220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料國(guó)產(chǎn)化研究

黎小林，王一鑄，侯帥，傅明利，伍國(guó)興，徐曙

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2. 直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663；3. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethyline, XLPE)作為一種具有優(yōu)良絕緣及機(jī)械性能的非極性絕緣材料，由普通聚乙烯經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)制得。交聯(lián)反應(yīng)使得長(zhǎng)鏈聚乙烯分子以共價(jià)鍵的形式結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而具有了體型分子的性質(zhì)[1 - 2]。研究表明，在一定范圍內(nèi)，XLPE的長(zhǎng)期使用溫度和機(jī)械性能隨交聯(lián)度的提高即三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的完善而增強(qiáng)[3 - 4]，這一性能改善使交聯(lián)聚乙烯被廣泛用于制作電纜主絕緣材料[5 - 6]。

目前，擠包絕緣逐漸淘汰繞包油紙絕緣成為主流的高壓電纜絕緣形式，可交聯(lián)聚乙烯電纜料是生產(chǎn)擠包絕緣電纜的關(guān)鍵材料[7 - 8]。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了生產(chǎn)500 kV電壓等級(jí)電力電纜的能力，然而在電力電纜生產(chǎn)用可交聯(lián)聚乙烯料的生產(chǎn)及研發(fā)方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有明顯差距。因此，為打破我國(guó)可交聯(lián)聚乙烯料長(zhǎng)期受制于人，即“卡脖子”的問(wèn)題，推進(jìn)我國(guó)可交聯(lián)聚乙烯料的研發(fā)工作十分迫切。

國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯料的生產(chǎn)主要依靠電纜料生產(chǎn)企業(yè)，而基礎(chǔ)樹(shù)脂作為重要原材料則由國(guó)內(nèi)石化企業(yè)提供，如燕山石化和揚(yáng)巴石化等。近年來(lái)，在石化企業(yè)對(duì)電纜料用基礎(chǔ)樹(shù)脂性能持續(xù)優(yōu)化以及電纜料企業(yè)在產(chǎn)品配方開(kāi)發(fā)、存儲(chǔ)及運(yùn)輸技術(shù)方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步的大背景下，國(guó)產(chǎn)高壓電纜料在各方面均有了質(zhì)的飛躍，已成功量產(chǎn)了110 kV電壓等級(jí)產(chǎn)品[9]，但220 kV電壓等級(jí)產(chǎn)品的工程應(yīng)用目前還鮮有報(bào)道。

本文首先簡(jiǎn)要分析了國(guó)內(nèi)外可交聯(lián)聚乙烯料性能存在差距的原因，通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)樹(shù)脂的分子鏈結(jié)構(gòu)、改進(jìn)加工工藝和加強(qiáng)生產(chǎn)線中的雜質(zhì)控制等技術(shù)手段研發(fā)了新型國(guó)產(chǎn)220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料，并與國(guó)外同等級(jí)電纜料進(jìn)行了一系列性能對(duì)比。目前，由新型國(guó)產(chǎn)220 kV可交聯(lián)聚乙烯電纜料擠出的電力電纜通過(guò)了相關(guān)的型式試驗(yàn)和技術(shù)鑒定，并已在深圳220 kV經(jīng)貿(mào)至水貝電纜線路示范工程上掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好。

1 影響可交聯(lián)聚乙烯電纜料性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素

可交聯(lián)聚乙烯電纜料的性能主要由低密度聚乙烯(low-density polyethyline LDPE)的分子鏈及結(jié)構(gòu)、加工工藝和成品的雜質(zhì)含量決定。

1.1 LDPE分子鏈及結(jié)構(gòu)

將兩種進(jìn)口220 kV電纜料A和B進(jìn)行為期兩天的70 ℃“醇洗”除去其在生產(chǎn)過(guò)程中加入的各種助劑，得到兩種進(jìn)口LDPE樹(shù)脂，與揚(yáng)巴石化產(chǎn)電纜料用LDPE進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析。

表1及表2中所示為3種LDPE的高溫凝膠色譜及核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由表可知，進(jìn)口樹(shù)脂的重均分子量和數(shù)均分子量均明顯小于國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂，同時(shí)進(jìn)口樹(shù)脂長(zhǎng)碳鏈上的短鏈(碳數(shù)C≤5)支化度與國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂接近但長(zhǎng)鏈支化度低得多。

