國(guó)產(chǎn)110kVXLPE電纜料的研發(fā)和性能

蔡建超， 劉美兵， 何 軍， 馮本青， 屠德民

(浙江萬(wàn)馬高分子材料有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜料生產(chǎn)的電壓等級(jí)停留在35 kV及以下，而我國(guó)110 kV和220 kV XLPE電纜的需求量每年以25%增長(zhǎng)［1］，2010年我國(guó)高壓XLPE電力電纜生產(chǎn)量達(dá)18000 km，高壓 XLPE 電纜料用量增加到 50000 t［2］?？墒?，高壓XLPE電纜料全部依靠進(jìn)口，造成此局面的主要原因是國(guó)內(nèi)缺乏超凈化聚乙烯基料和超凈電纜料生產(chǎn)線。

雖然XLPE的基礎(chǔ)樹脂的短時(shí)本征介電強(qiáng)度超過(guò)800 kV/mm，但電力電纜的設(shè)計(jì)平均電場(chǎng)強(qiáng)度約為4～18 kV/mm，決定于電纜的電壓等級(jí)。大量研究工作指出，絕緣的缺陷是導(dǎo)致介電強(qiáng)度較低的原因，所謂缺陷是指雜質(zhì)和微孔［3］。電纜絕緣的樹枝化和電老化是決定髙壓和超高壓電纜壽命的最重要因素，電老化理論提出電纜的擊穿是由于分子的疲勞和半導(dǎo)電空隙的形成，在此理論中聚合物凝聚能是重要參數(shù)，此外絕緣中的污穢也降低絕緣的壽命，污穢改變了局部電場(chǎng)，從而逐步形成微孔［4］。

為了高壓電纜料的國(guó)產(chǎn)化，化工單位分析了聚乙烯合成過(guò)程中產(chǎn)生污穢原因后，改造了設(shè)備、改善了管理和生產(chǎn)方式，成功地開發(fā)了110 kV高壓電纜的XLPE基料［5］。電纜料生產(chǎn)廠分析國(guó)內(nèi)外高壓XLPE電纜絕緣料性能，提岀了去除原料中雜質(zhì)的思路，研究了配方和工藝，探索了110 kV XLPE電纜料的研制工作［6］。還有的在Buss機(jī)上試制了66 kV和110 kV XLPE電纜料，但未見(jiàn)性能指標(biāo)［7］。

我公司先后用7年時(shí)間論證、籌備，投資1.4億元建成超凈高壓XLPE電纜生產(chǎn)線，成功開發(fā)了超凈的YJ-110高壓電纜絕緣料，并通過(guò)了省級(jí)新產(chǎn)品鑒定。

本文系統(tǒng)介紹YJ-110高壓電纜絕緣料的研制過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)和措施，最后敘述產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

1 開發(fā)超凈髙壓XLPE絕緣料的技術(shù)分析

我們首先測(cè)量了本公司生產(chǎn)的YJ-35和兩種進(jìn)口高壓XLPE電纜料的各種性能。對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)性能中，國(guó)產(chǎn)中壓XLPE電纜料與進(jìn)口高壓XLPE電纜料的性能大同小異，主要差別在雜質(zhì)顆粒和表1所示的非常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目。YJ-35電纜料每公斤含有直徑175～250 μm的雜質(zhì)顆粒2個(gè)，而進(jìn)口高壓XLPE電纜料中沒(méi)有大于100 μm顆粒。

對(duì)比表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，YJ-35 XLPE料中存在的問(wèn)題有:(1)交聯(lián)副產(chǎn)物多，擬通過(guò)基礎(chǔ)樹脂及交聯(lián)劑體系的研究來(lái)解決;(2)高溫老化性能差，擬通過(guò)抗氧劑體系的研究解決;(3)擠出表面質(zhì)量差與出口膨脹大有關(guān)聯(lián)性，擬通過(guò)綜合體系的研究來(lái)改善。即需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容集中在配方技術(shù)、工藝技術(shù)、凈化處理和檢測(cè)技術(shù)等四大部分。

表1 非常規(guī)性能

2 工藝技術(shù)

后吸法生產(chǎn)工藝:XLPE電纜料的雜質(zhì)除來(lái)自基料外，直接法生產(chǎn)工藝中形成的焦燒不可忽視。為此我們開發(fā)了新工藝技術(shù)，稱之為后吸法工藝。交聯(lián)劑以粒子吸收的方式和基礎(chǔ)樹脂材料混合，交聯(lián)劑在低溫下和基礎(chǔ)樹脂材料共混吸收，改變了原有的交聯(lián)劑加入溫度為120℃、交聯(lián)劑和基礎(chǔ)樹脂材料混煉擠出混合工藝。該工藝的最大好處是完全避免了因生產(chǎn)過(guò)程中交聯(lián)分解引起的焦燒現(xiàn)象，由于交聯(lián)劑后加入，前期的混煉溫度可提高到基礎(chǔ)樹脂及助劑的熔融溫度以上，使得物料分散更均勻，并且采用先進(jìn)的凈化處理系統(tǒng)確保產(chǎn)品的潔凈度 ，改善了電纜的老化性能和電性能，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 配方技術(shù)

