220 kV 高压交流电缆用交联聚乙烯绝缘材料的性能研究

涂必冬， 李维康， 戴红兵， 张 翀， 沈永健

（1.江苏德威新材料股份有限公司，太仓 215421； 2.全球能源互联网研究院 输变电技术国家重点实验室，北京 102211）

0 引 言

随着我国电力工业的高速发展，高压电力电缆的生产和应用也进入了一个快速的增长期，高压电力电缆已实现了国产化，并应用于各大城市和电站的电力输送系统，但是制造高压电力电缆所使用的绝缘材料却被国外供应商所垄断，我国每年为此付出上亿元的外汇购买该原料［1⁃4］。

国外在高压交联聚乙烯（XLPE）电缆料方面有丰富的经验，如 BOREALIS、DOW 等公司，这些厂家都是从石油裂解乙烯树脂生产开始，使用专用的合成装置生产超净料，通过聚合等工序生产交联聚乙烯（XLPE）绝缘料。 生产是密闭连续的，生产环节少，质量控制严格。 通过该技术生产的产品具有耐用性能优异、抗击穿强度高、热老化性能稳定和加工性能优良等特点。 我国目前生产的高压电缆绝缘材料用聚乙烯树脂比20 世纪90 年代初期有了质的飞跃，该材料各项指标满足我国高压电缆的使用要求，突破了用于超净材料的原材料技术瓶颈。 国内电缆材料厂家从2008 年开始陆续在高压、超高压电缆领域增加投入，已经具备了研发、生产和应用的实力，比较突出的厂家有江苏德威新材料股份有限公司、浙江万马高分子材料有限公司［5］。

目前，使用国产绝缘材料和半导电屏蔽材料制备220 kV 高压交流电缆，并获得型式试验和预鉴定试验的厂家仅为江苏德威新材料股份有限公司，其与全球能源互联网研究院有限公司合作的国家电网公司科技项目（5455DW160006）已经进入工程应用阶段，并在丹东供电局提供的线路中挂网运行。

国内在该领域的发展尚存在下列问题：①缺乏对高压XLPE 绝缘材料基础树脂的系统研究；②超净绝缘材料制备的稳定性和连续性尚不及国外［6］。本工作对国产的高压交流电缆用绝缘材料（代号YJ⁃220）与国外同类产品（代号 A、B、C）进行性能研究，找出国产交联聚乙烯绝缘材料与进口交联聚乙烯材料之间存在的差异，为国内高压电缆材料的研发提供参考。

1 试验部分

1.1 原材料

低密度聚乙烯（LDPE），扬子石化巴斯夫2220H；抗氧剂300，广州银井精化科技有限公司；交联剂过氧化二异丙苯（DCP），中国石化上海高桥石油化工有限公司；其他助剂均为市售产品。

1.2 高压交流电缆用绝缘材料的制备

（1）将LDPE 树脂、抗氧剂300 及加工助剂加入超洁净的负压喂料装置中，通过电子计量系统后进入强制喂料斗，强制喂料进入挤出机进行熔融共挤；

（2）挤出机内的混合原料在150～160 ℃条件下进行熔融共挤制备绝缘料预混料，经水下切粒、离心脱水后进入缓冲料仓中；

（3）将缓冲料仓中的绝缘材料的预混料输送至电子称量系统，称量完成后输送至摇罐中，在65 ℃温度条件下，将DCP 融化后，雾化喷入摇罐中使其进行充分吸收，混合后的绝缘料进入保温料仓，保温24 h，进行成品包装。

1.3 分析与测试

按照ASTM D257—2014《绝缘材料直流电阻或电导的标准试验方法》测试绝缘材料的体积电阻率。

按照ASTM D638—2014《塑料的拉伸性能测试方法》 测试绝缘材料的物理性能，拉伸速率为250 mm·min-1。

按照IEC 60811⁃1⁃2《电缆和光缆的绝缘和护套材料的通用试验方法第1⁃2 部分老化测试方法》测试材料的老化性能。

按照IEC 60811⁃2⁃1《电缆和光缆的绝缘和护套材料的通用试验方法第2⁃1 部分热延伸测试方法》测试材料的热延伸性能。

杂质含量采用企业标准进行测试。 为了保证样品测试数据的准确性，对设备、取样过程和环境情况加以说明：设备为德国产OCS 光学控制系统杂质扫描仪，扫描杂质精度为20 μm，试验室净化等级通过空气净化处理控制在1 000 级。 对于外来样品的取样为在合作的电缆企业绝缘加料室中完成，绝缘加料室净化等级为100 级，取样后放置到铝塑包装袋内加热封口后再进行测试。

材料的流变性能采用企业标准进行测试。 记录转矩流变仪在温度140 ℃及负荷5 kg 条件下的扭矩曲线和料温曲线。

2 结果与讨论

2.1 杂质含量分析

采用光学控制系统测试材料的薄膜杂质数量。通过高精密度电子摄像机扫描薄膜表面测量透光率，系统根据透光率自动分辨为疑似焦料或凝胶。焦料表现为黑色杂质，基本无透过率；凝胶表现为可透过但透过率异常，粒子发黄或有可能进一步发展为焦料的均被判定为凝胶点。 几种材料在经过薄膜测试时均无大于等于50 μm 的焦料或杂质，进一步测试各材料的凝胶点，该凝胶点有进一步发展成为焦料的风险，可以反映各材料的潜在安全风险。 造成凝胶点、焦料和杂质的主要原因为以下两点：

