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電線電纜用絕緣材料
目前，電線和電纜在許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。如通訊電纜、磁導(dǎo)線、輸電電線與電纜、設(shè)備配線、汽車配線、控制與信號電纜以及建筑物電線。在其最基本的結(jié)構(gòu)中，金屬導(dǎo)體電纜包括傳送信號的導(dǎo)電材料和隔離該體系的絕緣層。就光纜而言，光信號必須保留在被反射光的絕緣層包覆的纖維芯中。
1795年，曾報道過最早的一種電絕緣材料用于電報電纜的絕緣紙。19世紀(jì)初，電報電纜是被埋入帶溝槽的木條內(nèi)使用的。應(yīng)用杜仲膠保護(hù)電纜以防受潮是一個重大的改進(jìn)，并于1848年最初用杜仲膠絕緣的地下電報電纜獲得應(yīng)用。后來的研究是天然橡膠在像照明燈那樣的一些用途中的應(yīng)用。1894年曾報道過浸絕緣紙的輸電電纜。20世紀(jì)50年代，曾相繼報道過聚乙烯在配電電纜、輸電電纜的應(yīng)用。擠出型合成絕緣材料的開發(fā)及材料的改進(jìn)為加快其應(yīng)用提供了保證，這些擠出型材料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）及乙丙橡膠（EPM和EPDM）。
盡管最初曾報道過， 但PVC和PE在較高壓應(yīng)用中依然未被采用；不過，非交聯(lián)型PE和PVC在低電壓用途中是一類最經(jīng)濟(jì)的絕緣材料。 當(dāng)交聯(lián)型聚乙烯（XLPE）進(jìn)入電纜市場時，它擴(kuò)大了熱塑性塑料在高電壓方面的應(yīng)用。與XLPE幾乎同時，曾研究了乙丙橡膠的應(yīng)用；然而，在較高電壓下乙丙橡膠的介電性能普遍比XLPE差。
1 電纜的基本結(jié)構(gòu)
通常，電纜是由被絕緣材料包覆的金屬導(dǎo)體組成。該導(dǎo)體被一層屏蔽材料和一層提供環(huán)繞保護(hù)的護(hù)套材料包覆。盡管炭黑填充的PE能用作半導(dǎo)體屏蔽材料，但是在許多構(gòu)件，尤其是絕緣材料和護(hù)套方面可采用聚合物材料。對護(hù)套材料的性能要求主要取決于具體應(yīng)用，但耐候性是必須具有的特性。
當(dāng)電流通過導(dǎo)體材料時，導(dǎo)體由于電阻會變熱。絕緣材料必須耐電流流過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱。在一定程度上，絕緣材料耐所產(chǎn)生的熱的能力是對電流通過導(dǎo)線的量的限定。因此，就電線和電纜材料而言，溫度對其性能的影響應(yīng)予以評估。對于電線和電纜應(yīng)用來說，像電阻率、介電強度、介電常數(shù)和介電損耗這樣一些電性能是非常重要的。 在電線電纜應(yīng)用中，有人可能注意到電壓高達(dá)150kV，而每種應(yīng)用卻有其特殊的要求。例如，輸電電纜在低頻和高壓下工作，而電話電纜則在低壓和高額下工作。在某些應(yīng)用中，阻燃性是選擇材料時的重要的參考指標(biāo)。
2 電線電纜的重要特性
2.1 電阻率
絕緣材料的電阻率是材料的固有性質(zhì)。體積電阻率用來判斷通過一定厚度的材料的電流，而表面電阻率用來判斷橫穿表面的電流量。直流電條件下的電阻率是按照 ASTM D257方法測定的。體積電阻率是通過將試樣放在兩個電極之間測定的，并測量了通過試樣的電流。休積電阻率（ρv）可用下式進(jìn)行計算：
RvA
ρv＝—— （1）
t
式中，ρv的單位為 Ω·cm；Rv為電阻，其單位為Ω；A為面積；t為厚度。絕緣材料的電阻率在１０6～１０18Ω·cm范圍內(nèi)。 有效的絕緣材料的體積電阻率至少為１０6Ω·cm。