3.1 基料

對(duì)4種國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的基礎(chǔ)樹脂與國(guó)外基礎(chǔ)樹脂進(jìn)行了性能對(duì)比分析，通過(guò)和石化公司長(zhǎng)達(dá)三年的合作，協(xié)助開發(fā)了高壓XLPE基礎(chǔ)樹脂。前后多次進(jìn)行基礎(chǔ)樹脂的改進(jìn)試驗(yàn)，使基礎(chǔ)樹脂在性能指標(biāo)上有明顯的改善，確保其穩(wěn)定性和適用性，考慮到基礎(chǔ)樹脂生產(chǎn)設(shè)備和物料清潔度的影響，我們選擇了基礎(chǔ)樹脂C進(jìn)行研究。在原有技術(shù)基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)工藝來(lái)改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以滿足開發(fā)高壓XLPE絕緣料的需要。基礎(chǔ)樹脂C改進(jìn)前后測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如下:

(1)熔體流動(dòng)性能的變化。以熔融指數(shù)衡量熔體流動(dòng)性能，熔融指數(shù)在熔指儀上測(cè)定的條件為溫度140℃、砝碼5 kg和口模直徑 d=2.095±0.005 mm。對(duì)比數(shù)據(jù)示于表2中。表中，變化率=(造粒融指－原始融指)/原始的融指。

從表2可見(jiàn)，樹脂C不管哪種造粒法，造粒后熔融指數(shù)都下降;而樹脂C經(jīng)改性后，添加氧化劑再高溫?cái)D出造粒，粒子的熔融指數(shù)非但不下降，還能升高1.5%。

表2 后吸法工藝加工前后熔融指數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

樹脂C改性前后，擠出直徑D的變化列于表3中。擠出直徑D減去口模直徑d為出口膨脹值。

表3 后吸法工藝加工前后擠出直徑D對(duì)比數(shù)據(jù)(單位:mm)

從表3可見(jiàn)，樹脂C改性后出口膨脹率有所下降。

(2)雜質(zhì)儀擠塑機(jī)擠出表面性能。樹脂C和改性樹脂C分別在雜質(zhì)儀擠塑機(jī)上擠出后，表面情況分別列于表4中。

表4 擠出表面性能

(3)成品的流變及常規(guī)性能見(jiàn)表5。

表5 成品的流變及常規(guī)性能

從表2～表5數(shù)據(jù)可見(jiàn)，改進(jìn)后樹脂C在各性能指標(biāo)上有明顯的改善。材料的加工安全性提高、出口膨脹率下降、擠出表面質(zhì)量改善和交聯(lián)劑添加量的減少。

3.2 交聯(lián)劑、抗氧劑和其他助劑體系的研究

通過(guò)YJ-35與進(jìn)口樣品對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外電纜料揮發(fā)份指標(biāo)差異較大。該指標(biāo)主要影響電纜的脫氣工藝，交聯(lián)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物與交聯(lián)劑的加入量有直接關(guān)系。

在研究過(guò)程中，通過(guò)添加助交聯(lián)劑、高效交聯(lián)劑等，對(duì)基礎(chǔ)樹脂材料改性，分別用E1、E2、E3代表所選的三種不同改性材料產(chǎn)品，使用后吸法，試制小樣，測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 小樣配方

上述四組小樣的全性能測(cè)試數(shù)據(jù)列于表7中。

表7 小樣全性能數(shù)據(jù)

由表7可見(jiàn)，在基礎(chǔ)樹脂材料中添加助交聯(lián)劑，降低交聯(lián)劑的用量是可行的，添加E1、E2和E3后，交聯(lián)劑使用1.8%就可以滿足所有指標(biāo)。E2能改善熱延伸，但影響其他指標(biāo);而E1和E3兩種助劑可以作為儲(chǔ)備配方用。

4 工藝流程

(1)主要生產(chǎn)設(shè)備。整套引進(jìn)瑞士BUSS公司高壓絕緣料的后吸法生產(chǎn)線。

(2)主要檢測(cè)設(shè)備。德國(guó)OCS公司高精度光學(xué)測(cè)試設(shè)備，包括在線檢測(cè)和離線檢測(cè)兩種，檢測(cè)精度分別高達(dá)110 μm和20 μm。德國(guó)GOTTFERT公司的熔融指數(shù)儀。