表1 國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)樹(shù)脂分子量分布對(duì)比Tab.1 Comparison of molecular weight distribution of resins at home and abroad

表2 國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)樹(shù)脂支鏈化程度對(duì)比Tab.2 Comparison of degree of branching of resins at home and abroad

一般來(lái)講，高分子量的長(zhǎng)碳鏈流動(dòng)困難，這使得材料的粘度增大，熔融指數(shù)過(guò)大，增大了電纜料的生產(chǎn)和加工難度[10 - 11]；而長(zhǎng)鏈側(cè)基的大量存在也加強(qiáng)了分子鏈間的纏結(jié)，這些支化結(jié)構(gòu)和纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)限制了鏈段的運(yùn)動(dòng)，使得分子鏈難以堆砌，局部無(wú)序性增強(qiáng)[12 - 13]，最終導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂結(jié)晶能力弱，劣化了制得XLEP材料的性能。因此，為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的產(chǎn)品性能向國(guó)際先進(jìn)水平看齊，國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂的改進(jìn)應(yīng)從降低樹(shù)脂分子量和減少長(zhǎng)鏈支化的角度著手。

1.2 加工工藝

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電纜可交聯(lián)聚乙烯電纜料的傳統(tǒng)方法為混煉法。該工藝將聚乙烯樹(shù)脂直接進(jìn)入混煉機(jī)內(nèi)，在混煉過(guò)程中加入抗氧劑和交聯(lián)劑，再經(jīng)擠出塑化造粒生產(chǎn)電纜料。

然而在聚乙烯樹(shù)脂粒料中加入粉狀或固態(tài)的助劑后，實(shí)現(xiàn)均勻混合是較困難的。此外，在整個(gè)造粒過(guò)程中也要解決螺桿剪切強(qiáng)度和熔體溫度上升的矛盾，因此傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)料時(shí)較容易發(fā)生預(yù)交聯(lián)，即“焦燒”現(xiàn)象[14]。由此可知，從生產(chǎn)工藝改進(jìn)的角度來(lái)提升電纜料性能，應(yīng)著重從解決抗氧劑等助劑均勻混合問(wèn)題和抗“焦燒”問(wèn)題兩個(gè)方面進(jìn)行工藝流程的改造。

1.3 雜質(zhì)含量

雜質(zhì)也是決定電纜料性能的關(guān)鍵因素。國(guó)標(biāo)[15]要求，220 kV電纜絕緣材料雜質(zhì)最大尺寸(1 000 g樣片中)應(yīng)不大于0.1 mm。而決定雜質(zhì)含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)樹(shù)脂的生產(chǎn)及運(yùn)輸與電纜料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

在國(guó)際電纜料市場(chǎng)中處于壟斷地位的北歐化工和陶氏化學(xué)兩家企業(yè)是從石油裂解開(kāi)始，使用專(zhuān)用的合成裝置生產(chǎn)超凈乙烯原料，之后再通過(guò)后續(xù)工序連續(xù)生產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料[16]。其生產(chǎn)環(huán)境密閉連續(xù)，環(huán)節(jié)少且質(zhì)量控制嚴(yán)格，并可以在造粒過(guò)程中連續(xù)監(jiān)測(cè)材料中的雜質(zhì)。從原料生產(chǎn)到產(chǎn)品裝箱包裝，整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間處于超凈化環(huán)境中，因此其產(chǎn)品具有抗擊穿強(qiáng)度高、老化穩(wěn)定性高、加工性?xún)?yōu)良、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，這也是我國(guó)未來(lái)電纜企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的方向。

2 新型國(guó)產(chǎn)220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料

根據(jù)以上國(guó)內(nèi)外料性能的差距，通過(guò)協(xié)調(diào)萬(wàn)馬高分子集團(tuán)與基料廠家揚(yáng)巴石化的合作，調(diào)整LDPE基料生產(chǎn)工藝，多次對(duì)電纜料用基礎(chǔ)樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。為確保基料性能穩(wěn)定性和適用性，對(duì)改進(jìn)后基礎(chǔ)樹(shù)脂材料進(jìn)行了多次生產(chǎn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，目前已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化批量生產(chǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 改善后國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)樹(shù)脂性能Tab.3 Performance of domestic resin with improvement

