目前，國內(nèi)的中壓電力電纜大多采用交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜，XLPE具有優(yōu)良的電氣絕緣性能和機械性能,其具有傳輸容量大、耐化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性等優(yōu)點，是目前理想的絕緣材料。
然而隨著電力電纜的大規(guī)模使用，也暴露出一些問題：①XLPE在交聯(lián)過程中產(chǎn)生的交聯(lián)副產(chǎn)物，除氣后仍可殘留在電纜的內(nèi)部，影響電力電纜絕緣的機械性能和電氣性能；②生產(chǎn)工藝復(fù)雜，交聯(lián)、除氣等工序的設(shè)備占據(jù)空間大、能量消耗多、生產(chǎn)效率低；③XLPE絕緣材料是熱固性材料，交聯(lián)聚乙烯電纜退役后難以回收利用，廢棄物對環(huán)境造成破壞。
為改善XLPE絕緣電力電纜在生產(chǎn)和應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，國外電纜企業(yè)將環(huán)保型聚丙烯材料應(yīng)用于中高壓電力電纜并已形成規(guī)模。隨著國家“碳達(dá)峰”、“碳中和”工作重點任務(wù)及綠色、低碳、環(huán)保的“十四五”規(guī)劃目標(biāo)的提出，研制綠色、低碳、環(huán)保的電力電纜已成為我國電力電纜應(yīng)用中的一項迫切需要。
本工作開發(fā)了一種環(huán)保型聚丙烯絕緣電力電纜，改善了行業(yè)內(nèi)綠色、低碳、環(huán)保、可回收的電力電纜稀缺的現(xiàn)狀，并對生產(chǎn)設(shè)備在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，對環(huán)保型電力電纜大規(guī)模應(yīng)用有著重要的意義。
聚丙烯材料的研究現(xiàn)狀
聚丙烯的性能優(yōu)點
1）聚丙烯密度為0.90~0.91g·cm-3，為通用塑料中最輕的一種；
2）聚丙烯具有優(yōu)良的耐熱性，長期使用溫度可高達(dá)100~120℃，其中等規(guī)聚丙烯的熔點最高可達(dá)170℃；
3）聚丙烯是一種非極性塑料，其具有化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，耐化學(xué)腐蝕性高等優(yōu)點，在室溫下，只有強氧化性酸（如發(fā)煙硫酸、硝酸）對其有腐蝕作用。聚丙烯吸水性很小，吸水率小于0.01%；
4）聚丙烯材料的力學(xué)強度、剛性和耐應(yīng)力開裂等性能均超過高密度聚乙烯，而且有突出的延伸性和抗彎曲疲勞性能；
5）聚丙烯的電絕緣性能優(yōu)良，擊穿電壓強度高，其電性能基本不受環(huán)境濕度及電場頻率改變的影響，是優(yōu)異的介電材料和電絕緣材料，并可作為高頻絕緣材料使用，可用于通信電纜的絕緣材料。
聚丙烯的性能缺點
1）聚丙烯的耐低溫性能不如聚乙烯，脆化溫度約為-30~-10℃，低溫下的抗沖擊性能不佳，低溫下其沖擊強度低；
2）聚丙烯在成型和使用中易受光照、熱輻射、氧氣的作用而老化，對紫外線很敏感，在氧氣和紫外線作用下易降解；
3）聚丙烯的熔點較低、熱變形溫度低、抗蠕變性能差、尺寸穩(wěn)定性較差；
4）聚丙烯的熱導(dǎo)率要比聚乙烯的熱導(dǎo)率小，聚丙烯的散熱性能差。
聚丙烯的改性
使用聚丙烯作為電力電纜絕緣材料必須改善其性能的缺點，以滿足電力電纜加工、敷設(shè)安裝和使用的要求。目前，對聚丙烯的改性主要有共聚改性、共混改性、添加納米材料等方法。
本工作使用的聚丙烯材料是與國內(nèi)領(lǐng)先原材料企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，采用共混改性的方式，是以相對分子質(zhì)量高、熔融指數(shù)低、耐磨性好、優(yōu)異的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能及化學(xué)穩(wěn)定性較好的聚丙烯樹脂為基材，加入EVA樹脂及乙丙橡膠等進(jìn)行改性，經(jīng)混煉、擠出造粒加工而成。通過各組分性能的相互均衡和相互補充，優(yōu)化聚丙烯材料的性能，滿足電力電纜使用性能、加工性能及安裝敷設(shè)的要求。
