220 kV 高壓交流電纜用交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的性能研究

涂必冬， 李維康， 戴紅兵， 張 翀， 沈永健

（1.江蘇德威新材料股份有限公司，太倉 215421； 2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 輸變電技術(shù)國家重點實驗室，北京 102211）

0 引 言

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展，高壓電力電纜的生產(chǎn)和應(yīng)用也進入了一個快速的增長期，高壓電力電纜已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并應(yīng)用于各大城市和電站的電力輸送系統(tǒng)，但是制造高壓電力電纜所使用的絕緣材料卻被國外供應(yīng)商所壟斷，我國每年為此付出上億元的外匯購買該原料［1?4］。

國外在高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜料方面有豐富的經(jīng)驗，如 BOREALIS、DOW 等公司，這些廠家都是從石油裂解乙烯樹脂生產(chǎn)開始，使用專用的合成裝置生產(chǎn)超凈料，通過聚合等工序生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣料。 生產(chǎn)是密閉連續(xù)的，生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，質(zhì)量控制嚴(yán)格。 通過該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品具有耐用性能優(yōu)異、抗擊穿強度高、熱老化性能穩(wěn)定和加工性能優(yōu)良等特點。 我國目前生產(chǎn)的高壓電纜絕緣材料用聚乙烯樹脂比20 世紀(jì)90 年代初期有了質(zhì)的飛躍，該材料各項指標(biāo)滿足我國高壓電纜的使用要求，突破了用于超凈材料的原材料技術(shù)瓶頸。 國內(nèi)電纜材料廠家從2008 年開始陸續(xù)在高壓、超高壓電纜領(lǐng)域增加投入，已經(jīng)具備了研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的實力，比較突出的廠家有江蘇德威新材料股份有限公司、浙江萬馬高分子材料有限公司［5］。

目前，使用國產(chǎn)絕緣材料和半導(dǎo)電屏蔽材料制備220 kV 高壓交流電纜，并獲得型式試驗和預(yù)鑒定試驗的廠家僅為江蘇德威新材料股份有限公司，其與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司合作的國家電網(wǎng)公司科技項目（5455DW160006）已經(jīng)進入工程應(yīng)用階段，并在丹東供電局提供的線路中掛網(wǎng)運行。

國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展尚存在下列問題：①缺乏對高壓XLPE 絕緣材料基礎(chǔ)樹脂的系統(tǒng)研究；②超凈絕緣材料制備的穩(wěn)定性和連續(xù)性尚不及國外［6］。本工作對國產(chǎn)的高壓交流電纜用絕緣材料（代號YJ?220）與國外同類產(chǎn)品（代號 A、B、C）進行性能研究，找出國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料與進口交聯(lián)聚乙烯材料之間存在的差異，為國內(nèi)高壓電纜材料的研發(fā)提供參考。

1 試驗部分

1.1 原材料

低密度聚乙烯（LDPE），揚子石化巴斯夫2220H；抗氧劑300，廣州銀井精化科技有限公司；交聯(lián)劑過氧化二異丙苯（DCP），中國石化上海高橋石油化工有限公司；其他助劑均為市售產(chǎn)品。

1.2 高壓交流電纜用絕緣材料的制備

（1）將LDPE 樹脂、抗氧劑300 及加工助劑加入超潔凈的負壓喂料裝置中，通過電子計量系統(tǒng)后進入強制喂料斗，強制喂料進入擠出機進行熔融共擠；

（2）擠出機內(nèi)的混合原料在150～160 ℃條件下進行熔融共擠制備絕緣料預(yù)混料，經(jīng)水下切粒、離心脫水后進入緩沖料倉中；

（3）將緩沖料倉中的絕緣材料的預(yù)混料輸送至電子稱量系統(tǒng)，稱量完成后輸送至搖罐中，在65 ℃溫度條件下，將DCP 融化后，霧化噴入搖罐中使其進行充分吸收，混合后的絕緣料進入保溫料倉，保溫24 h，進行成品包裝。

1.3 分析與測試

按照ASTM D257—2014《絕緣材料直流電阻或電導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》測試絕緣材料的體積電阻率。

