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(jīng)濟(jì)的“動(dòng)脈”和“神經(jīng)”，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、交通、發(fā)電廠、汽車、石化等領(lǐng)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(chǎn)過程中，添加的交聯(lián)劑及交聯(lián)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物等雜質(zhì)可能會(huì)引入絕緣層內(nèi)部，使得在電場下空間電荷積聚更加嚴(yán)重，從而加速絕緣老化；在制造XLPE電纜時(shí)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(shí)，交聯(lián)時(shí)的硫化脫氣，不僅使得工藝復(fù)雜化，而且生產(chǎn)環(huán)境也非常惡劣，難以循環(huán)再利用，其交聯(lián)和去應(yīng)力時(shí)間、成本遠(yuǎn)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(jí)高、可塑化循環(huán)再利用等特點(diǎn)，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(chǎn)效率等方面具有獨(dú)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(nèi)現(xiàn)有工藝技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，對(duì)中壓電纜的材料進(jìn)行調(diào)整和改善，研究成品電纜的質(zhì)量和成效，將進(jìn)一步推動(dòng)電力電纜材料的改進(jìn)及工藝技術(shù)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(jī)遇。

1 國內(nèi)外技術(shù)水平

1.1 國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展情況

20世紀(jì)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(dá)國家已形成批量化應(yīng)用規(guī)模，在美國、意大利、荷蘭、西班牙、英國和芬蘭等多個(gè)國家投入批量生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年已經(jīng)投入運(yùn)行的改性PP電力電纜達(dá)到了50 000 km。據(jù)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(shè)運(yùn)行。德國、芬蘭開展500 kV電纜開發(fā)試驗(yàn)工作。

我國對(duì)PP的改性研究起步相對(duì)較晚，電線電纜用PP絕緣料的研究和使用還處于初級(jí)階段，對(duì)電力電纜產(chǎn)品的使用還需要進(jìn)一步的開發(fā)。國內(nèi)學(xué)者或高等院校已開展了聚丙烯及其納米材料應(yīng)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(nèi)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(diǎn)開發(fā)110 kV直流電纜，已試制一根電纜在試運(yùn)行。同時(shí)，國內(nèi)某電纜企業(yè)也已試制出一根電壓等級(jí)為26／35 kV的PP作為絕緣材料的電纜，現(xiàn)已在某研究院進(jìn)行真型模擬試驗(yàn)。經(jīng)過改良后的PP材料在電力電纜領(lǐng)域?qū)?huì)有長足的發(fā)展，表現(xiàn)出強(qiáng)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(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的XLPE電纜絕緣料相比，PP材料是一種相對(duì)體積質(zhì)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(jié)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(yùn)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(jī)械強(qiáng)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(gè)更綠色環(huán)保的生命周期的材料。PP電纜和XLPE電纜的試驗(yàn)對(duì)比見表1。

表1 PP和XLPE電纜試驗(yàn)對(duì)比

PP屬于新型絕緣材料，利用PP絕緣材料運(yùn)用到PP電纜的生產(chǎn)中，其絕緣厚度相比同等電壓等級(jí)的XLPE電纜厚度減少20%，兩者絕緣厚度對(duì)比，見表2。

表2 PP與XLPE電纜絕緣厚度對(duì)比

1.3 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)能夠正確指導(dǎo)生產(chǎn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：

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

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

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

（4）絕緣老化后的機(jī)械性能空氣箱老化溫度和時(shí)間為150℃，168 h。

（5）絕緣收縮試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間分別為150℃，1 h。

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

（7）電纜局部放電試驗(yàn)：試驗(yàn)電壓應(yīng)逐漸升高至2U0并保持10 s，然后緩慢降到1.73U0（45 kV），應(yīng)無任何由被試電纜產(chǎn)生的超過聲明試驗(yàn)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(jié)構(gòu)

PP絕緣中壓電力電纜的生產(chǎn)工藝不同于普通電力電纜的生產(chǎn)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(dǎo)電屏蔽材料和105℃環(huán)保型改性聚丙烯絕緣材料。針對(duì)PP熔點(diǎn)高、熔體強(qiáng)度低和相形態(tài)控制難等問題，國內(nèi)創(chuàng)新提出擠出生產(chǎn)線中加溫、冷卻方式和流道設(shè)計(jì)方案，研制了PP中高壓電纜三層共擠高溫生產(chǎn)線。通過對(duì)PP擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和牽引速率等工藝參數(shù)的探索，以及工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證，掌握聚丙烯電纜三層共擠的關(guān)鍵技術(shù)和制造能力。

以聚丙烯單芯電纜26／35 kV 1×400 mm2的結(jié)構(gòu)為例，產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。

圖2 PP絕緣中壓電力電纜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，所檢測型式試驗(yàn)項(xiàng)目符合標(biāo)準(zhǔn)要求。下面列舉部分主要電氣性能指標(biāo)見表3。部分非電氣性能試驗(yàn)見表4。

表3 主要電氣性能指標(biāo)

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

由表4可以看出：PP絕緣中壓電力電纜成品絕緣老化機(jī)械性能和熱收縮試驗(yàn)測試溫度在150℃（XLPE絕緣試驗(yàn)溫度為135℃）情況下進(jìn)行，符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)的PP電纜相對(duì)XLPE電纜具有工作溫度高、綠色環(huán)保、生產(chǎn)效率高和經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)國內(nèi)外市場空白。電纜外徑小，綜合生產(chǎn)成本低，便于客戶安裝敷設(shè)。

表4 部分非電氣性能試驗(yàn)

4 結(jié)束語

本工作選用改性PP作為中壓電纜的絕緣材料，同時(shí)對(duì)絕緣擠出生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了PP絕緣中壓電力電纜的生產(chǎn)制造；該產(chǎn)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(diǎn)，其各項(xiàng)性能順利通過型式試驗(yàn)檢測，不僅滿足客戶的使用需求，而且可提高電纜的可靠運(yùn)行，具有較大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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