由表3可知，通過(guò)調(diào)整聚乙烯合成工藝參數(shù)，已實(shí)現(xiàn)了聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)的調(diào)控，大幅降低了國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂的分子量，并減少了國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂中的長(zhǎng)鏈支化度。對(duì)比表1，表2和表3可見(jiàn)，改進(jìn)后國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)已與進(jìn)口電纜料所用樹(shù)脂相接近。

在生產(chǎn)工藝方面，針對(duì)傳統(tǒng)“直接法”工藝的不足之處，引入新型“后吸法”工藝生產(chǎn)220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料[17 - 18]。該工藝的關(guān)鍵創(chuàng)新在于先在高溫下完成基體樹(shù)脂和抗氧劑及助劑的混煉，而交聯(lián)劑則通過(guò)液態(tài)噴灑加粒子吸收的方式加入。由于前期的混煉溫度高，抗氧劑等助劑的均勻混合問(wèn)題得以解決；同時(shí)，“粒子吸入”式的交聯(lián)劑引入也使得“焦燒”現(xiàn)象被完全避免。

在雜質(zhì)控制環(huán)節(jié)，完善電纜料生產(chǎn)廠家相關(guān)規(guī)章制度，加強(qiáng)基礎(chǔ)樹(shù)脂來(lái)料的質(zhì)量控制；配合“后吸法”工藝實(shí)現(xiàn)了高精度的熔體過(guò)濾以濾除添加劑中的雜質(zhì)，通過(guò)引進(jìn)反滲透處理裝置及高精度過(guò)濾器凈化生產(chǎn)車(chē)間用冷卻循環(huán)水和氣體環(huán)境，并引進(jìn)德國(guó)OCS公司生產(chǎn)的高精度光學(xué)測(cè)試設(shè)備對(duì)產(chǎn)品顆粒進(jìn)行離、在線監(jiān)測(cè)，盡可能控制產(chǎn)品中雜質(zhì)含量及尺寸以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

最終研制出了新型國(guó)產(chǎn)220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料。

3 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該改進(jìn)料的實(shí)用性，本文進(jìn)一步對(duì)其介電性能、機(jī)械性能和理化性能進(jìn)行了測(cè)量。主要試驗(yàn)內(nèi)容如下。

3.1 試樣制備

使用平板硫化機(jī)制備XLPE平板試樣。將3種(國(guó)產(chǎn)萬(wàn)馬、進(jìn)口A及進(jìn)口B)可交聯(lián)聚乙烯料置于模板內(nèi)在110 ℃，16 MPa下預(yù)熱5 min，隨后升溫至180 ℃，保持壓力和溫度交聯(lián)15 min，再在30 ℃加壓冷卻15 min，最后將試樣置于70 ℃烘箱內(nèi)熱處理12 h以除去交聯(lián)副產(chǎn)物，得到3種XLPE試樣。試樣尺寸為10 cm×10 cm，厚度分布為0.2 mm、0.5 mm和1 mm 3種，用于不同性能測(cè)試。

3.2 介電性能測(cè)試

采用實(shí)驗(yàn)室自制的電流測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量XLPE試樣在不同溫度(30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃)下的電導(dǎo)率，測(cè)試系統(tǒng)由Spellman高壓直流電源、鼓風(fēng)干燥箱(實(shí)現(xiàn)溫度控制)、吉時(shí)利6517B型靜電計(jì)組成，并采用自帶保護(hù)電極的三電極系統(tǒng)以消除泄露電流造成的影響。試樣厚度為0.2 mm，外施場(chǎng)強(qiáng)從5 kV/mm逐步升至45 kV/mm，實(shí)驗(yàn)在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行以調(diào)整試樣溫度。

采用瑞士TETTEX公司產(chǎn)2821型西林電橋測(cè)量XLPE試樣工頻下的介電常數(shù)和損耗因數(shù)，試樣厚度為0.2 mm，外施場(chǎng)強(qiáng)為10 kV/mm以保證無(wú)明顯的電荷注入現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行以調(diào)整試樣溫度。

采用HJC-100 kV型電壓擊穿實(shí)驗(yàn)儀對(duì)XLPE試樣進(jìn)行工頻擊穿實(shí)驗(yàn)。試樣厚度為0.5 mm，升壓速率為1 kV/s，選用直徑為20 mm的球-球電極。每種試樣獲得12次有效擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。為防止試樣發(fā)生沿面閃絡(luò)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極和樣品均浸入變壓器油中。

