术研究过程必不可少的环节，一方面可以对材料是否具有自修复性能进行评价，另一方面通过评价进一步改进材料自修复及其他性能。

    参考文献：

    [1]焦振， 夏泉. 高压电力电缆线路事故统计与分析[J]. 供用电， 2011， 28（2）：64-66.

    [2]周阳. 影响电缆绝缘性能的因素研究及其对策[D]. 大连理工大学， 2015.

    [3]黄晓峰，范平涛，等.基于硅氧烷的XLPE电缆水树的修复方法[J].高压电器，2014（1）：61-66.

    [4]曾飞， 陈传峰. 基于三蝶烯双冠醚形成的具有自修复、刺激响应性能的超分子聚合物凝胶[C].全国超分子化学学术讨论会， 2012.

    [5]王伟钢，林再富，徐莉莎，丁春梅，李建树.基于环糊精包合的超分子水凝胶骨修复材料[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（8）：28-31.