可交聯PE電纜用半導電屏蔽料開發現狀

鄢薇，甄建，薛志剛

（1.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司質量監督檢驗中心，北京市 102500；

2.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司樹脂應用研究所，北京市 102500）

可交聯PE電纜用半導電屏蔽料開發現狀

鄢薇1，甄建2，薛志剛1

（1.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司質量監督檢驗中心，北京市 102500；

2.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司樹脂應用研究所，北京市 102500）

綜述了可交聯聚乙烯（XLPE）電纜用半導電屏蔽料的國內外開發現狀，介紹了不同等級XLPE電纜用半導電屏蔽料的原料生產工藝、相關設備、相關標準要求以及國外先進的檢驗測試方法等，列舉了北歐化工公司和美國陶氏化學公司不同等級半導電屏蔽料的牌號和性能。目前，國內只能生產35 kV及以下的電纜屏蔽料，而國外能夠生產110 kV及以上電纜屏蔽料。國內開發110 kV以上XLPE電纜屏蔽料是非常有市場前景的。

交聯聚乙烯 屏蔽料 電纜

目前，國內外將可交聯聚乙烯（XLPE）作為生產中高壓電纜絕緣層的首選材料，XLPE電纜普遍采用內、外半導電屏蔽層和中間絕緣層共擠出工藝。半導電屏蔽層是交聯電纜尤其是高壓交聯電纜中不可或缺的一部分，是電纜中用于保護主絕緣層不被破壞的半導電復合材料，其性能直接決定交聯電纜的品質。根據應用的電壓等級分為低壓（35 kV以下）、中高壓（66～110 kV）、高壓（110～220 kV）、超高壓（＞220 kV）電纜屏蔽料。交聯電纜半導電屏蔽層的光潔性、屏蔽層與絕緣層的黏結、半導電屏蔽料中的雜質等對交聯電纜的性能影響很大。在電纜中使用內、外半導電屏蔽層主要作用是使電場分布均勻，降低電場強度，減少導體與絕緣層交界面上的氣隙，提高電纜起始電暈放電和電纜耐游離放電性能，并在一定程度上降低絕緣層的溫升，保護主絕緣[1-3]。

1 電纜屏蔽料市場狀況

1.1 國外電纜屏蔽料生產狀況

半導電屏蔽料是生產中高壓及以上交聯電纜必須的配套材料，國外已有不少聚烯烴制造商開發并生產。日本住友化學株式會社、英國石油阿莫科公司等都是中低壓電纜屏蔽料的供應商，目前，只有北歐化工有限公司（簡稱北歐化工）、美國陶氏化學公司（簡稱陶氏化學）以及韓國韓華集團可以供應110 kV以上的電纜屏蔽料，特別是北歐化工和陶氏化學是110 kV以上XLPE電纜用半導電屏蔽料的主要供應商，一直統領高壓和超高壓電纜屏蔽料市場。近兩年，韓華集團引進德國科倍隆集團的技術后成功開發了110 kV以上XLPE電纜用半導電屏蔽料，韓華集團110 kV以上的屏蔽料在中國市場定價約為3.0萬元/t，北歐化工和陶氏化學的110 kV的屏蔽料價格為3.7萬元/t。

1.2 國內電纜屏蔽料生產狀況

由于高壓和超高壓屏蔽料對生產設備、環境等要求非常高，國內大多數電纜屏蔽料生產廠家只能生產35 kV及以下的XLPE電纜用屏蔽料，采用三層共擠的方式生產電纜。也有個別實力雄厚的廠家[如蘇州雙虎高分子材料公司（簡稱蘇州雙虎）]致力開發110 kV以上XLPE電纜用半導電屏蔽料，目前正在實驗階段，并未大規模生產。

國內廠家多用德國BUSS公司制造的擠出機生產電纜屏蔽料。該擠出機有兩個下料口，一個用于乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）原料，另一個用于炭黑料，這種下料方式減少了炭黑的揮發。很多廠家還采用密煉機和擠出機聯用，先將炭黑、白油、助劑等密煉后，再與EVA原料混合造粒。2011年，我國35 kV以下電纜屏蔽料產量約為150 kt，表1中屏蔽料生產商的產量占整個35 kV以下電纜屏蔽料市場的60%。

表1 國內35 kV及以下電纜屏蔽料的主要生產廠家Tab.1Main manufacturers of shielding materials for cables of 35 kV and below in China

2 電纜屏蔽料生產工藝及設備

生產高壓和超高壓XLPE電纜用半導電屏蔽料對廠房、擠出設備、原料、助劑要求苛刻，目前，國內尚無測試高壓和超高壓電纜屏蔽料各項性能的相應標準，國際上公認的高壓和超高壓XLPE電纜屏蔽料的測試標準主要為國際電工標準（IEC）60840—1999（適用于45～150 kV電纜）和IEC 62067—2001（適用于220～550 kV電纜）。

