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(xiàn)。

雖然XLPE的基礎(chǔ)樹(shù)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(shù)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(kāi)發(fā)了110 kV高壓電纜的XLPE基料［5］。電纜料生產(chǎn)廠(chǎng)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(xiàn)，成功開(kāi)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(kāi)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(shù)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(kāi)發(fā)了新工藝技術(shù)，稱(chēng)之為后吸法工藝。交聯(lián)劑以粒子吸收的方式和基礎(chǔ)樹(shù)脂材料混合，交聯(lián)劑在低溫下和基礎(chǔ)樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)脂與國(guó)外基礎(chǔ)樹(shù)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(kāi)發(fā)了高壓XLPE基礎(chǔ)樹(shù)脂。前后多次進(jìn)行基礎(chǔ)樹(shù)脂的改進(jìn)試驗(yàn)，使基礎(chǔ)樹(shù)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(shù)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(shù)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(mǎn)足開(kāi)發(fā)高壓XLPE絕緣料的需要。基礎(chǔ)樹(shù)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(shù)脂C不管哪種造粒法，造粒后熔融指數(shù)都下降;而樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)脂C和改性樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(mǎn)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(xiàn)。

(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(xiàn)檢測(cè)和離線(xiàn)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(xiàn)安裝在總面積14024 m2的12層新廠(chǎng)房?jī)?nèi)，兩個(gè)各400 m3的大料倉(cāng)豎立在廠(chǎng)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(mǎn)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)和離線(xiàn)檢測(cè)兩種，檢測(cè)精度分別高達(dá)110 μm和20 μm。其中在線(xiàn)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(kāi)發(fā)了高壓XLPE基礎(chǔ)樹(shù)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(xiàn)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(mǎn)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。

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