高压XLPE电缆绝缘料综合性能的对比分析

2014-06-26刘美兵杨凯军屠德民

电线电缆 2014年2期

刘美兵，杨凯军，屠德民

(浙江万马高分子材料有限公司，浙江临安311305)

0 引言

随着电力工业的快速发展，我国对高压、超高压电力电缆的需求越来越大，高压交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘料的用量也相应增加。我国使用的高压XLPE电缆绝缘料主要依赖进口，多为美国联碳、北欧化工等跨国公司生产。为了打破国外的垄断，我公司和国内石化企业合作，开发了适用于高压XLPE电缆绝缘料的基础树脂，并应用了具有自主知识产权的后吸法工艺，成功实现了万马YJ—110高压XLPE绝缘料的产业化。

为了进一步论证万马YJ—110 XLPE电缆料的质量，我们全面测量了目前国内普遍使用的国外主流110 kV XLPE绝缘料和万马YJ—110 XLPE绝缘料的性能，并对两种高压绝缘料的加工工艺性能进行对比。

1 试样

(1)35 kV XLPE电缆料，浙江万马高分子材料有限公司生产的型号 YJ—35(简称 YJ—35);(2)110 kV XLPE电缆料，浙江万马高分子材料有限公司生产的型号YJ—110(简称YJ—110);(3)国外主流110 kV XLPE绝缘料A样(简称A试样)。无水乙醇，分析纯AR，杭州高晶精细化工有限公司;二甲苯，分析纯，杭州瓶窑和顺化工试剂厂。

2 试样制备及性能测试

常规性能测试:将试样的粒料在180℃下，放入平板硫化机中模压成厚度1 mm的薄片。模压条件为先预熔1.5 min，再在16 MPa下模压15 min，后在室温15 MPa下加压冷却10 min，然后用切刀裁成哑铃型试样，测试热延伸、交联度、拉伸强度和电性能等。

按GB/T 2951.21—2008标准，对以上不同试样进行了热延伸测试。按ASTM D2765—2001标准，进行了凝胶含量的测试;按GB/T 24131—2009标准，进行了挥发分指标的测试;塑料拉伸性能的测定按GB/T 1040.2标准执行。熔融指数的测试按ASTM D1238/D3364标准执行。常规老化性能测试按照GB/T 2951.2—1997标准执行。

其他非常规性能试验暂无标准，主要按照以下测试方法。

无水乙醇的萃取:将试样放在115℃的平板硫化机中模压成厚度约为0.2 mm的薄片，薄片尺寸约为50 mm×50 mm的正方形，薄片试样浸入盛有乙醇(70℃)的烧杯中，加入磁子不断搅拌，浸泡4 h后取出试样，用无水乙醇再清洗2次，最后在80℃下真空干燥。对干燥的试样进行DSC测试，验证过氧化物交联剂和抗氧化剂等助剂是否去除。

在1 mm的试片上截取少量试样，采用TA Q2000型差示扫描热量仪(DSC)研究其热性能，DSC测试条件为在 160℃下恒温 3 min，再以10℃/min的降温速率从160℃冷却到10℃，在10℃下恒温1 min，最后以10℃/min的升温速率从10℃加热到160℃。

3 高压XLPE电缆料的性能指标对比分析

3.1 常规理化指标

三种试样的常规理化性能列于表1中。

表1 常规理化指标

由表1可见，在常规性能上，YJ—35与国内外的超净料性能相当，交联度和热延伸两项指标可以相互验证，两者成反比关系，常规老化均满足标准要求，YJ—110断裂伸长率相对优于A试样。

3.2 挥发份指标

三种试样的挥发份指标测试对比数据如表2所示。

表2 挥发份指标 (单位:%)

由表2数据可知，根据YJ—35和YJ—110已知配方中的过氧化物添加量，换算出实测挥发份的平均值与配方已知值的差值;根据差值的平均数，推算出A试样的挥发分约为1.6%。根据挥发份指标可以得出A试样的过氧化物添加量约为1.6%，而YJ—110的添加量为1.75%。

3.3 熔融指数指标

三种XLPE在140℃时熔融指数测试数据如表3所示，表中出口后直径是塑料经 2.095 mm孔挤出膨胀后的直径。

由于以上三个试样中均含有过氧化物交联剂，不能在190℃测试，根据电缆厂放线时挤出的熔体温度约为135℃，故选择了140℃温度时测试该熔融指数，由表3数据可得出以下两个结论:

(1)熔融指数变化率指标可间接反映加工过程的防焦烧性能，熔融指数变化率越小，说明在该温度下的预交联越少。根据表3中数据表可知，YJ—110的防烧焦性优于A试样，YJ—35最差。

表3 熔融指数对比数据

(2)出口后直径可间接反映挤出时的出口膨胀率，可以认为该指标随着时间的增加变化率越小越好，更容易控制绝缘厚度的稳定性。根据表3中数据可知，A试样的出口后直径优于YJ—110，YJ—35最差。

3.4 单螺杆工艺挤出性能

使用RM—200A转矩流变仪，哈普电气制造公司制造，在一定温度和转速下对比三个试样的出胶量、扭矩及挤出表面情况，具体数据如表4所示。

表4 挤出表面性能

由表4可见:(1)挤出表面YJ—110与A试样挤出相当，优于YJ—35;(2)三个试样出胶量不一样，导致挤出扭矩及表面情况也不一样，主要原因是RM—200A转矩流变仪的挤出机螺杆直径太小，粒子大小形状对出胶量的影响较大，此数据供参考。

