高壓XLPE絕緣電力電纜若干性能的試驗及分析

汪傳斌，李 林

(遠東電纜有限公司，江蘇 宜興214257)

0 引言

高壓交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜因其性能優異、安裝敷設維護方便、運行安全可靠而得到廣泛應用，隨著制造技術與材料的不斷進步，目前其運行壽命比早期已有極大的提升。有關電纜電老化壽命指數由當初n=9經過大量的試驗驗證提升至n=12，對此已有較多的文獻論述。無論是設計制造者還是使用維護者對高壓XLPE絕緣電力電纜的產品標準、制造工藝與敷設維護都有了深入的了解，甚至有非常深入的研究。本文通過有關試驗驗證與分析，提出了高壓XLPE絕緣電力電纜的交聯均勻性、交聯副產物釋放和屏蔽層與絕緣層界面光滑圓整性控制及其改善措施。

1 絕緣層交聯均勻性的試驗與分析

高壓XLPE絕緣電力電纜因其絕緣厚度相對較厚，故絕緣層交聯的不均勻性對電纜的長期運行會有潛在的影響。目前，產品標準對絕緣交聯性能的考核在 GB/T 11017.1—2002 標準［1］中規定為XLPE絕緣的熱延伸試驗:“……試片取自所用交聯工藝中通常交聯度最低的絕緣內層、中層或外層”;在 GB/Z 18890.1—2002標準［2］中規定為 XLPE 絕緣的熱延伸試驗:“……應按所采用的交聯工藝，在認為交聯度最低的絕緣部分制取試片”。試驗條件:空氣溫度為200℃，溫度偏差為±3℃，負荷時間為15 min，機械應力為20 N/cm2。試驗結果的要求:負載下最大伸長率≤175%，冷卻后最大永久伸長率≤15%。

國內高壓XLPE絕緣電力電纜的屏蔽與絕緣的三層共擠工藝，絕大多數都是從國外進口的立式和懸鏈式三層共擠生產線，并根據生產線設備配置及交聯管加熱與冷卻段的參數等相關因素配有相應的工藝計算軟件。運用工藝軟件進行工藝參數的設定與計算，可指導高壓交聯電纜屏蔽與絕緣三層共擠工藝的生產。但工藝軟件計算出的工藝參數還需經過實際驗證，否則也會出現非最優化的參數生產出性能非最優的產品。下面取不同工藝生產的兩種規格高壓電纜樣品，分別將樣品電纜絕緣層由外至內每2mm制取一試片進行負載下熱延伸測試。圖1、圖2分別為處于不同部位的各層絕緣試樣負載下熱延伸率和冷卻后永久變形率的測試結果。

由圖1、圖2可以看出，雖然絕緣的交聯性能(考核負載下的熱延伸率與冷卻后永久變形率)均符合產品標準規定的要求，負載下熱延伸率最大未超過175%，冷卻后永久變形最大也未超過15%，但圖1中YJ 64/110 kV 500mm2XLPE電纜絕緣無論交聯均勻性還是充分性均十分不好，靠近導體屏蔽側的內層絕緣負載下熱延伸率已達到130%～170%，中部絕緣也處在75% ～130%，近外層的絕緣為50%～75%，且中內層絕緣其冷卻后永久變形率處在0% ～15%之間;而圖3中YJ 127/220 kV 1200mm2XLPE電纜絕緣的交聯均勻性及充分性就較好，絕緣從內層至外層負載下熱延伸率均處在75% ～50%之間，冷卻后無變形。

圖1 YJ 64/110 kV 500mm2XLPE電纜不同部位的各層絕緣試樣的測試結果

圖2 YJ 127/220 kV 1200mm2XLPE電纜不同部位的各層絕緣試樣的測試結果

1.1 XLPE厚絕緣交聯不均勻性及不充分性對電纜運行的影響

當電纜絕緣交聯不均勻及不充分時將會發生以下幾種情況:(1)電纜彎曲敷設時絕緣必然會受到拉伸、擠壓和側壓力作用，導體會偏移中心位置;(2)絕緣中殘留的未參與交聯的“雜質”會影響絕緣的電氣性能;(3)交聯不均勻與不充分還會影響絕緣的長期熱老化性能;(4)導體在工作溫度下也會使未交聯的XLPE分子再吸熱運動而產生應力等，從而影響電纜的運行壽命。