3.3 機(jī)械性能測(cè)試

采用CMT4503-5kN電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣厚度為1 mm，試樣尺寸參考GB/T 1040.1—2018[19]，選用100 mm/min的拉伸速率，得到拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。從每種試樣獲得5次有效拉伸數(shù)據(jù)，取平均值作為最終結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶的保溫爐控制試樣溫度，測(cè)量XLPE試樣在不同溫度(30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃)下的機(jī)械性能。

采用熱延伸測(cè)試儀對(duì)XLPE試樣進(jìn)行熱延伸實(shí)驗(yàn)。參考GB/T 2951.21—2008[20]，將1 mm厚的XLPE試樣裁剪為標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，一端懸掛于烘箱實(shí)驗(yàn)架上，另一端夾重物。施加0.2 MPa的機(jī)械應(yīng)力，載荷時(shí)間為15 min，實(shí)驗(yàn)溫度為200 ℃，從每種試樣獲得3次有效數(shù)據(jù)，取平均值作為最終結(jié)果。

3.4 理化性能測(cè)試

采用JB/T 10437—2004[21]的附錄A.4中介紹的二甲苯萃取法測(cè)量不同XLPE試樣內(nèi)的凝膠含量，表征不同可交聯(lián)聚乙烯料制得XLPE的交聯(lián)度。將試樣在110 ℃的二甲苯溶液中萃取24 h后再在真空烘箱內(nèi)110 ℃烘干24 h，根據(jù)萃取前后試樣的質(zhì)量變化計(jì)算出XLPE試樣的凝膠含量。

采用Mettler DSC 822 e型差示掃描量熱儀開(kāi)展差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)試驗(yàn)，測(cè)量不同XLPE試樣的熔融結(jié)晶性能。實(shí)驗(yàn)溫度范圍為30～220 ℃，升溫及降溫速率均為10 ℃/min，通過(guò)兩次升溫實(shí)驗(yàn)排除試樣內(nèi)熱殘余帶來(lái)的干擾，獲得XLPE試樣的熔融及結(jié)晶DSC曲線。

4 結(jié)果與分析

圖1所示為3種XLPE試樣加壓30 min后測(cè)得的準(zhǔn)靜態(tài)電導(dǎo)率隨外施場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律。由圖可知，在各個(gè)測(cè)試溫度下，當(dāng)外施電場(chǎng)相同時(shí)，國(guó)產(chǎn)XLPE的直流電導(dǎo)率小于進(jìn)口A可交聯(lián)料制得XLPE但大于進(jìn)口B；而當(dāng)外施場(chǎng)強(qiáng)小于10 kV/mm時(shí)，試樣電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)升高基本不變，外施場(chǎng)強(qiáng)大于10 kV/mm時(shí)電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)呈指數(shù)趨勢(shì)增大。隨測(cè)試溫度升高，3種XLPE的電導(dǎo)率都明顯升高，但在高測(cè)試溫度及高電場(chǎng)強(qiáng)度下，國(guó)產(chǎn)XLPE的電導(dǎo)率升高現(xiàn)象較為明顯。GB/T 18890.2—2015[15]中規(guī)定XLPE在23 ℃下電導(dǎo)率應(yīng)不大于 1×10-14S/m，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料制得XLPE在電導(dǎo)率性能上完全滿(mǎn)足要求。

圖1 不同XLPE試樣的電導(dǎo)率Fig.1 Conductivities of different XLPE samples

外施場(chǎng)強(qiáng)增大后，材料電導(dǎo)率上升是由于外施電場(chǎng)強(qiáng)度增大后由電極向試樣的載流子發(fā)射現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，提高了試樣內(nèi)載流子濃度所致，因此電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。而當(dāng)測(cè)試溫度升高后，電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)升高的閾值場(chǎng)強(qiáng)明顯降低。在50 ℃及以上的測(cè)試溫度下，材料的電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)變化規(guī)律明顯與30 ℃下不同，這是由于高溫激發(fā)了聚合物內(nèi)的載流子參與導(dǎo)電過(guò)程[22 - 23]，使得材料性能出現(xiàn)了明顯變化。

表4所示為3種XLPE試樣不同溫度下的工頻下介電常數(shù)與損耗因數(shù)。由表1可知，3種XLPE試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)值均在10-4數(shù)量級(jí)，且各溫度下的介電常數(shù)接近都能滿(mǎn)足作為高壓電纜可交聯(lián)聚乙烯絕緣材料技術(shù)要求(小于2.3)。隨著測(cè)試溫度的升高，3種材料的介電常數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是高溫下材料內(nèi)偶極分子熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，難以取向，導(dǎo)致分子極化率降低導(dǎo)致的[24]。

