國產高壓XLPE絕緣料在110 kV電纜上的應用

蔡建超，陳文卿

(浙江萬馬高分子材料有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

自從40多年前交聯聚乙烯(XLPE)首次作為電力電纜絕緣后，XLPE電纜料的用量逐年快速增加，隨著電纜電壓等級逐步提高，對XLPE電纜料質量的要求也相應提高。上世紀80年代我國已實現了35 kV及以下中壓電纜XLPE絕緣料的國產化，但至今高壓電纜絕緣料仍全部依賴進口。中壓和高壓電纜料在一般介電和機械性能方面沒有顯著差別，但在特定性能方面，如雜質尺寸、濃度、揮發性物質、擠出口膨脹率、加工對融指的影響、高溫老化和擠出表面質量等差別明顯［1］。高壓XLPE電纜的工作電場強度高，樹枝化和電老化是絕緣擊穿的主要原因［2］，雜質引起絕緣中局部電場倍增，形成樹枝化的引發點，也會引起局部材料疲勞產生微孔。XLPE擠出表面粗糙易導致半導體屏蔽層表面不光滑，形成表面電場集中。絕緣中揮發性物質含量高是形成微孔的主要原因，在保證交聯度情況下降低交聯劑用量十分重要。控制雜質的大小和濃度是開發高壓XLPE 電纜料的關鍵［3-4］。

我公司經數年努力，協助化工單位開發了適用于高壓XLPE電纜料的基礎樹脂，引進超凈生產線和在線、離線雜質測量儀，建成超凈廠房，改性基礎樹脂，采用后吸法生產工藝，成功開發了國產YJ-110 高壓 XLPE 電纜料［1］。

為了檢驗YJ-110電纜料的加工工藝性能和電纜成品的質量，使用國產YJ-110高壓電纜絕緣料和進口絕緣料分別試制了兩根型號為YJLW03 64/110 1×630的XLPE電力電纜，在同一生產線上，使用相同的內外半導電屏蔽料，在相同的工藝溫度下，觀測三層共擠擠塑機工作參數與時間的關系，對比擠塑性能。最后，兩根電纜在武漢高壓研究院按國家標準［5］進行了全性能的對比試驗，試驗結果表明，國產高壓電纜絕緣料已經完全達到國外進口高壓絕緣料的水平，達到了大規模生產和推廣的要求。

1 電纜的生產設備與材料

(1)生產設備

芬蘭麥拉菲爾(maillefer)公司生產的立塔高壓電纜生產線。

(2)原材料

1)電纜A絕緣:進口110 kV XLPE絕緣料;電纜B絕緣:浙江萬馬高分子材料有限公司生產的YJ-110高壓XLPE絕緣料;

2)半導電內屏蔽料:日本NUC公司的NUCV 9563屏蔽料;

3)半導電外屏蔽料:美國DOW公司生產的HFDB 0586屏蔽料。

2 工藝參數的設定

(1)三層共擠擠塑機溫度的設定。三螺桿不同區域的溫度見表1。表1中，Z1～Z8是三臺擠塑機的溫控區，H1和H2分別是三層共擠的機頭上下電加熱圈處設定的溫度，TU4是螺桿S2芯中通恒溫循環水的溫度，三層共擠機頭的溫度都是123℃。

表1 三螺桿上各溫區的設定溫度 (單位:℃)

(2)6節硫化管道，每節6 m，每節硫化管的溫度見表2。

(3)導體前置預熱溫度90℃，導體后置加熱溫度150℃。

(4)導體運行線速度1.52 m/min。

表2 氮氣壓力10bar下硫化管道溫度 (單位:℃)

3 三層共擠參數的記錄

為了對比絕緣料A(進口超高壓絕緣料)與絕緣料B(萬馬YJ-110高壓XLPE絕緣料)的加工工藝性能，在所有工藝溫度參數不變的情況下，記錄 200擠塑機運行參數的波動，觀測其電流、轉速、壓力、轉速、絕緣厚度和絕緣偏心值隨時間波動的關系(見圖1)，圖中，1為電流(A);2為壓力(MPa);3為絕緣厚度;4為轉速(rpm);5為偏心(mm)，上述數據每5 min采樣一次。

