新型環(huán)保聚丙烯絕緣中壓電力電纜的研究

彭二磊， 馬 壯， 蘇艷文， 王松顯

（無錫江南電纜有限公司，江蘇 宜興214151）

0 引 言

電線電纜被稱為國民經濟的“動脈”和“神經”，其產品廣泛應用于建筑、交通、發(fā)電廠、汽車、石化等領域。目前比較常見的電力電纜大多是采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣材料，在生產過程中，添加的交聯(lián)劑及交聯(lián)過程產生的副產物等雜質可能會引入絕緣層內部，使得在電場下空間電荷積聚更加嚴重，從而加速絕緣老化；在制造XLPE電纜時采用的交聯(lián)工藝本身具有能耗大、效率低等不足［1?2］，同時，交聯(lián)時的硫化脫氣，不僅使得工藝復雜化，而且生產環(huán)境也非常惡劣，難以循環(huán)再利用，其交聯(lián)和去應力時間、成本遠高于熱塑性材料。

聚丙烯（PP）是非極性材料，具有優(yōu)異的絕緣性能、耐溫等級高、可塑化循環(huán)再利用等特點，不僅在提高傳輸容量上具有很大優(yōu)勢，而且在簡化加工工藝、降低成本、提升生產效率等方面具有獨特優(yōu)勢（XLPE材料不具備的優(yōu)勢），因此特別適用于電力線路的傳輸。通過本工作的研究開展，在國內現(xiàn)有工藝技術水平的基礎上，對中壓電纜的材料進行調整和改善，研究成品電纜的質量和成效，將進一步推動電力電纜材料的改進及工藝技術的創(chuàng)新發(fā)展，隨著各種新材料快速發(fā)展，電纜將迎來重大的變革，環(huán)保型熱塑型PP絕緣電力電纜成為新一代主力電纜，為輸配電帶來革命性變化，電纜行業(yè)將得到新的發(fā)展機遇。

1 國內外技術水平

1.1 國內外研發(fā)進展情況

20世紀60年代，美國Himont公司（現(xiàn)Montell公司）首先開發(fā)出PP共聚物，作為電線電纜用的絕緣料。PP基材料作為電纜的主絕緣材料，在發(fā)達國家已形成批量化應用規(guī)模，在美國、意大利、荷蘭、西班牙、英國和芬蘭等多個國家投入批量生產，據統(tǒng)計，截止到2019年已經投入運行的改性PP電力電纜達到了50 000 km。據資料顯示，國外Prysmian普睿司曼超高壓320 kV直流電纜，采用改性的PP材料作為絕緣料，現(xiàn)已敷設運行。德國、芬蘭開展500 kV電纜開發(fā)試驗工作。

我國對PP的改性研究起步相對較晚，電線電纜用PP絕緣料的研究和使用還處于初級階段，對電力電纜產品的使用還需要進一步的開發(fā)。國內學者或高等院校已開展了聚丙烯及其納米材料應用于高壓直流電纜主絕緣的研究工作，但仍處于起始或試制階段，如以國內某高校研發(fā)中高壓電力電纜用的聚合物基及納米高性能PP絕緣料，已與某電纜企業(yè)重點開發(fā)110 kV直流電纜，已試制一根電纜在試運行。同時，國內某電纜企業(yè)也已試制出一根電壓等級為26／35 kV的PP作為絕緣材料的電纜，現(xiàn)已在某研究院進行真型模擬試驗。經過改良后的PP材料在電力電纜領域將會有長足的發(fā)展，表現(xiàn)出強大的生命力，必將成為未來電纜絕緣的發(fā)展方向［3］。

1.2 現(xiàn)有的技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的XLPE電纜絕緣料相比，PP材料是一種相對體積質量比較輕（是目前所有塑料中最輕的品種之一）、無毒、無臭和無味的乳白色高結晶的聚合物，其不僅具有良好的電氣性能，且還具有很好的耐熱性能（使電纜長期運行溫度由90℃提高到105℃）。因PP材料不需交聯(lián)處理即可有較高的機械強度，而且是典型的熱塑性材料，可循環(huán)利用，符合環(huán)境友好型電纜絕緣的發(fā)展需求［4］，是一個更綠色環(huán)保的生命周期的材料。PP電纜和XLPE電纜的試驗對比見表1。