電纜結(jié)構(gòu)及工藝流程
三芯中壓環(huán)保型聚丙烯絕緣鎧裝電力電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其生產(chǎn)工藝流程圖見圖2。
圖1 三芯中壓聚丙烯絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖
1—導(dǎo)體；2—聚丙烯內(nèi)屏蔽層；3—聚丙烯絕緣層；4—聚丙烯外屏蔽層；5—填充；6—金屬屏蔽；7—包帶；8—隔離套；9—鍍鋅鋼帶；10—外護(hù)層
圖2 三芯中壓聚丙烯絕緣電力電纜工藝流程圖
聚丙烯絕緣的加工工藝
1）設(shè)備的選擇與改造
本工作采用三層共擠的水平式生產(chǎn)線，由于聚丙烯材料熔點高于常規(guī)交聯(lián)聚乙烯的生產(chǎn)溫度，因此須對該設(shè)備進(jìn)行升級改造。將水循環(huán)式模具溫度控制機變?yōu)橛脱h(huán)式模具溫度控制機，解決了機頭溫度低的問題，可滿足聚丙烯加工溫度的要求。
2）螺桿和模具的設(shè)計
根據(jù)聚丙烯的加工性能，重新設(shè)計了螺桿和擠出模具，螺桿的壓縮比控制在2.4~3.2范圍內(nèi)，調(diào)整了模芯與模套的傾斜角度，使聚丙烯材料的流動性更加穩(wěn)定，保證了絕緣線芯的圓整度，從而保證產(chǎn)品的偏心度滿足質(zhì)量要求。
3）加工溫度的設(shè)計
聚丙烯的熔點可達(dá)170℃，高于中壓交聯(lián)聚乙烯的加工溫度(100~125℃)，因此，須重新設(shè)計絕緣材料的加工溫度，不同絕緣材料加工溫度見表1。
表1 不同絕緣材料加工溫度 （單位 ：℃）
本工作設(shè)計的環(huán)保型聚丙烯絕緣電力電纜，試驗以8.7/15kV 3×400mm2的電纜為例，按GB/T 12706.2-2020和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其主要電氣性能指標(biāo)及結(jié)果見表2，其主要非電氣性能指標(biāo)及檢測結(jié)果見表3。
表2 主要電氣性能試驗檢測結(jié)果
由表2可以看出，聚丙烯絕緣電力電纜在室溫，35kV，15min條件下(XLPE絕緣電力電纜為室溫，30.5kV，15min)，聚丙烯絕緣電力電纜通過沖擊電壓后的工頻耐壓試驗。
表3 主要非電氣性能試驗檢測結(jié)果
由表3可以看出，聚丙烯絕緣電力電纜的絕緣老化機械性能試驗在135℃，240h條件下(XLPE絕緣電力電纜為135℃，168h)，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。
本工作設(shè)計開發(fā)的中壓環(huán)保型聚丙烯絕緣電力電纜，選用改性聚丙烯作為絕緣材料，通過絕緣工序的生產(chǎn)設(shè)備改造和生產(chǎn)工藝優(yōu)化實現(xiàn)了中壓聚丙烯絕緣電力電纜的批量化生產(chǎn)與應(yīng)用。該產(chǎn)品具有生產(chǎn)能耗低、材料可回收利用、耐溫等級高、載流量大、生產(chǎn)效率高等特點，符合綠色、低碳、環(huán)保及國家提出的“雙碳”目標(biāo)要求，滿足國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)對環(huán)保型電力電纜的使用要求。
《電線電纜》1958年由國家新聞出版署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會主管，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)應(yīng)用類學(xué)術(shù)刊物。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗交流等，報道國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，歡迎來稿！
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來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 朱莉 常佳
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