(3)后吸法［8］生產(chǎn)高壓XLPE電纜料的工藝流程如圖1所示。圖中高溫混煉料過(guò)濾網(wǎng)為500目。

圖1 后吸法的工藝流程

超凈生產(chǎn)線安裝在總面積14024 m2的12層新廠房?jī)?nèi)，兩個(gè)各400 m3的大料倉(cāng)豎立在廠房外。

5 凈化處理

高壓XLPE絕緣料對(duì)雜質(zhì)的要求特別高，需要對(duì)整套系統(tǒng)做凈化處理來(lái)滿足生產(chǎn)條件，其具體措施如下:

(1)冷卻循環(huán)水的凈化及過(guò)濾，使用RO-4000型反滲透處理裝置，其中包括機(jī)械過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器，原水電導(dǎo)率為(88±3)μS/m，產(chǎn)水電導(dǎo)率(4±3)μS/m。產(chǎn)水經(jīng)過(guò)水過(guò)濾系統(tǒng)(最小可控制到3 μm的雜質(zhì))得到進(jìn)一步處理。

(2)壓縮空氣及氮?dú)獾膬艋^(guò)濾，使用高精度的過(guò)濾器(最小可控制到1 μm的雜質(zhì));加熱、冷卻循環(huán)風(fēng)的凈化及過(guò)濾，風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)口使用5 μm過(guò)濾袋一級(jí)過(guò)濾，再使用2 μm紙制過(guò)濾器二級(jí)過(guò)濾。

(3)環(huán)境的凈化，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)車間保持一定的凈化等級(jí)和氣壓，一般區(qū)凈化度為3000級(jí)、上料區(qū)為1000級(jí)、在線檢測(cè)區(qū)為1000級(jí)、包裝區(qū)為1000級(jí)和包裝口區(qū)為100級(jí)。

(4)凈化后的產(chǎn)品需要檢測(cè)，從德國(guó)OCS公司引進(jìn)高精度光學(xué)測(cè)試設(shè)備，包括在線檢測(cè)和離線檢測(cè)兩種，檢測(cè)精度分別高達(dá)110 μm和20 μm。其中在線檢測(cè)可占總產(chǎn)量的2% ～5%，可連續(xù)監(jiān)控產(chǎn)品中的雜質(zhì)。

6 成品檢測(cè)報(bào)告

上海電纜研究所對(duì)YJ-110高壓XLPE電纜料出具的檢測(cè)報(bào)告列于表8中。

從表8可見(jiàn)，實(shí)測(cè)值均符合技術(shù)指標(biāo)的要求。YJ-110高壓XLPE電纜料已通過(guò)浙江省新產(chǎn)品鑒定，用該料試制的YJLW03 64/tru=×630電力電纜也已通過(guò)武漢高壓研究院的全面性能測(cè)試。

表8 YJ-110高壓XLPE電纜料的檢測(cè)報(bào)告

7 結(jié)論

(1)我公司和石化公司長(zhǎng)達(dá)三年時(shí)間的合作，協(xié)助開發(fā)了高壓XLPE基礎(chǔ)樹脂。

(2)采用高效交聯(lián)劑、交聯(lián)助劑和后吸法工藝，可使交聯(lián)劑用量降低到1.8%。

(3)物料的封閉運(yùn)輸、高溫料的過(guò)濾、雜質(zhì)在線檢測(cè)和環(huán)境的凈化可保證XLPE電纜料的雜質(zhì)含量符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(4)YJ-110高壓XLPE電纜料的各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，產(chǎn)品通過(guò)了浙江省新產(chǎn)品的鑒定。

［1］姒承榮.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料國(guó)產(chǎn)化的必要性和可行性［C］//中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電纜材料面向“十一·五”發(fā)展與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集，昆明:2005.51-58.

［2］沈彬華.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料的國(guó)產(chǎn)化研究［J］.電線電纜，2010(1):21-25.

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

［4］Gross L H，F(xiàn)urno J S，Reid C G，et al.XLPE Materials for extruded high/extra-high voltage transmission cables［R］.Conference Record of the 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Arlington，Virginia，USA，June 7-10，1998，538-542.

［5］龔 俊.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣基料生產(chǎn)可行性探討［J］.石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2009，25(5):25-29.

［6］沈彬華.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料的國(guó)產(chǎn)化研究［J］.電線電纜，2010(1):21-25.

［7］高然生，宋鴻文.110 kV級(jí)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣料的國(guó)產(chǎn)化［J］.電線電纜，2004(3):32-33.

［8］馮本青，何 軍.電纜材料的后吸法工藝［P］.中國(guó)專利200710168263.3，2010-12-29.