按照ASTM D638—2014《塑料的拉伸性能測試方法》 測試絕緣材料的物理性能，拉伸速率為250 mm·min-1。

按照IEC 60811?1?2《電纜和光纜的絕緣和護套材料的通用試驗方法第1?2 部分老化測試方法》測試材料的老化性能。

按照IEC 60811?2?1《電纜和光纜的絕緣和護套材料的通用試驗方法第2?1 部分熱延伸測試方法》測試材料的熱延伸性能。

雜質(zhì)含量采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行測試。 為了保證樣品測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對設(shè)備、取樣過程和環(huán)境情況加以說明：設(shè)備為德國產(chǎn)OCS 光學(xué)控制系統(tǒng)雜質(zhì)掃描儀，掃描雜質(zhì)精度為20 μm，試驗室凈化等級通過空氣凈化處理控制在1 000 級。 對于外來樣品的取樣為在合作的電纜企業(yè)絕緣加料室中完成，絕緣加料室凈化等級為100 級，取樣后放置到鋁塑包裝袋內(nèi)加熱封口后再進行測試。

材料的流變性能采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行測試。 記錄轉(zhuǎn)矩流變儀在溫度140 ℃及負荷5 kg 條件下的扭矩曲線和料溫曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 雜質(zhì)含量分析

采用光學(xué)控制系統(tǒng)測試材料的薄膜雜質(zhì)數(shù)量。通過高精密度電子攝像機掃描薄膜表面測量透光率，系統(tǒng)根據(jù)透光率自動分辨為疑似焦料或凝膠。焦料表現(xiàn)為黑色雜質(zhì)，基本無透過率；凝膠表現(xiàn)為可透過但透過率異常，粒子發(fā)黃或有可能進一步發(fā)展為焦料的均被判定為凝膠點。 幾種材料在經(jīng)過薄膜測試時均無大于等于50 μm 的焦料或雜質(zhì)，進一步測試各材料的凝膠點，該凝膠點有進一步發(fā)展成為焦料的風(fēng)險，可以反映各材料的潛在安全風(fēng)險。 造成凝膠點、焦料和雜質(zhì)的主要原因為以下兩點：

（1）與絕緣材料的基料有關(guān)：① 絕緣材料基料合成設(shè)備非生產(chǎn)絕緣材料專用樹脂，各牌號間切換造成添加劑殘留等影響樹脂的純凈度；②絕緣材料基料在合成過程中由于未對空氣、水等介質(zhì)進行凈化處理造成混入空氣中和水中的微粒，擠出過程中會成為凝膠點或焦料。

（2）與絕緣材料的加工工藝有關(guān)：① 絕緣材料基料的相對分子量分布較寬，造成部分大分子量在擠出加工過程中流動性差，較難熔融，從而在高溫高壓下造成凝膠點產(chǎn)生，進一步發(fā)展成為焦料；② 在絕緣料擠出加工過程中金屬件間的摩擦、切粒過程中帶入金屬雜質(zhì)等也會造成絕緣材料中引入雜質(zhì)。

2.2 絕緣材料凝膠點數(shù)量對比

按試驗方法對國外A、B、C 等3 個牌號的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料與國產(chǎn)YJ?220 交聯(lián)聚乙烯的每千克材料中的凝膠點進行測量，結(jié)果見圖1。

圖1 絕緣材料凝膠點數(shù)量對比圖

由圖1 可以看出：4 種絕緣材料中，通過測試得到每千克材料中A 料含有4 個凝膠點，B 料含有6 個凝膠點，C 料含有 8 個凝膠點，YJ220 含有 7 個凝膠點，可以得出：A 料的加工安全性最高，C 料最低。

2.3 力學(xué)性能及熱老化性能

按照1.3 節(jié)的試驗方法對國外 A、B 和 C 等3 個牌號款交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的常規(guī)力學(xué)性能及老化后力學(xué)性能進行測試并與國產(chǎn)YJ?220 交聯(lián)聚乙烯絕緣材料進行對比，結(jié)果見表1。

表1 絕緣材料的拉伸強度與斷裂伸長率

由表1 可以看出：目前市場上國外的A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 的幾種常用的高壓絕緣材料在力學(xué)性能上均相差不大，老化也均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

