国产110kVXLPE电缆料的研发和性能

蔡建超， 刘美兵， 何 军， 冯本青， 屠德民

(浙江万马高分子材料有限公司，浙江临安311305)

0 引言

长期以来，我国交联聚乙烯(XLPE)电缆料生产的电压等级停留在35 kV及以下，而我国110 kV和220 kV XLPE电缆的需求量每年以25%增长［1］，2010年我国高压XLPE电力电缆生产量达18000 km，高压 XLPE 电缆料用量增加到 50000 t［2］。可是，高压XLPE电缆料全部依靠进口，造成此局面的主要原因是国内缺乏超净化聚乙烯基料和超净电缆料生产线。

虽然XLPE的基础树脂的短时本征介电强度超过800 kV/mm，但电力电缆的设计平均电场强度约为4～18 kV/mm，决定于电缆的电压等级。大量研究工作指出，绝缘的缺陷是导致介电强度较低的原因，所谓缺陷是指杂质和微孔［3］。电缆绝缘的树枝化和电老化是决定髙压和超高压电缆寿命的最重要因素，电老化理论提出电缆的击穿是由于分子的疲劳和半导电空隙的形成，在此理论中聚合物凝聚能是重要参数，此外绝缘中的污秽也降低绝缘的寿命，污秽改变了局部电场，从而逐步形成微孔［4］。

为了高压电缆料的国产化，化工单位分析了聚乙烯合成过程中产生污秽原因后，改造了设备、改善了管理和生产方式，成功地开发了110 kV高压电缆的XLPE基料［5］。电缆料生产厂分析国内外高压XLPE电缆绝缘料性能，提岀了去除原料中杂质的思路，研究了配方和工艺，探索了110 kV XLPE电缆料的研制工作［6］。还有的在Buss机上试制了66 kV和110 kV XLPE电缆料，但未见性能指标［7］。

我公司先后用7年时间论证、筹备，投资1.4亿元建成超净高压XLPE电缆生产线，成功开发了超净的YJ-110高压电缆绝缘料，并通过了省级新产品鉴定。

本文系统介绍YJ-110高压电缆绝缘料的研制过程、关键技术和措施，最后叙述产品的性能指标。

1 开发超净髙压XLPE绝缘料的技术分析

我们首先测量了本公司生产的YJ-35和两种进口高压XLPE电缆料的各种性能。对比测量数据，发现在常规性能中，国产中压XLPE电缆料与进口高压XLPE电缆料的性能大同小异，主要差别在杂质颗粒和表1所示的非常规试验项目。YJ-35电缆料每公斤含有直径175～250 μm的杂质颗粒2个，而进口高压XLPE电缆料中没有大于100 μm颗粒。

对比表1数据可见，YJ-35 XLPE料中存在的问题有:(1)交联副产物多，拟通过基础树脂及交联剂体系的研究来解决;(2)高温老化性能差，拟通过抗氧剂体系的研究解决;(3)挤出表面质量差与出口膨胀大有关联性，拟通过综合体系的研究来改善。即需要重点研究的内容集中在配方技术、工艺技术、净化处理和检测技术等四大部分。

表1 非常规性能

2 工艺技术

后吸法生产工艺:XLPE电缆料的杂质除来自基料外，直接法生产工艺中形成的焦烧不可忽视。为此我们开发了新工艺技术，称之为后吸法工艺。交联剂以粒子吸收的方式和基础树脂材料混合，交联剂在低温下和基础树脂材料共混吸收，改变了原有的交联剂加入温度为120℃、交联剂和基础树脂材料混炼挤出混合工艺。该工艺的最大好处是完全避免了因生产过程中交联分解引起的焦烧现象，由于交联剂后加入，前期的混炼温度可提高到基础树脂及助剂的熔融温度以上，使得物料分散更均匀，并且采用先进的净化处理系统确保产品的洁净度 ，改善了电缆的老化性能和电性能，提升了产品质量。

3 配方技术

3.1 基料

对4种国内生产的基础树脂与国外基础树脂进行了性能对比分析，通过和石化公司长达三年的合作，协助开发了高压XLPE基础树脂。前后多次进行基础树脂的改进试验，使基础树脂在性能指标上有明显的改善，确保其稳定性和适用性，考虑到基础树脂生产设备和物料清洁度的影响，我们选择了基础树脂C进行研究。在原有技术基础上适当调整生产工艺来改变物质结构，以满足开发高压XLPE绝缘料的需要。基础树脂C改进前后测试对比数据如下:

(1)熔体流动性能的变化。以熔融指数衡量熔体流动性能，熔融指数在熔指仪上测定的条件为温度140℃、砝码5 kg和口模直径 d=2.095±0.005 mm。对比数据示于表2中。表中，变化率=(造粒融指－原始融指)/原始的融指。

从表2可见，树脂C不管哪种造粒法，造粒后熔融指数都下降;而树脂C经改性后，添加氧化剂再高温挤出造粒，粒子的熔融指数非但不下降，还能升高1.5%。

表2 后吸法工艺加工前后熔融指数对比数据

树脂C改性前后，挤出直径D的变化列于表3中。挤出直径D减去口模直径d为出口膨胀值。

表3 后吸法工艺加工前后挤出直径D对比数据(单位:mm)

