國產(chǎn)高壓XLPE絕緣料在110 kV電纜上的應(yīng)用

蔡建超，陳文卿

(浙江萬馬高分子材料有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

自從40多年前交聯(lián)聚乙烯(XLPE)首次作為電力電纜絕緣后，XLPE電纜料的用量逐年快速增加，隨著電纜電壓等級逐步提高，對XLPE電纜料質(zhì)量的要求也相應(yīng)提高。上世紀(jì)80年代我國已實現(xiàn)了35 kV及以下中壓電纜XLPE絕緣料的國產(chǎn)化，但至今高壓電纜絕緣料仍全部依賴進(jìn)口。中壓和高壓電纜料在一般介電和機械性能方面沒有顯著差別，但在特定性能方面，如雜質(zhì)尺寸、濃度、揮發(fā)性物質(zhì)、擠出口膨脹率、加工對融指的影響、高溫老化和擠出表面質(zhì)量等差別明顯［1］。高壓XLPE電纜的工作電場強度高，樹枝化和電老化是絕緣擊穿的主要原因［2］，雜質(zhì)引起絕緣中局部電場倍增，形成樹枝化的引發(fā)點，也會引起局部材料疲勞產(chǎn)生微孔。XLPE擠出表面粗糙易導(dǎo)致半導(dǎo)體屏蔽層表面不光滑，形成表面電場集中。絕緣中揮發(fā)性物質(zhì)含量高是形成微孔的主要原因，在保證交聯(lián)度情況下降低交聯(lián)劑用量十分重要?？刂齐s質(zhì)的大小和濃度是開發(fā)高壓XLPE 電纜料的關(guān)鍵［3-4］。

我公司經(jīng)數(shù)年努力，協(xié)助化工單位開發(fā)了適用于高壓XLPE電纜料的基礎(chǔ)樹脂，引進(jìn)超凈生產(chǎn)線和在線、離線雜質(zhì)測量儀，建成超凈廠房，改性基礎(chǔ)樹脂，采用后吸法生產(chǎn)工藝，成功開發(fā)了國產(chǎn)YJ-110 高壓 XLPE 電纜料［1］。

為了檢驗YJ-110電纜料的加工工藝性能和電纜成品的質(zhì)量，使用國產(chǎn)YJ-110高壓電纜絕緣料和進(jìn)口絕緣料分別試制了兩根型號為YJLW03 64/110 1×630的XLPE電力電纜，在同一生產(chǎn)線上，使用相同的內(nèi)外半導(dǎo)電屏蔽料，在相同的工藝溫度下，觀測三層共擠擠塑機工作參數(shù)與時間的關(guān)系，對比擠塑性能。最后，兩根電纜在武漢高壓研究院按國家標(biāo)準(zhǔn)［5］進(jìn)行了全性能的對比試驗，試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)高壓電纜絕緣料已經(jīng)完全達(dá)到國外進(jìn)口高壓絕緣料的水平，達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)和推廣的要求。

1 電纜的生產(chǎn)設(shè)備與材料

(1)生產(chǎn)設(shè)備

芬蘭麥拉菲爾(maillefer)公司生產(chǎn)的立塔高壓電纜生產(chǎn)線。

(2)原材料

1)電纜A絕緣:進(jìn)口110 kV XLPE絕緣料;電纜B絕緣:浙江萬馬高分子材料有限公司生產(chǎn)的YJ-110高壓XLPE絕緣料;

2)半導(dǎo)電內(nèi)屏蔽料:日本NUC公司的NUCV 9563屏蔽料;

3)半導(dǎo)電外屏蔽料:美國DOW公司生產(chǎn)的HFDB 0586屏蔽料。

2 工藝參數(shù)的設(shè)定

(1)三層共擠擠塑機溫度的設(shè)定。三螺桿不同區(qū)域的溫度見表1。表1中，Z1～Z8是三臺擠塑機的溫控區(qū)，H1和H2分別是三層共擠的機頭上下電加熱圈處設(shè)定的溫度，TU4是螺桿S2芯中通恒溫循環(huán)水的溫度，三層共擠機頭的溫度都是123℃。

表1 三螺桿上各溫區(qū)的設(shè)定溫度 (單位:℃)

(2)6節(jié)硫化管道，每節(jié)6 m，每節(jié)硫化管的溫度見表2。

(3)導(dǎo)體前置預(yù)熱溫度90℃，導(dǎo)體后置加熱溫度150℃。

(4)導(dǎo)體運行線速度1.52 m/min。

表2 氮氣壓力10bar下硫化管道溫度 (單位:℃)