2.1 電纜屏蔽料生產工藝

110 kV電纜屏蔽料對生產環境的要求是：溫度小于40℃，空氣濕度小于80%。工藝過程包括喂料、擠出造粒、浸潤、裝料等，其中，喂料單元包括原料料斗、炭黑料斗、添加劑料斗、除塵過濾器。將乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、炭黑、聚乙烯蠟以及其他助劑經過帶有自動稱量的料斗加入雙螺桿擠出機中，炭黑料斗帶有自動除塵裝置，可以降低炭黑的雜質含量，除塵過濾器可以通過逆流的凈化空氣進行吹掃，擠出后的物料通過齒輪泵（使高壓熔融物料降低到最佳操作壓力），再通過直管到達換網器（過濾），經過水環切粒后干燥，直接進入浸潤料倉浸潤一定時間，干燥后包裝。

2.2 國內35kV以下XLPE電纜屏蔽料的生產工藝

國內35 kV以下XLPE電纜用半導電屏蔽料生產廠多使用密煉機把EVA、炭黑及其他助劑密煉、擠出造粒，用過氧化二異丙苯浸潤后吸收、干燥、包裝；BUSS擠出機有自動計量部件加料。相對于BUSS擠出機，密煉機效率低且污染環境，但BUSS擠出機對原料要求較高。

3 XLPE電纜用半導電屏蔽料指標和相關牌號

3.1 不同壓力等級XLPE電纜用半導電屏蔽料指標

35，110 kV的XLPE電纜用半導電屏蔽料指標見表2，表3。

3.2 物料性能檢測

3.2.1 光潔度

電力電纜中，絕緣層和半導電層界面間的光潔程度是影響電纜壽命的重要因素顯而易見。界面越光潔，在較高的操作電壓下電纜的壽命就越長。通常，半導層的突起會引起局部電場的壓力升高，于此同時，產生樹結構的概率也會增加。由半導層突起引起的電場提高與突起的形狀和尺寸都有關系，因此必須測量突起的高度和頂部的半徑[6]。

表235 kV XLPE電纜用半導電屏蔽料指標[4]Tab.2Specifications of semiconducting shielding materials for 35 kV XLPE cablesa

表3110 kV XLPE電纜用半導電屏蔽料指標[5]Tab.3Specifications of semiconducting shielding materials for 110 kV XLPE cables

最便利和可重復進行電纜屏蔽料質量控制和分級的方法為W50參量法[7]。W50定義為突起一半高度的寬度。一般W50是高度的許多倍。這里的突起比周圍的表面高出一個數量級。北歐化工部分產品的突起測試情況見表4。

3.2.2 其他測試

剝離絕緣屏蔽的剝離性能測試主要有三個標準[8]：法國國家標準（NF C33—223—1998）以50 mm/min，180°角從絕緣層上剝離一個1.00 cm的絕緣屏蔽所需的力；IEC 60502—2—2005以250 mm/min，180°角從絕緣層上剝離一個1.00 cm的絕緣屏蔽所需的力；美國愛迪生照明協會（AEIC）/美國絕緣電纜工程師協會（ICEA）的測試方法是以780 mm/min，90°角從電纜上剝離1.25 cm絕緣屏蔽所需的力。

水樹現象是電纜屏蔽料中常出現的問題，實際上反映埋地電纜的長時間運行性能。而典型的規范（如IEC）并不要求電纜測試接近實際運作條件。20世紀80年代中期，由AEIC與電纜生產商一起開發的一個質量測試已經被細化，最近作為國際標準（ICEA S—94—679—2004）受到重視。該測試主要集中在一年時間的“濕老化”：15 kV，53 mm2的電纜核心（沒有護套）浸泡在裝有水的聚氯乙烯管中；該測試涉及到加速水樹（AWTT）測試。緊接著干熱載荷循環去除副產物，12個電纜試樣在水中和加載循環下老化120，180，360天；45℃下，每8 h為一循環。目的是為了在接近于實際操作條件下測試電纜性能。國家電力工業部電氣設備質量檢測中心可以進行這類測試，如測試抗水樹XLPE電纜的老化性能[9-14]。

3.3 北歐化工和陶氏化學XLPE電纜用半導電屏蔽料各等級牌號

北歐化工和陶氏化學針對電纜的應用環境開發出相應的半導電屏蔽料牌號。由表5可知：中壓XLPE電纜用半導電屏蔽料的經典牌號LE0592和LE0595是可同時用于內、外屏蔽的抗水樹型屏蔽料，而經典牌號LE4201R是可以同時用于內外屏蔽的高效型屏蔽料。