1.2 XLPE厚絕緣交聯不均勻及不充分的產生原因與討論

XLPE厚絕緣交聯是否充分及均勻與導體預熱溫度、交聯管加熱溫度、加熱長度和時間有關。圖1顯示的熱延伸率與永久變形率的曲線可以認為:(1)導體未預熱或預熱溫度過低;(2)交聯管加熱溫度偏高;(3)絕緣層內外部溫度的溫差過大;(4)交聯加熱段偏短等。交聯過程中若加熱溫度過高會導致厚絕緣外層與內層線性分子吸熱在時間上有較大差異，其結果是絕緣外層在加熱段已充分交聯，而內層尚未開始交聯。圖2顯示的絕緣厚度是圖1絕緣厚度的1.5倍左右。由于采取了導體預熱，較長的交聯加熱段使得交聯管加熱溫度與導體溫度的溫差縮小，絕緣層內外部線性分子吸熱在時間上差異縮短，內外層絕緣交聯均勻性得到極大改善，同時也避免了絕緣內外部過高的溫差使絕緣過度向導體收縮或向外部膨脹。因此生產高壓交聯電纜其工藝條件設定及工藝軟件計算的驗證也是很重要的。

1.3 XLPE厚絕緣交聯均勻及充分性的改善措施

從上述試驗比較、分析與討論可以看出，我們不僅需使高壓交聯電纜的絕緣交聯性能符合產品標準規定的要求，還應著力于改進工藝條件、驗證工藝參數，以改善厚絕緣交聯的均勻和充分性。如采取導體在線預熱措施，建議其預熱溫度不應低于聚乙烯分子的結晶溫度;盡量避免交聯管加熱溫度過高，以降低絕緣內外部溫差;配有較長的交聯加熱段和冷卻段，或確定適宜的生產線速。過高的交聯溫度或較短的交聯加熱及冷卻段對XLPE厚絕緣的交聯及應力改善是不利的，建議XLPE厚絕緣交聯應采用導線在線預熱，并在交聯管整個加熱段控制電纜表面溫度不高于250℃，此乃是改善交聯均勻和充分性的有效措施。

2 絕緣層交聯副產物的試驗與分析

高壓XLPE絕緣電力電纜，其厚絕緣在交聯過程中不可避免產生大量的副產物殘留在絕緣層中，主要成份為:甲烷約0.08%、苯乙酮約0.6%、二甲基芐醇(Cumylalcohol)約1.2%等，重量比例最多占約1.9%［3］，因此需要相應的措施予以釋放，否則，不僅會影響電纜絕緣的局部放電性能，而且影響電纜的安裝敷設和正常運行。然而在產品標準中對此并無相應的規定予以考核，這是因為交聯副產物產生多少與所使用的XLPE絕緣基料的線性分子結構和化學交聯劑的有效成份以及厚度等因素密切相關，因此也就難以統一定論。我們通過對北歐化工LE4201S超凈絕緣料制造的高壓交聯電纜試驗驗證發現，在不同的處理溫度條件下，要使交聯副產物釋放達到同樣的效果，所耗用的時間差異較大。這項試驗驗證對于控制交聯副產物量的釋放、保證產品質量以及正確的制訂工藝是可以借鑒與參考的。

試驗方法:將生產過程中的高壓交聯電纜(三層共擠)纜芯經常溫停放約24 h后，分別制取質量盡可能相等的試樣15件(可除去導體)，分成三組，分別編號稱重，稱量精確至0.1 mg，然后分組置于溫度為60、65、70℃具有自動換氣的三個恒溫烘箱，再分別經過120、168、216、264、312 h 釋放交聯副產物后，取出并冷卻至常溫下稱重，檢測每一試件經處理后的質量損失。試驗結果見圖3。