3 三層共擠參數(shù)的記錄

為了對比絕緣料A(進(jìn)口超高壓絕緣料)與絕緣料B(萬馬YJ-110高壓XLPE絕緣料)的加工工藝性能，在所有工藝溫度參數(shù)不變的情況下，記錄 200擠塑機運行參數(shù)的波動，觀測其電流、轉(zhuǎn)速、壓力、轉(zhuǎn)速、絕緣厚度和絕緣偏心值隨時間波動的關(guān)系(見圖1)，圖中，1為電流(A);2為壓力(MPa);3為絕緣厚度;4為轉(zhuǎn)速(rpm);5為偏心(mm)，上述數(shù)據(jù)每5 min采樣一次。

從圖1中可見，連續(xù)生產(chǎn)5h各參數(shù)均非常穩(wěn)定，波動范圍較小。兩種絕緣料A和B在擠塑過程中，各參數(shù)隨時間的數(shù)值變化列于表3中。

從表3數(shù)據(jù)可見，使用國產(chǎn)的絕緣料B，主機轉(zhuǎn)速要稍微快些，但是電流反而小些，可能和粒子大小有關(guān)，影響喂料量。連續(xù)開機5h，擠出壓力前后變化均為0.3 MPa，兩種料的擠塑性能基本一致。通過偏心測試儀記錄的數(shù)據(jù)可得出，絕緣厚度在5h內(nèi)絕緣料A比絕緣料B厚度波動要稍大，而偏心值要稍小，總體來說兩者之間無明顯的差異，說明絕緣料B可以適應(yīng)該高壓料擠出工藝性能要求，并且非常穩(wěn)定。

圖1 擠塑機運行參數(shù)隨時間的變化

4 電纜性能的檢測

兩種絕緣料生產(chǎn)的成品電纜，送武漢高壓研究院進(jìn)行了全面性能的測量。

(1)局部放電測量

兩種絕緣電纜的局放測量結(jié)果見表4。

表4 兩種絕緣電纜的局部放電測量結(jié)果

從表4可見，兩種絕緣電纜的局部放電試驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，用絕緣料A生產(chǎn)的電纜的局部放電量略微小些。

(2)沖擊電壓試驗

試驗條件:環(huán)境溫度9.5℃，相對濕度50%，大氣壓0.1012 MPa。

電纜先經(jīng)正負(fù)極性沖擊電壓試驗各10次，隨后再做工頻耐壓試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 電纜的沖擊電壓和交流耐壓試驗

(3)絕緣的老化性能

絕緣老化前后的機械性能見表6。

從表6可見，絕緣A與絕緣B的機械性能相當(dāng)，老化前抗張強度和斷裂伸長率分別都比標(biāo)準(zhǔn)要求值大一倍和兩倍，老化后兩者的變化率都比標(biāo)準(zhǔn)要求值小得多。

(4)電纜絕緣中微孔和雜質(zhì)檢測

絕緣中微孔和雜質(zhì)的檢測結(jié)果列見表7。從表7可見，絕緣A和絕緣B中的微孔都不大于25 μm，不透明雜質(zhì)都不大于50 μm，半透明棕色物質(zhì)都不大于250 μm。

(5)其他性能試驗

絕緣的介質(zhì)損耗、熱延伸和收縮率的測量數(shù)據(jù)見表8。

從表3到表8的測量數(shù)據(jù)可見，國產(chǎn)YJ-110絕緣料B生產(chǎn)的110 kV電纜的各項性能完全滿足符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并與進(jìn)口絕緣料A生產(chǎn)的電纜的各項性能相當(dāng)。

表6 絕緣老化前后的機械性能

表7 絕緣中微孔和雜質(zhì)的檢測值

表8 其他性能

5 結(jié)束語

萬馬YJ-110高壓電纜料與進(jìn)口高壓電纜料在同一立塔三層共擠生產(chǎn)線上分別生產(chǎn)兩根同樣規(guī)格的YJLW03 64/110 1×630 XLPE電力電纜，在擠塑性能方面兩種絕緣料之間無明顯的差異，說明YJ-110絕緣料可以適應(yīng)高壓料擠出工藝性能要求，并且非常穩(wěn)定。

兩根110 kV XLPE電力電纜在武漢高圧研究院進(jìn)行了全面性能的測量，從對比數(shù)據(jù)可見，用YJ-110高壓絕緣料生產(chǎn)的電纜完全達(dá)到了用進(jìn)口高壓絕緣料生產(chǎn)的電纜的水平。

［1］蔡建超，劉美兵，何 軍，等.國產(chǎn)110 kV XLPE電纜料的研發(fā)和性能［J］.電線電纜，2012(6):28-31.

［2］Vahdat Vahedy.Polymer Insulated High Voltage Cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2006，22(3):13-18.

［3］Jan-Ove Bostrom，Eric Marsden，R.Nigel Hampton，et al.E-lectrical Stress Enhancement of Contaminants in XLPE Insulation Used for Power Cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2003，19(4):6-12.

［4］賈 欣，劉 英，曹曉瓏.國產(chǎn)高壓XLPE電纜絕緣中允許雜質(zhì)尺寸的試驗研究及方法［J］.電線電纜，2003(6):22-25.

［5］GB/T 11017—2002 額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.