陶氏化學可以生產電力電纜用的低、中、高壓等各類標準的電纜屏蔽料。由表6可知：中壓XLPE電纜屏蔽料牌號HFDA-0587BK是陶氏化學的經典牌號，是可同時用于內、外屏蔽的高效型電纜屏蔽料。而HFDA-0801 BK EC HV是可同時用于高壓和超高壓的XLPE電纜的內、外屏蔽料牌號。

4 XLPE電纜用半導電屏蔽料的原料

4.1 EVA國內市場狀況

35 kV以下的XLPE電纜用半導電的內外屏蔽料基本以EVA為主要原料，w（EVA）約為60%。2010年，EVA的市場需求以15%的速度遞增，造成EVA樹脂市場告緊。2011年，整個半導電屏蔽料市場達110 kt左右。

表4 北歐化工一些牌號的突起測試情況Tab.4Test results of pimple-like protuberances of some shielding material grades made by Borealis

表5 北歐化工XLPE電纜用半導電屏蔽料牌號[15]Tab.5Semiconducting shielding material grades for XLPE cables made by Borealis

表6 陶氏化學XLPE電纜用半導電屏蔽料牌號[16]Tab.6Semiconducting shielding material grades for XLPE cables made by Dow

XLPE電纜用半導電內屏蔽電纜料所用EVA牌號主要為：美國杜邦公司的260；韓國三星化工集團的180F；韓華集團的430；揚子石化-巴斯夫有限責任公司的V5110J。外屏蔽電纜料所用EVA牌號主要為：美國杜邦公司的265；中國臺灣塑料工業股份有限公司的7470；日本住友化學的KI-31；韓華集團的1826，1828；韓國湖南石化有限公司的410，揚子石化-巴斯夫有限責任公司的V5110K，V6110M，V6110C。中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產的18J3目前正在屏蔽料生產廠試用。

有專利[17]描述的可用于中高壓的XLPE電纜外屏蔽料，其中，w（VA）為45%的EVA占45%～55%，丙烯腈質量分數為33%的丁腈橡膠占10%～20%，炭黑為20%～40%，還有少于5%的其他助劑（包括交聯劑、抗氧劑及其他加工助劑等）。

4.2 炭黑

炭黑間的摩擦，較差的炭黑分布，聚合物凝膠以及環境污染是影響絕緣層和半導電層間光滑程度的主要因素。目前，在半導電屏蔽層中的炭黑主要有爐黑和乙炔炭黑。爐黑通過碳氫油或汽的部分氧化而產生，乙炔黑是通過乙炔氣體連續熱分解產生的。乙炔黑比爐黑的純度高、污染小。通常，以爐黑為基礎的屏蔽被叫作傳統屏蔽，而以乙炔黑為基礎的叫作超光滑屏蔽[18]。

5 結語

國內35 kV以及110 kV以上XLPE電纜用屏蔽料需求較大，且逐年增加。110 kV以上XLPE電纜用屏蔽料目前只能依賴北歐化工、陶氏化學和韓華集團。因此，開發110 kV以上XLPE電纜用屏蔽料將會有非常好的市場前景和經濟回報。

從110 kV以上XLPE電纜用屏蔽料的指標來看，其對生產環境、原料、助劑、設備要求較高，開發此類產品還有許多工作要做，如原料、助劑、設備的選擇，生產環境的調節，相關測試方法和測試數據的整理與分析等。

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Development situations of semiconducting XLPE cable shielding material

Yan Wei,Zhen Jian,Xue Zhigang

(Center for Supervision and Inspection of Quality of Beijing Yanshan Company,SINOPEC,Beijing 102500,China)

The authors summarized development situations of semiconducting shielding materials for crosslinking polyethylene(XLPE)cables at home and abroad,and elaborated the raw material production process, equipment and standard involved and overseas advanced test methods of semiconducting shielding materials of different levels for XLPE cables.The grades and properties of semiconducting cable shielding materials of different levels made by Borealis and Dow Chemical Company were listed.So far,the domestic enterprises could produce only the cable shielding materials of 35 kV and below,while their overseas counterparts could produce the materials above 110 kV.A good prospect of domestic market for developing shielding materials for XLPE cables of over 110 kV was expected.

crosslinking polyethylene;shielding material;cable

TQ 325.1+2

B

1002-1396（2012）04-0075-05

2012-01-28。

2012-04-27。

鄢薇，女，1979年生，碩士，2007年畢業于北京化工大學生態環境材料專業，現從事聚烯烴產品的技術服務工作。聯系電話：（010）69340642；E-mail: vicky811@163.com。

（編輯：吳雅榮）