3.5 萃取后的熔融指数指标

无水乙醇萃取后熔融指数的测试数据如表5所示。

由表5数据可见，熔融指数随时间的增加，大小基本不变，说明经过无水乙醇萃取后，可以将过氧化物交联剂完全除去，萃取后的试样基本还原成基础树脂，萃取后的试样熔融指数明显要比原始基础树脂(MI=2.0 g/10 min)要小，其中YJ—110萃取后的熔融指数相比A试样要大得多，据此，我们进一步对萃取后的YJ—110及进口A试样做分子量及分子量分布和DSC分析。

表5 萃取后熔融指数对比数据

3.6 分子量及分子量分布

将电缆料中的交联剂除去后，便可以方便地研究基础树脂的结构参数，我们研究了两种试样无水乙醇萃取后树脂的分子量及分子量分布，如图1及表6给出了YJ—110及A样品经萃取后的GPC图谱、分子量及分子量分布数据。

图1 YJ—110及A样启萃取后的GPC图谱

表6 YJ—110及A样萃取后的分子量及分子量分布

由图1和表6数据可知，YJ—110与A样品相比，YJ—110的分子量分布稍微宽，相对小分子聚合物多，分散性大，挤出时的出口膨胀率相对要大。YJ—110试样的数均分子量较小，而分子量分布较广。通过此结论，可以验证过氧化物的添加量及出口膨胀率。数均分子量越小，相对小分子聚合物多，在交联过程消耗过氧化物的量要多，故YJ—110过氧化物添加量要比A试样多0.15%。

3.7 热分析实验

热分析DSC实验记录升温和降温过程的曲线如图2所示。

图2 去除交联剂以及交联后的YJ—110与A样品电缆料的DSC图谱

图2给出了去除交联剂以及交联后的两种样品的DSC图谱，相应的结晶温度、熔点、结晶焓、熔融焓和结晶度等参数总结在表7中。

表7 DSC数据表

由图2可以看出，交联前后，两种样品都发生了结晶和熔融行为。但显然交联网络的引入必然会对样品的热行为产生影响，以A样品为例，交联后样品的结晶温度、熔点和结晶度都降低。这是由于交联网络的存在，使得链段的运动受到限制，降低了分子链规整排列进入晶区的能力，因此需要更多的能量(即更大的过冷度)完成结晶过程，且形成的晶体完善程度相对低，片晶的厚度较低，从而使得交联后样品的结晶温度、熔点和结晶度都降低。

此外，比较交联前A样品和YJ—110的结晶和熔融行为可以发现，A样品的结晶温度和熔点相对更高。在相同的热处理条件下，结晶温度的大小可以反映聚合物的结晶能力。结晶温度越高，表明其结晶能力越强，是聚合物链结构规整度好的表现。所以A样品的结晶温度高意味着A样品链结构规整度更好，因此A样品表现出更强的结晶能力，且形成的晶体完善程度更高，在更高的温度下完成熔融过程。该结论也验证了表5中的YJ—110萃取后熔融指数明显比A试样大的原因。

4 高压绝缘料线缆制造过程工艺对比分析

4.1 制造设备、原材料和规格型号

制造设备为芬兰麦拉菲尔公司生产的立塔高压电缆生产线。线缆规格型号为YJLW03 64/110 1×630。使用的原材料分别是绝缘料:浙江万马高分子材料有限公司生产的YJ—110绝缘料和进口A试样绝缘料;半导电内屏蔽料:日本NUC公司的NUCV 9563;半导电外屏蔽料:美国DOW公司生产的HFDB 0586。

4.2 工艺参数的设定

(1)三层共挤挤塑机温度的设定，三螺杆不同区域的温度见表8。

表8中Z1～Z8是三螺杆上的各温区，H1和H2分别是三层共挤的机头上下电加热圈处设定的温度，TU4是螺杆S2芯中通恒温循环水的温度，三层共挤机头的温度都是123℃。

表8 三螺杆上各温区的设定温度

(2)硫化管温度(6节硫化管道，每节6 m)，每节硫化管的温度示于表9中。

表9 氮气压力10bar下硫化管道温度

(3)导体前置预热温度90℃;导体后置加热温度150℃。

(4)导体运行线速度1.52 m/min。

4.3 三层共挤过程数据对比分析及结论

我们主要对YJ—110和A试样两者之间的加工工艺性能作对比分析。主要关注绝缘 200挤出机的参数波动变化，在所有工艺温度参数不变的情况下，通过转速保证绝缘厚度一定的情况下，对比两种绝缘料在长时间挤出过程中的扭矩和压力的变化趋势，如图3、图4所示。

图3 YJ—110与A试样挤出扭矩随时间变化对比

图4 YJ—110与A试样挤出压力随时间变化对比

由图3、图4可知两种绝缘料连续生产144h数据记录变化趋势。根据图3扭矩-时间图对比数据分析，YJ—110的挤出扭矩相对A试样的要小，连续生产144 h后，YJ—110的扭矩变化值也比A试样小，说明YJ—110相对A试样更容易塑化，流动性佳，但在CCV生产线上，YJ—110在偏心度控制上略有不足，但总体能够满足高压电缆加工要求。另外从图4压力-时间图对比数据分析，YJ—110连续生产时的压力变化值比A样品要小，其主要原因是两者的熔体粘度有差异，YJ—110的熔体粘度要小于A样品，另外从“焦烧”角度来分析，YJ—110相对于A样品的“焦烧”量要少，适合长时间开机运行，此处得出的结论和表3中数据结论相符。