从表3可见，树脂C改性后出口膨胀率有所下降。

(2)杂质仪挤塑机挤出表面性能。树脂C和改性树脂C分别在杂质仪挤塑机上挤出后，表面情况分别列于表4中。

表4 挤出表面性能

(3)成品的流变及常规性能见表5。

表5 成品的流变及常规性能

从表2～表5数据可见，改进后树脂C在各性能指标上有明显的改善。材料的加工安全性提高、出口膨胀率下降、挤出表面质量改善和交联剂添加量的减少。

3.2 交联剂、抗氧剂和其他助剂体系的研究

通过YJ-35与进口样品对比分析，发现国内外电缆料挥发份指标差异较大。该指标主要影响电缆的脱气工艺，交联过程中产生的副产物与交联剂的加入量有直接关系。

在研究过程中，通过添加助交联剂、高效交联剂等，对基础树脂材料改性，分别用E1、E2、E3代表所选的三种不同改性材料产品，使用后吸法，试制小样，测试数据如表6所示。

表6 小样配方

上述四组小样的全性能测试数据列于表7中。

表7 小样全性能数据

由表7可见，在基础树脂材料中添加助交联剂，降低交联剂的用量是可行的，添加E1、E2和E3后，交联剂使用1.8%就可以满足所有指标。E2能改善热延伸，但影响其他指标;而E1和E3两种助剂可以作为储备配方用。

4 工艺流程

(1)主要生产设备。整套引进瑞士BUSS公司高压绝缘料的后吸法生产线。

(2)主要检测设备。德国OCS公司高精度光学测试设备，包括在线检测和离线检测两种，检测精度分别高达110 μm和20 μm。德国GOTTFERT公司的熔融指数仪。

(3)后吸法［8］生产高压XLPE电缆料的工艺流程如图1所示。图中高温混炼料过滤网为500目。

图1 后吸法的工艺流程

超净生产线安装在总面积14024 m2的12层新厂房内，两个各400 m3的大料仓竖立在厂房外。

5 净化处理

高压XLPE绝缘料对杂质的要求特别高，需要对整套系统做净化处理来满足生产条件，其具体措施如下:

(1)冷却循环水的净化及过滤，使用RO-4000型反渗透处理装置，其中包括机械过滤器和活性炭过滤器，原水电导率为(88±3)μS/m，产水电导率(4±3)μS/m。产水经过水过滤系统(最小可控制到3 μm的杂质)得到进一步处理。

(2)压缩空气及氮气的净化过滤，使用高精度的过滤器(最小可控制到1 μm的杂质);加热、冷却循环风的净化及过滤，风管的进风口使用5 μm过滤袋一级过滤，再使用2 μm纸制过滤器二级过滤。

(3)环境的净化，对整个生产车间保持一定的净化等级和气压，一般区净化度为3000级、上料区为1000级、在线检测区为1000级、包装区为1000级和包装口区为100级。

(4)净化后的产品需要检测，从德国OCS公司引进高精度光学测试设备，包括在线检测和离线检测两种，检测精度分别高达110 μm和20 μm。其中在线检测可占总产量的2% ～5%，可连续监控产品中的杂质。

6 成品检测报告

上海电缆研究所对YJ-110高压XLPE电缆料出具的检测报告列于表8中。

从表8可见，实测值均符合技术指标的要求。YJ-110高压XLPE电缆料已通过浙江省新产品鉴定，用该料试制的YJLW03 64/tru=×630电力电缆也已通过武汉高压研究院的全面性能测试。

表8 YJ-110高压XLPE电缆料的检测报告

7 结论

(1)我公司和石化公司长达三年时间的合作，协助开发了高压XLPE基础树脂。

(2)采用高效交联剂、交联助剂和后吸法工艺，可使交联剂用量降低到1.8%。

(3)物料的封闭运输、高温料的过滤、杂质在线检测和环境的净化可保证XLPE电缆料的杂质含量符合标准的要求。

(4)YJ-110高压XLPE电缆料的各项性能均满足技术指标的要求，产品通过了浙江省新产品的鉴定。

［1］姒承荣.高压交联聚乙烯电缆绝缘料国产化的必要性和可行性［C］//中国电器工业协会电缆材料面向“十一·五”发展与应用技术研讨会论文集，昆明:2005.51-58.

［2］沈彬华.高压交联聚乙烯电缆绝缘料的国产化研究［J］.电线电缆，2010(1):21-25.

［3］Vahdat Vahedy.Polymer insulated high voltage cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine(22)3:13-18.

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［5］龚 俊.高压交联聚乙烯电缆绝缘基料生产可行性探讨［J］.石油化工技术与经济，2009，25(5):25-29.

［6］沈彬华.高压交联聚乙烯电缆绝缘料的国产化研究［J］.电线电缆，2010(1):21-25.

［7］高然生，宋鸿文.110 kV级交联聚乙烯电缆绝缘料的国产化［J］.电线电缆，2004(3):32-33.

［8］冯本青，何 军.电缆材料的后吸法工艺［P］.中国专利200710168263.3，2010-12-29.