圖3 電纜絕緣熱失重試驗

從圖3可以看出，XLPE在不同溫度條件下，經過相同的處理時間，其質量損失是不同的，溫度較高其質量損失相對較快，說明交聯副產物在較高溫度下釋放較快。換言之，在不同溫度條件下，要達到釋放等量的副產物，所耗用的處理時間不同，溫度較低其耗用的時間就很長。誠然，當處理溫度較高時將會對電纜產生其它的質量影響，而溫度低則處理時間就要延長，將會影響生產效率。從圖3還可看出，無論哪種溫度，隨處理時間的延長，質量損失仍呈上升的趨勢。這說明在上述溫度條件下處理時間還不足以完全釋放全部的副產物。那么在制造過程中質量損失應該控制多少比較恰當呢?這種驗證方法得出的質量損失是否都屬于應釋放的“交聯副產物”值得討論。按理說，交聯副產物釋放愈凈，則絕緣本體愈純，其絕緣質量愈好。

以往的實踐告訴我們，無論是高壓交聯電纜還是中壓交聯電纜，無論是進口絕緣料還是國產絕緣料，只要經過化學交聯過程，其副產物必然產生;交聯副產物如果不及時釋放，對電纜的安裝敷設及運行會帶來不安全的隱患，尤其是單芯電纜，哪怕是10 kV或是35 kV電纜，同樣會產生端頭(或接頭附件)處有氣體存在，甚至護套松空等嚴重質量問題。因此，交聯副產物的妥善釋放是非常重要的工藝過程。

北歐化工針對交聯副產物釋放時間過長、釋放速率較低而影響生產效率這一現象，專門推出了一種交聯副產物較少、脫氣較快的LS4201S超凈絕緣料，用于高壓電纜以改善生產效率。借此也期望國內化學交聯絕緣料制造商能研究開發交聯反應副產物相對較低的中壓電纜用化學交聯絕緣料，以減少纜芯停放時間，提高生產效率，避免因副產物釋放不夠而產生質量問題。

3 屏蔽層與絕緣交界面光滑圓整性的檢查

高壓XLPE絕緣電力電纜不僅應使用超凈絕緣料，而且應使用超光滑屏蔽料。其目的之一，是要使屏蔽層與絕緣交界面無凸起、無氣孔、光滑、圓整，改善電場分布和局部放電性能。目前，產品標準對交界面凸起、氣孔檢測，規定采用切薄片并在數十倍測量顯微鏡下測量考核交界面屏蔽凸起與凹陷及氣孔的大小，以此來判定是否符合要求。然而對交界面上光滑、圓整的連續性在標準中并未有明確規定。

在 GB/T 11017.2—2002 標準［4］中對導體屏蔽:“……6.3.2.2擠包的半導電層應厚度均勻，并與絕緣層牢固地粘結，半導電層與絕緣層的界面應光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒及擦傷的痕跡。”對絕緣屏蔽:“……6.3.3.2半導電層應均勻地擠包在絕緣上，并與絕緣層牢固地粘結，半導電層與絕緣層的界面應光滑，無明顯尖角、顆粒、燒焦及擦傷的痕跡。”

在 GB/Z 18890.2—2002 標準［5］中對導體屏蔽:“7.3.1……擠包的半導電層應均勻地包覆在半導電包帶外，并牢固地粘在絕緣層上，在與絕緣層的交界面上應光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒及擦傷的痕跡。”對絕緣屏蔽:“7.3.2……絕緣屏蔽應均勻地包覆在絕緣表面，并牢固地粘附在絕緣層上，在絕緣屏蔽表面以及與絕緣層的交界面上應光滑，無尖角、顆粒、燒焦及擦傷的痕跡。”