（1）与绝缘材料的基料有关：① 绝缘材料基料合成设备非生产绝缘材料专用树脂，各牌号间切换造成添加剂残留等影响树脂的纯净度；②绝缘材料基料在合成过程中由于未对空气、水等介质进行净化处理造成混入空气中和水中的微粒，挤出过程中会成为凝胶点或焦料。

（2）与绝缘材料的加工工艺有关：① 绝缘材料基料的相对分子量分布较宽，造成部分大分子量在挤出加工过程中流动性差，较难熔融，从而在高温高压下造成凝胶点产生，进一步发展成为焦料；② 在绝缘料挤出加工过程中金属件间的摩擦、切粒过程中带入金属杂质等也会造成绝缘材料中引入杂质。

2.2 绝缘材料凝胶点数量对比

按试验方法对国外A、B、C 等3 个牌号的交联聚乙烯绝缘材料与国产YJ⁃220 交联聚乙烯的每千克材料中的凝胶点进行测量，结果见图1。

图1 绝缘材料凝胶点数量对比图

由图1 可以看出：4 种绝缘材料中，通过测试得到每千克材料中A 料含有4 个凝胶点，B 料含有6 个凝胶点，C 料含有 8 个凝胶点，YJ220 含有 7 个凝胶点，可以得出：A 料的加工安全性最高，C 料最低。

2.3 力学性能及热老化性能

按照1.3 节的试验方法对国外 A、B 和 C 等3 个牌号款交联聚乙烯绝缘材料的常规力学性能及老化后力学性能进行测试并与国产YJ⁃220 交联聚乙烯绝缘材料进行对比，结果见表1。

表1 绝缘材料的拉伸强度与断裂伸长率

由表1 可以看出：目前市场上国外的A、B、C 和国产YJ⁃220 的几种常用的高压绝缘材料在力学性能上均相差不大，老化也均能满足标准要求。

按1.3 节的试验方法对国外 A、B、C 和国产YJ⁃220 的几种常用的高压绝缘材料进行老化试验，经老化后几种绝缘材料的颜色变化见图2。

图2 老化后几种绝缘材料的颜色变化

由图2 可知：A、C 两种绝缘材料老化后颜色变化不大，B 和 YJ⁃220 经过老化后颜色发黄，老化后颜色发黄的原因是抗氧剂300 造成的［7］。 抗氧剂300 是硫代酚类抗氧剂，兼具主抗和辅抗的双重作用，在捕捉自由基后会生成带颜色的醌基，从而影响整体材料的颜色。

2.4 体积电阻率

影响绝缘材料的体积电阻率的因素较多，与绝缘材料所用的基础树脂、绝缘材料的杂质情况、交联程度等均有一定关系，按试验方法分别对国外A、B、C 和国产 YJ⁃220 等 4 种绝缘材料的体积电阻率和经过150 ℃×240 h 老化后的体积电阻率进行试验，结果见表2。 试验选择150 ℃×240 h 老化条件的原因是，尽可能在较长时间和较高温度老化后对比材料各项性能，更能体现材料间差异。

表2 不同温度下绝缘材料的体积电阻率 Ω·m

国产YJ⁃220 绝缘材料的23 ℃体积电阻率和90 ℃体积电阻率均低于其他3 种绝缘材料，在经过10 d 老化后，A、B 和 YJ⁃220 的体积电阻率均有一定程度的下降，C 有一定程度增大，但增幅和降幅均在一个数量级内。 造成国产YJ⁃220 绝缘材料的体积电阻率较低的原因为：①国内高压电缆材料的基体树脂在整体合成环境的纯净度、极性小分子物质残留上并未做特殊处理；②国外产品的基体树脂在合成阶段提高了整体乙烯基基团含量，制备的绝缘材料达到同样的交联度的前提下可以较少的添加主交联剂，而国产YJ⁃220 绝缘材料的基体树脂整体乙烯基基团含量较低，不饱和度较低，要达到同样的交联度，在减少主交联剂的同时需要适当补充助交联剂，这会降低整体材料的体积电阻率。

2.5 材料的流变特性

按照1.3 节的试验方法对国外A、B、C 和国产YJ⁃220 等4 种绝缘材料的流变特性进行测试，结果见图4 和图5。

图4 转矩流变仪扭矩

图5 转矩流变仪料温

由图4 可以看出：4 种绝缘材料的最低扭矩基本一致，随时间增加扭矩变化不大，但焦烧时间有较大差别，绝缘材料C 焦烧时间最短，绝缘材料A 焦烧时间最长，绝缘材料B 和C 在交联速率上相当，绝缘材料 A 和 YJ⁃220 相当。 由图 5 可以看出：随着时间的增加，在未发生交联反应前，料温随时间基本不变，当交联反应迅速发生时，料温增长较快，与图4 扭矩的变化趋势相对应。 说明这4 种绝缘材料在下游电缆生产厂家使用过程中存在不同的安全生产时间或安全生产温度，A 产品加工安全性最佳，C 产品加工安全性最低。 如何做到既能满足下游厂家较高生产效率，又能保证绝缘材料的加工安全性是需要进一步研究的内容。

3 结束语

通过光学控制系统对4 种绝缘材料的凝胶点风险进行评估，分析了造成该问题的原因。 分析了4 种绝缘材料的老化性能，提出了进一步探究绝缘材料抗氧化体系的可能性。 对比了4 种绝缘材料老化前后的体积电阻率，提出了国产绝缘材料YJ⁃220在老化前后体积电阻率偏低的问题。 分析了4 种绝缘材料的流变特性，提出了进一步的研究方向是在保证绝缘材料的加工安全性的前提下，提高下游电缆厂家的生产效率。