表4 不同XLPE在不同溫度下介電常數(shù)與損耗因數(shù)Tab.4 Permittivity and dielectric loss of different XLPE samples at different temperatures

圖2為根據(jù)測(cè)得擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)擬合得到的威布爾分布圖，得到3種XLPE試樣的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，如表5所示。

圖2 不同XLPE的擊穿概率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的Weibull分布圖Fig.2 Weibull distributions of breakdown probabilities and breakdown field strengths of different XLPE samples

表5 不同等效存儲(chǔ)時(shí)間可交聯(lián)料制得XLPE擊穿場(chǎng)強(qiáng)Tab.5 Breakdown field strengths of different XLPE samples

由表5可知，國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料制得XLPE與進(jìn)口料相比，試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)尺度參數(shù)最大，但與進(jìn)口產(chǎn)品相比沒(méi)有明顯差異，而其形狀參數(shù)與進(jìn)口A可交聯(lián)料制得的XLPE接近，明顯低于進(jìn)口B。形狀參數(shù)越小說(shuō)明擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試值的分散性越大，因此可以認(rèn)為國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料在交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)方面與進(jìn)口產(chǎn)品已沒(méi)有明顯差距，只是在產(chǎn)品穩(wěn)定性上還有進(jìn)步空間。

表6所示為3種XLPE試樣在不同溫度下機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表6可知，30 ℃下國(guó)產(chǎn)XLPE試樣的斷裂伸長(zhǎng)率及拉伸強(qiáng)度均低于進(jìn)口材料；隨著測(cè)試溫度的升高，國(guó)內(nèi)外XLPE試樣機(jī)械性能指標(biāo)測(cè)量值均呈下降趨勢(shì)，但國(guó)產(chǎn)XLPE材料性能劣化程度明顯弱于進(jìn)口產(chǎn)品。GB/T 18890.2—2015[14]規(guī)定220 kV高壓電纜絕緣用XLPE在室溫下的拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于17 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率不小于500%，由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，國(guó)產(chǎn)XLPE材料完全滿(mǎn)足性能要求。

表6 不同XLPE在不同溫度下的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率Tab.6 Tensile strength and elongation at break of different XLPE samples at different temperatures

表7所示為國(guó)內(nèi)外XLPE材料熱延伸實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。由表4可知，國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料制得XLPE的負(fù)載下伸長(zhǎng)率略小于進(jìn)口料制得XLPE，且永久變形率僅0.83%。這表明其交聯(lián)程度高，分子間作用力強(qiáng)，高溫下的抗蠕變性能出色。

表7 不同XLPE的熱延伸性能Tab.7 Thermal elongation of different XLPE samples

凝膠含量可表征聚合物的交聯(lián)程度，反映聚合物三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的完善程度。材料內(nèi)未交聯(lián)的高分子鏈可被高溫二甲苯溶劑溶解，而交聯(lián)后的三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)不受溶劑影響，所以凝膠含量常用來(lái)表征聚合物的交聯(lián)度。

表8為3種XLPE材料的凝膠含量測(cè)試結(jié)果。

表8 不同XLPE的凝膠含量Tab.8 Gel content of different XLPE samples

由表8可知，國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯電纜料的交聯(lián)能力最強(qiáng)，制得XLPE試樣的交聯(lián)度最高。這與3種XLPE試樣的機(jī)械性能和熱延伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，即國(guó)產(chǎn)試樣的負(fù)載下伸長(zhǎng)率最低。且由于緊密的交聯(lián)帶來(lái)了更強(qiáng)的分子鏈間作用力[25]，國(guó)產(chǎn)XLPE試樣的機(jī)械性能隨環(huán)境溫度升高劣化程度最低。

XLPE為半結(jié)晶聚合物，晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響十分明顯[26]，為進(jìn)一步分析國(guó)內(nèi)外電纜料性能差異，本文對(duì)3種XLPE試樣進(jìn)行DSC實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3和表9所示。

圖3 不同XLPE的DSC曲線Fig.3 DSC curves of different XLPE samples

表9 不同XLPE的熔融和結(jié)晶參數(shù)Tab.9 Melting and crystallization parameters of different XLPE samples