表1 PP和XLPE電纜試驗對比

PP屬于新型絕緣材料，利用PP絕緣材料運用到PP電纜的生產中，其絕緣厚度相比同等電壓等級的XLPE電纜厚度減少20%，兩者絕緣厚度對比，見表2。

表2 PP與XLPE電纜絕緣厚度對比

1.3 產品技術指標

產品技術指標能夠正確指導生產，各項技術指標達到企業(yè)標準的要求。相關的技術指標要求如下：

（1）導體直流電阻符合GB／T 3956—2008《電纜的導體》［5］的第二類導體的要求。

（2）熱循環(huán)試驗，加熱循環(huán)應持續(xù)至少8 h，在每一加熱過程中導體溫度達到110～115℃后應在此溫度下至少維持2 h，隨后應在空氣中自然冷卻至少3 h。此循環(huán)應重復20次。

（3）沖擊電壓試驗（200 kV），溫度達110～115℃，正負極性各10次。

（4）絕緣老化后的機械性能空氣箱老化溫度和時間為150℃，168 h。

（5）絕緣收縮試驗溫度和試驗時間分別為150℃，1 h。

（6）35 kV PP電纜絕緣標稱厚度為8.5 mm（XLPE絕緣厚度為10.5 mm，相對減?。?/p>

（7）電纜局部放電試驗：試驗電壓應逐漸升高至2U0并保持10 s，然后緩慢降到1.73U0（45 kV），應無任何由被試電纜產生的超過聲明試驗靈敏度（5 pC或更優(yōu)）的可檢測到的放電。

2 PP電纜的工藝和結構

PP絕緣中壓電力電纜的生產工藝不同于普通電力電纜的生產過程，將三層共擠材料由傳統(tǒng)的交聯(lián)聚烯烴材料改為非交聯(lián)的PP半導電屏蔽材料和105℃環(huán)保型改性聚丙烯絕緣材料。針對PP熔點高、熔體強度低和相形態(tài)控制難等問題，國內創(chuàng)新提出擠出生產線中加溫、冷卻方式和流道設計方案，研制了PP中高壓電纜三層共擠高溫生產線。通過對PP擠出溫度、螺桿轉速和牽引速率等工藝參數的探索，以及工藝設計驗證，掌握聚丙烯電纜三層共擠的關鍵技術和制造能力。

以聚丙烯單芯電纜26／35 kV 1×400 mm2的結構為例，產品工藝流程示意圖見圖1。

圖1 工藝流程示意圖

PP絕緣中壓電力電纜結構示意圖，見圖2。

圖2 PP絕緣中壓電力電纜結構示意圖

3 成品性能檢測

以聚丙烯單芯電纜26／35 kV 1×400 mm2的結構為例，參考GB／T 12706.3《額定電壓1 kV（Um＝1.2 kV）到35 kV（Um＝40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件 第3部分：額定電壓35 kV（Um＝40.5 kV）電纜》［6］和企業(yè)標準進行檢測，所檢測型式試驗項目符合標準要求。下面列舉部分主要電氣性能指標見表3。部分非電氣性能試驗見表4。

表3 主要電氣性能指標

由表3可以看出：PP絕緣中壓電力電纜導體溫度在110～115℃（XLPE絕緣進行該試驗溫度為95～100℃）時，滿足tanδ測量和沖擊電壓試驗。

由表4可以看出：PP絕緣中壓電力電纜成品絕緣老化機械性能和熱收縮試驗測試溫度在150℃（XLPE絕緣試驗溫度為135℃）情況下進行，符合產品標準要求。額定電壓26／35 kV環(huán)保型PP絕緣電力電纜，選取環(huán)保型PP絕緣材料，生產的PP電纜相對XLPE電纜具有工作溫度高、綠色環(huán)保、生產效率高和經濟成本低等優(yōu)點，填補國內外市場空白。電纜外徑小，綜合生產成本低，便于客戶安裝敷設。

表4 部分非電氣性能試驗

4 結束語

本工作選用改性PP作為中壓電纜的絕緣材料，同時對絕緣擠出生產線進行改進和工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了PP絕緣中壓電力電纜的生產制造；該產品具有工作溫度高、載流量大、可塑化循環(huán)再利用、成本低等優(yōu)點，其各項性能順利通過型式試驗檢測，不僅滿足客戶的使用需求，而且可提高電纜的可靠運行，具有較大的推廣和應用價值。

目前，PP絕緣電纜在國內市場空白，該研究的應用和推廣，對PP絕緣中壓電力電纜的開發(fā)具有重要指導意義。