按1.3 節(jié)的試驗方法對國外 A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 的幾種常用的高壓絕緣材料進行老化試驗，經(jīng)老化后幾種絕緣材料的顏色變化見圖2。

圖2 老化后幾種絕緣材料的顏色變化

由圖2 可知：A、C 兩種絕緣材料老化后顏色變化不大，B 和 YJ?220 經(jīng)過老化后顏色發(fā)黃，老化后顏色發(fā)黃的原因是抗氧劑300 造成的［7］。 抗氧劑300 是硫代酚類抗氧劑，兼具主抗和輔抗的雙重作用，在捕捉自由基后會生成帶顏色的醌基，從而影響整體材料的顏色。

2.4 體積電阻率

影響絕緣材料的體積電阻率的因素較多，與絕緣材料所用的基礎(chǔ)樹脂、絕緣材料的雜質(zhì)情況、交聯(lián)程度等均有一定關(guān)系，按試驗方法分別對國外A、B、C 和國產(chǎn) YJ?220 等 4 種絕緣材料的體積電阻率和經(jīng)過150 ℃×240 h 老化后的體積電阻率進行試驗，結(jié)果見表2。 試驗選擇150 ℃×240 h 老化條件的原因是，盡可能在較長時間和較高溫度老化后對比材料各項性能，更能體現(xiàn)材料間差異。

表2 不同溫度下絕緣材料的體積電阻率 Ω·m

國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的23 ℃體積電阻率和90 ℃體積電阻率均低于其他3 種絕緣材料，在經(jīng)過10 d 老化后，A、B 和 YJ?220 的體積電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個數(shù)量級內(nèi)。 造成國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的體積電阻率較低的原因為：①國內(nèi)高壓電纜材料的基體樹脂在整體合成環(huán)境的純凈度、極性小分子物質(zhì)殘留上并未做特殊處理；②國外產(chǎn)品的基體樹脂在合成階段提高了整體乙烯基基團含量，制備的絕緣材料達到同樣的交聯(lián)度的前提下可以較少的添加主交聯(lián)劑，而國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的基體樹脂整體乙烯基基團含量較低，不飽和度較低，要達到同樣的交聯(lián)度，在減少主交聯(lián)劑的同時需要適當(dāng)補充助交聯(lián)劑，這會降低整體材料的體積電阻率。

2.5 材料的流變特性

按照1.3 節(jié)的試驗方法對國外A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 等4 種絕緣材料的流變特性進行測試，結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 轉(zhuǎn)矩流變儀扭矩

圖5 轉(zhuǎn)矩流變儀料溫

由圖4 可以看出：4 種絕緣材料的最低扭矩基本一致，隨時間增加扭矩變化不大，但焦燒時間有較大差別，絕緣材料C 焦燒時間最短，絕緣材料A 焦燒時間最長，絕緣材料B 和C 在交聯(lián)速率上相當(dāng)，絕緣材料 A 和 YJ?220 相當(dāng)。 由圖 5 可以看出：隨著時間的增加，在未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)前，料溫隨時間基本不變，當(dāng)交聯(lián)反應(yīng)迅速發(fā)生時，料溫增長較快，與圖4 扭矩的變化趨勢相對應(yīng)。 說明這4 種絕緣材料在下游電纜生產(chǎn)廠家使用過程中存在不同的安全生產(chǎn)時間或安全生產(chǎn)溫度，A 產(chǎn)品加工安全性最佳，C 產(chǎn)品加工安全性最低。 如何做到既能滿足下游廠家較高生產(chǎn)效率，又能保證絕緣材料的加工安全性是需要進一步研究的內(nèi)容。

3 結(jié)束語

通過光學(xué)控制系統(tǒng)對4 種絕緣材料的凝膠點風(fēng)險進行評估，分析了造成該問題的原因。 分析了4 種絕緣材料的老化性能，提出了進一步探究絕緣材料抗氧化體系的可能性。 對比了4 種絕緣材料老化前后的體積電阻率，提出了國產(chǎn)絕緣材料YJ?220在老化前后體積電阻率偏低的問題。 分析了4 種絕緣材料的流變特性，提出了進一步的研究方向是在保證絕緣材料的加工安全性的前提下，提高下游電纜廠家的生產(chǎn)效率。