由圖3和表9可知，3種XLPE試樣熔融峰和結(jié)晶峰的峰溫基本相同，而熔融焓存在一定差異。國(guó)產(chǎn)萬(wàn)馬XLPE熔融焓最小，根據(jù)結(jié)晶度的計(jì)算公式[27]可知其結(jié)晶度最低。而過(guò)冷度被定義為材料熔融峰峰溫與結(jié)晶峰峰溫之差，其數(shù)值大小與材料的結(jié)晶速率成負(fù)相關(guān)，因此由表9可知，國(guó)產(chǎn)萬(wàn)馬XLPE材料的結(jié)晶速率最慢。

結(jié)晶度與材料的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，高聚物交聯(lián)度上升說(shuō)明其三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步完善。有研究表明[28 - 30]，完善的三維分子結(jié)構(gòu)中分子鏈間作用力大，這會(huì)阻礙大分子鏈在冷卻結(jié)晶過(guò)程中進(jìn)行規(guī)則折疊與重排，影響體系中晶核的生成和球晶的生長(zhǎng)，使得試樣的結(jié)晶度下降。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明國(guó)產(chǎn)萬(wàn)馬XLPE的交聯(lián)度最高，其結(jié)晶度最低，結(jié)晶速率也最慢。

XLPE材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨其結(jié)晶度的增加而上升，這是由于發(fā)展完善的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)有利于電子遷移的無(wú)定形區(qū)及晶界占比減小，承受電場(chǎng)時(shí)電擊穿通道難以發(fā)展，因此材料的介電強(qiáng)度增大[24]。而國(guó)產(chǎn)XLPE材料相對(duì)低的結(jié)晶度使得不同測(cè)試點(diǎn)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有所差異，這導(dǎo)致?lián)舸?shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性稍差。

通過(guò)對(duì)比國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口高壓交流電纜用XLPE可交聯(lián)料的介電性能、機(jī)械性能、交聯(lián)度及熔融結(jié)晶特性，可以認(rèn)為目前國(guó)產(chǎn)220 kV高壓交流電纜可交聯(lián)料的宏觀性能已與進(jìn)口產(chǎn)品沒(méi)有明顯差異，只是在結(jié)晶性能方面存在差距，帶來(lái)了交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定性方面的微弱劣勢(shì)。

目前，已有對(duì)萬(wàn)馬產(chǎn)高壓交流220 kV電纜料進(jìn)行高壓電纜擠出生產(chǎn)試驗(yàn)以驗(yàn)證其三層共擠時(shí)對(duì)生產(chǎn)線的適應(yīng)性的研究，并對(duì)擠出電纜主絕緣進(jìn)行了相關(guān)性能的檢測(cè)。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)電纜料對(duì)國(guó)內(nèi)主流電纜生產(chǎn)線(VCV工藝)適應(yīng)性較好，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 18890.1—2015[15]規(guī)定要求，并已通過(guò)了相關(guān)部門(mén)的技術(shù)鑒定?，F(xiàn)有使用國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)料擠出的220 kV高壓交流電纜在深圳220 kV經(jīng)貿(mào)至水貝電纜線路示范工程上掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外電纜料性能差距，結(jié)合技術(shù)手段升級(jí)研發(fā)了新型國(guó)產(chǎn)220 kV高壓交流可交聯(lián)聚乙烯電纜料，并對(duì)比了由國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品制得XLPE的介電性能，得到結(jié)論如下。

1) 國(guó)產(chǎn)電纜料與進(jìn)口產(chǎn)品在多數(shù)性能指標(biāo)上已沒(méi)有明顯差別，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。

2) 國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)聚乙烯料的交聯(lián)度高，這帶來(lái)了機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。

3) 國(guó)產(chǎn)低密度聚乙烯樹(shù)脂結(jié)晶能力的欠缺使得XLPE材料的結(jié)晶度略差，影響了材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致?lián)舸┬阅苈缘汀?/p>

4) 未來(lái)國(guó)產(chǎn)可交聯(lián)料電壓等級(jí)的進(jìn)一步提升仍需要從基礎(chǔ)樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)入手，在保證產(chǎn)品潔凈度的前提下，繼續(xù)優(yōu)化材料配方，在滿(mǎn)足產(chǎn)品性能的前提下，降低助劑用量，使產(chǎn)品更好地適應(yīng)高壓交流電纜的應(yīng)用場(chǎng)景。