從圖1中可見，連續生產5h各參數均非常穩定，波動范圍較小。兩種絕緣料A和B在擠塑過程中，各參數隨時間的數值變化列于表3中。

從表3數據可見，使用國產的絕緣料B，主機轉速要稍微快些，但是電流反而小些，可能和粒子大小有關，影響喂料量。連續開機5h，擠出壓力前后變化均為0.3 MPa，兩種料的擠塑性能基本一致。通過偏心測試儀記錄的數據可得出，絕緣厚度在5h內絕緣料A比絕緣料B厚度波動要稍大，而偏心值要稍小，總體來說兩者之間無明顯的差異，說明絕緣料B可以適應該高壓料擠出工藝性能要求，并且非常穩定。

圖1 擠塑機運行參數隨時間的變化

4 電纜性能的檢測

兩種絕緣料生產的成品電纜，送武漢高壓研究院進行了全面性能的測量。

(1)局部放電測量

兩種絕緣電纜的局放測量結果見表4。

表4 兩種絕緣電纜的局部放電測量結果

從表4可見，兩種絕緣電纜的局部放電試驗結果均符合標準要求，用絕緣料A生產的電纜的局部放電量略微小些。

(2)沖擊電壓試驗

試驗條件:環境溫度9.5℃，相對濕度50%，大氣壓0.1012 MPa。

電纜先經正負極性沖擊電壓試驗各10次，隨后再做工頻耐壓試驗，試驗結果見表5。

表5 電纜的沖擊電壓和交流耐壓試驗

(3)絕緣的老化性能

絕緣老化前后的機械性能見表6。

從表6可見，絕緣A與絕緣B的機械性能相當，老化前抗張強度和斷裂伸長率分別都比標準要求值大一倍和兩倍，老化后兩者的變化率都比標準要求值小得多。

(4)電纜絕緣中微孔和雜質檢測

絕緣中微孔和雜質的檢測結果列見表7。從表7可見，絕緣A和絕緣B中的微孔都不大于25 μm，不透明雜質都不大于50 μm，半透明棕色物質都不大于250 μm。

(5)其他性能試驗

絕緣的介質損耗、熱延伸和收縮率的測量數據見表8。

從表3到表8的測量數據可見，國產YJ-110絕緣料B生產的110 kV電纜的各項性能完全滿足符合國家標準的要求，并與進口絕緣料A生產的電纜的各項性能相當。

表6 絕緣老化前后的機械性能

表7 絕緣中微孔和雜質的檢測值

表8 其他性能

5 結束語

萬馬YJ-110高壓電纜料與進口高壓電纜料在同一立塔三層共擠生產線上分別生產兩根同樣規格的YJLW03 64/110 1×630 XLPE電力電纜，在擠塑性能方面兩種絕緣料之間無明顯的差異，說明YJ-110絕緣料可以適應高壓料擠出工藝性能要求，并且非常穩定。

兩根110 kV XLPE電力電纜在武漢高圧研究院進行了全面性能的測量，從對比數據可見，用YJ-110高壓絕緣料生產的電纜完全達到了用進口高壓絕緣料生產的電纜的水平。

［1］蔡建超，劉美兵，何 軍，等.國產110 kV XLPE電纜料的研發和性能［J］.電線電纜，2012(6):28-31.

［2］Vahdat Vahedy.Polymer Insulated High Voltage Cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2006，22(3):13-18.

［3］Jan-Ove Bostrom，Eric Marsden，R.Nigel Hampton，et al.E-lectrical Stress Enhancement of Contaminants in XLPE Insulation Used for Power Cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2003，19(4):6-12.

［4］賈 欣，劉 英，曹曉瓏.國產高壓XLPE電纜絕緣中允許雜質尺寸的試驗研究及方法［J］.電線電纜，2003(6):22-25.

［5］GB/T 11017—2002 額定電壓110 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.