新型环保聚丙烯绝缘中压电力电缆的研究

2021-11-17彭二磊苏艳文王松显

电线电缆 2021年5期

彭二磊，马壮，苏艳文，王松显

（无锡江南电缆有限公司，江苏宜兴214151）

0 引言

电线电缆被称为国民经济的“动脉”和“神经”，其产品广泛应用于建筑、交通、发电厂、汽车、石化等领域。目前比较常见的电力电缆大多是采用交联聚乙烯（XLPE）绝缘材料，在生产过程中，添加的交联剂及交联过程产生的副产物等杂质可能会引入绝缘层内部，使得在电场下空间电荷积聚更加严重，从而加速绝缘老化；在制造XLPE电缆时采用的交联工艺本身具有能耗大、效率低等不足［1⁃2］，同时，交联时的硫化脱气，不仅使得工艺复杂化，而且生产环境也非常恶劣，难以循环再利用，其交联和去应力时间、成本远高于热塑性材料。

聚丙烯（PP）是非极性材料，具有优异的绝缘性能、耐温等级高、可塑化循环再利用等特点，不仅在提高传输容量上具有很大优势，而且在简化加工工艺、降低成本、提升生产效率等方面具有独特优势（XLPE材料不具备的优势），因此特别适用于电力线路的传输。通过本工作的研究开展，在国内现有工艺技术水平的基础上，对中压电缆的材料进行调整和改善，研究成品电缆的质量和成效，将进一步推动电力电缆材料的改进及工艺技术的创新发展，随着各种新材料快速发展，电缆将迎来重大的变革，环保型热塑型PP绝缘电力电缆成为新一代主力电缆，为输配电带来革命性变化，电缆行业将得到新的发展机遇。

1 国内外技术水平

1.1 国内外研发进展情况

20世纪60年代，美国Himont公司（现Montell公司）首先开发出PP共聚物，作为电线电缆用的绝缘料。PP基材料作为电缆的主绝缘材料，在发达国家已形成批量化应用规模，在美国、意大利、荷兰、西班牙、英国和芬兰等多个国家投入批量生产，据统计，截止到2019年已经投入运行的改性PP电力电缆达到了50 000 km。据资料显示，国外Prysmian普睿司曼超高压320 kV直流电缆，采用改性的PP材料作为绝缘料，现已敷设运行。德国、芬兰开展500 kV电缆开发试验工作。

我国对PP的改性研究起步相对较晚，电线电缆用PP绝缘料的研究和使用还处于初级阶段，对电力电缆产品的使用还需要进一步的开发。国内学者或高等院校已开展了聚丙烯及其纳米材料应用于高压直流电缆主绝缘的研究工作，但仍处于起始或试制阶段，如以国内某高校研发中高压电力电缆用的聚合物基及纳米高性能PP绝缘料，已与某电缆企业重点开发110 kV直流电缆，已试制一根电缆在试运行。同时，国内某电缆企业也已试制出一根电压等级为26／35 kV的PP作为绝缘材料的电缆，现已在某研究院进行真型模拟试验。经过改良后的PP材料在电力电缆领域将会有长足的发展，表现出强大的生命力，必将成为未来电缆绝缘的发展方向［3］。

1.2 现有的技术优势

与传统的XLPE电缆绝缘料相比，PP材料是一种相对体积质量比较轻（是目前所有塑料中最轻的品种之一）、无毒、无臭和无味的乳白色高结晶的聚合物，其不仅具有良好的电气性能，且还具有很好的耐热性能（使电缆长期运行温度由90℃提高到105℃）。因PP材料不需交联处理即可有较高的机械强度，而且是典型的热塑性材料，可循环利用，符合环境友好型电缆绝缘的发展需求［4］，是一个更绿色环保的生命周期的材料。PP电缆和XLPE电缆的试验对比见表1。

表1 PP和XLPE电缆试验对比

PP属于新型绝缘材料，利用PP绝缘材料运用到PP电缆的生产中，其绝缘厚度相比同等电压等级的XLPE电缆厚度减少20%，两者绝缘厚度对比，见表2。

表2 PP与XLPE电缆绝缘厚度对比

1.3 产品技术指标

产品技术指标能够正确指导生产，各项技术指标达到企业标准的要求。相关的技术指标要求如下：

（1）导体直流电阻符合GB／T 3956—2008《电缆的导体》［5］的第二类导体的要求。

（2）热循环试验，加热循环应持续至少8 h，在每一加热过程中导体温度达到110～115℃后应在此温度下至少维持2 h，随后应在空气中自然冷却至少3 h。此循环应重复20次。

（3）冲击电压试验（200 kV），温度达110～115℃，正负极性各10次。

（4）绝缘老化后的机械性能空气箱老化温度和时间为150℃，168 h。

（5）绝缘收缩试验温度和试验时间分别为150℃，1 h。

（6）35 kV PP电缆绝缘标称厚度为8.5 mm（XLPE绝缘厚度为10.5 mm，相对减薄）。

（7）电缆局部放电试验：试验电压应逐渐升高至2U0并保持10 s，然后缓慢降到1.73U0（45 kV），应无任何由被试电缆产生的超过声明试验灵敏度（5 pC或更优）的可检测到的放电。

2 PP电缆的工艺和结构

PP绝缘中压电力电缆的生产工艺不同于普通电力电缆的生产过程，将三层共挤材料由传统的交联聚烯烃材料改为非交联的PP半导电屏蔽材料和105℃环保型改性聚丙烯绝缘材料。针对PP熔点高、熔体强度低和相形态控制难等问题，国内创新提出挤出生产线中加温、冷却方式和流道设计方案，研制了PP中高压电缆三层共挤高温生产线。通过对PP挤出温度、螺杆转速和牵引速率等工艺参数的探索，以及工艺设计验证，掌握聚丙烯电缆三层共挤的关键技术和制造能力。

以聚丙烯单芯电缆26／35 kV 1×400 mm2的结构为例，产品工艺流程示意图见图1。

图1 工艺流程示意图

PP绝缘中压电力电缆结构示意图，见图2。

图2 PP绝缘中压电力电缆结构示意图

3 成品性能检测

以聚丙烯单芯电缆26／35 kV 1×400 mm2的结构为例，参考GB／T 12706.3《额定电压1 kV（Um＝1.2 kV）到35 kV（Um＝40.5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件第3部分：额定电压35 kV（Um＝40.5 kV）电缆》［6］和企业标准进行检测，所检测型式试验项目符合标准要求。下面列举部分主要电气性能指标见表3。部分非电气性能试验见表4。

表3 主要电气性能指标

由表3可以看出：PP绝缘中压电力电缆导体温度在110～115℃（XLPE绝缘进行该试验温度为95～100℃）时，满足tanδ测量和冲击电压试验。

由表4可以看出：PP绝缘中压电力电缆成品绝缘老化机械性能和热收缩试验测试温度在150℃（XLPE绝缘试验温度为135℃）情况下进行，符合产品标准要求。额定电压26／35 kV环保型PP绝缘电力电缆，选取环保型PP绝缘材料，生产的PP电缆相对XLPE电缆具有工作温度高、绿色环保、生产效率高和经济成本低等优点，填补国内外市场空白。电缆外径小，综合生产成本低，便于客户安装敷设。