上述要求在標準規定的試驗項目中并未涉及，在實際制造過程中對上述要求應進行抽樣檢查，以證明制造的電纜屏蔽與絕緣交界面是光滑和圓整的。然而怎樣檢查和如何判定交界面是光滑、圓整的?借用檢測絕緣中微孔、雜質的試驗方法來檢測交界面的光滑與圓整性值得商榷，嚴格地說目前尚無更好的、統一的檢測方法。對此，我們通過多種試驗驗證比較后認為，下述的方法對于檢測高壓交聯電纜屏蔽與絕緣交界面是否光滑和圓整還是較為合適的。

試樣制取:在三層共擠制造工藝過程中隨機在不同的半成品段長上截取纜芯試樣，試樣長度為50～60mm各三件，試樣端面應處理平整、光滑，導體可除去，但不應損傷半導電帶及屏蔽(試樣見圖4)。試驗設備:200±2℃恒溫烘箱。試驗過程:將三件試樣置于130±2℃烘箱中約120 min，待絕緣體完全透明后進行觀測(最好是透過烘箱視窗直接觀測)，必要時可用透射光放大觀測，但不應使試樣有任何變形，直觀判定導體屏蔽與絕緣、絕緣與絕緣屏蔽交界面的光滑與圓整的連續性，僅當三件試樣均無異常方可判定為滿足標準要求。

圖4 檢查屏蔽層與絕緣交界面光滑圓整性試樣照片圖

由圖4可以直接觀測屏蔽與絕緣交界面是否光滑和圓整的連續性，用來判定工藝過程控制是否符合要求。該方法較為直觀，試樣處理過程不受到任何損傷或變形，能真實反映屏蔽與絕緣交界面的狀況，比起其它方法可信度更高。

屏蔽與絕緣交界面的光滑和圓整性對電纜的質量非常重要。這不僅要求采取相應的凈化措施，使用超凈絕緣料與超光滑屏蔽料，更應該從導體絞制、緊壓使其圓整、光滑，還需要從機頭、模具配合及光潔方面使其保證屏蔽與絕緣有足夠的擠出壓力、交界面粘結牢固、光滑、圓整，對此錐形流道機頭是有益的。

4 結束語

本文就高壓XLPE絕緣電纜的絕緣交聯均勻性控制、交聯副產物的釋放以及屏蔽與絕緣交界面的光滑與圓整性檢查，從三個不同角度通過試驗驗證與分析，有以下幾點值得啟迪和深入探討:

(1)高壓電力電纜XLPE厚絕緣的交聯性能雖然滿足產品標準要求，但倘若絕緣交聯不均勻或不夠充分則對電纜運行壽命有多大影響，還需深入試驗和研究。

(2)控制XLPE厚絕緣交聯均勻和充分性，需要從導體在線預熱、交聯溫度參數設定、絕緣在交聯過程中內外部溫差控制以及受熱時間等因素優化工藝。

(3)避免高溫交聯，使用較長的交聯加熱段和冷卻段對厚絕緣交聯均勻性是有幫助的，且能較好地降低并消除厚絕緣中的熱應力。

(4)厚絕緣交聯過程產生的副產物，應在合適的溫度條件下，經過足夠的處理時間，使交聯副產物盡可能較多釋放，使電纜絕緣體更加純凈。期望有交聯副產物較低或釋放較快的絕緣料得到應用。

(5)屏蔽與絕緣交界面的光滑與圓整檢查雖然產品標準上未明確規定，但高壓電纜制造過程質量控制其中間檢查還是非常重要的，本文所述的試驗方法是較為適用的。

［1］GB/T 11017.1—2002額定電壓110 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分［S］.

［2］GB/Z 18890.1—2002額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分［S］.

［3］Andrews T，Smedberg A，Waschk V，et al.The role of degassing in XLPE power cable manufacture［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2006(12):5-16.

［4］GB/T 11017.2—2002額定電壓110 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第2部分［S］.

［5］GB/Z 18890.2—2002額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第2部分［S］.