除電流橫過表面外，表面電阻率的測定基本上與體積電阻率相同。表面電阻率ρs，單位為Ω，可按下式進(jìn)行計算：
ρs＝RsπDm/g （2）
式中，ρs為表面電阻，單位為Ω；g為電極與環(huán)電極間的距離；Dm為間隙的平均直徑。 采用ICEA T-27-581方法測定給定長度的電線試樣的電阻率（ρ）時，可由下式進(jìn)行計算：
ρ＝R2πL/2.3log10(D1/D2) （3）
式中，ρ的單位為Ω·cm；R為電阻；L為試樣長度；D1為導(dǎo)體直徑；D2為絕緣材料直徑。曾報道過電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)（σ＝1/ρ），單位為西門子/厘米（S/cm）。
2.2 介電常數(shù)
介電常數(shù)（ε）或有效介電常數(shù)可由下式進(jìn)行計算：
ε’ =C/C0 (4)
式中，C為測量的電容，單位為法（拉）；C0為真空狀態(tài)下的電容。介電常數(shù)是材料在電場中起到電容器作用或儲存能量的量度。按照ASTM D150方法計算介電常數(shù)值。 絕緣材料的常用值為2～3.5。在選擇材料時，應(yīng)考慮到溫度對介電常數(shù)的影響。 例如，由于PVC的介電常數(shù)隨溫度而增大，故采用帶有PVC護(hù)套的聚烯烴絕緣材料的電纜結(jié)構(gòu)對高性能的通訊電纜是不適用的。 在采用易于吸潮的極性材料時，應(yīng)考慮到溫度對介電常數(shù)的影響。
2.3 介電損耗
在交流電場（E）中，介電常數(shù)可由下式進(jìn)行計算：
ε＝ε’－jε” （5）
式中， ε’為介電常數(shù)的實數(shù)部分，ε”為虛數(shù)部分。tanδ為由下式計算的耗散
系數(shù)：
tanδ＝ε”/ε’ （6）
絕緣材料應(yīng)該具有低的tanδ值，以避免介電損耗，tanδ可能限定一根電纜的總長度。在預(yù)定的使用溫度范圍內(nèi)和在頻率為60Hz條件下，輸電電纜的使用條件要求的tanδ值。就通訊電纜而言，在工作頻率范圍內(nèi)，損耗值愈小愈好。
2.4 介電強度
在施加電壓時，材料耐電擊穿的能力稱為介電強度。介電強度是通過對一定厚度的材料施加電壓井升壓到電擊穿發(fā)生測得的。介電強度（D）可用下式計算出：
D＝V/t （7）
式中，V為擊穿發(fā)生時的電壓，t為試樣厚度。由于雜質(zhì)的存在導(dǎo)致早期去穿，故測量的介電強度值通常比理論值小。
2.5 阻燃性
在許多電線和電纜的應(yīng)用中都要求阻燃性。計算機、警報器和數(shù)據(jù)傳輸機用的通訊電纜被用于建筑工程，在這些工程中，阻燃性是一個重要的參數(shù)。如果絕緣材料不具有適當(dāng)?shù)淖枞夹�，火就會通過電纜蔓延整個建筑物。因此，電纜材料不僅應(yīng)具有必要的電性能，而且也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖枞夹阅�。下面將討論幾個相關(guān)的實驗。
阻燃性的測定要求選擇適當(dāng)?shù)膶嶒�。按�?/SPAN>ASTM D2863方法測定的極限氧指數(shù)是一種通常用于對比材料的實驗。就用于建筑物建設(shè)中的電纜而言，保險實驗室的直升裝置試驗可能較切合實際。這個實驗使電纜承受145kW的功率長達(dá)30min。為了通過該試驗，火焰不應(yīng)蔓延
壓力通風(fēng)燃燒實驗是在有87870w甲烷火焰和
2.6 溫度的影響
溫度對絕緣材料的電性能可能有較大的影響。導(dǎo)電度隨著溫度的升高而增加，這表明存在著熱激活的導(dǎo)電機理。PE的熔點也可能影響材料的導(dǎo)電率。在該熔點時，殘存離子可能遷移，從而增加材料的導(dǎo)電率。當(dāng)電纜在安全工作條件下處于高溫環(huán)境時，應(yīng)當(dāng)考慮到這種情況。