涂必冬， 李維康， 戴紅兵， 張 翀， 沈永健

（1.江蘇德威新材料股份有限公司，太倉 215421； 2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 輸變電技術(shù)國家重點實驗室，北京 102211）

0 引 言

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展，高壓電力電纜的生產(chǎn)和應用也進入了一個快速的增長期，高壓電力電纜已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并應用于各大城市和電站的電力輸送系統(tǒng)，但是制造高壓電力電纜所使用的絕緣材料卻被國外供應商所壟斷，我國每年為此付出上億元的外匯購買該原料［1?4］。

國外在高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜料方面有豐富的經(jīng)驗，如 BOREALIS、DOW 等公司，這些廠家都是從石油裂解乙烯樹脂生產(chǎn)開始，使用專用的合成裝置生產(chǎn)超凈料，通過聚合等工序生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣料。 生產(chǎn)是密閉連續(xù)的，生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，質(zhì)量控制嚴格。 通過該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品具有耐用性能優(yōu)異、抗擊穿強度高、熱老化性能穩(wěn)定和加工性能優(yōu)良等特點。 我國目前生產(chǎn)的高壓電纜絕緣材料用聚乙烯樹脂比20 世紀90 年代初期有了質(zhì)的飛躍，該材料各項指標滿足我國高壓電纜的使用要求，突破了用于超凈材料的原材料技術(shù)瓶頸。 國內(nèi)電纜材料廠家從2008 年開始陸續(xù)在高壓、超高壓電纜領域增加投入，已經(jīng)具備了研發(fā)、生產(chǎn)和應用的實力，比較突出的廠家有江蘇德威新材料股份有限公司、浙江萬馬高分子材料有限公司［5］。

目前，使用國產(chǎn)絕緣材料和半導電屏蔽材料制備220 kV 高壓交流電纜，并獲得型式試驗和預鑒定試驗的廠家僅為江蘇德威新材料股份有限公司，其與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司合作的國家電網(wǎng)公司科技項目（5455DW160006）已經(jīng)進入工程應用階段，并在丹東供電局提供的線路中掛網(wǎng)運行。

國內(nèi)在該領域的發(fā)展尚存在下列問題：①缺乏對高壓XLPE 絕緣材料基礎樹脂的系統(tǒng)研究；②超凈絕緣材料制備的穩(wěn)定性和連續(xù)性尚不及國外［6］。本工作對國產(chǎn)的高壓交流電纜用絕緣材料（代號YJ?220）與國外同類產(chǎn)品（代號 A、B、C）進行性能研究，找出國產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料與進口交聯(lián)聚乙烯材料之間存在的差異，為國內(nèi)高壓電纜材料的研發(fā)提供參考。

1 試驗部分

1.1 原材料

低密度聚乙烯（LDPE），揚子石化巴斯夫2220H；抗氧劑300，廣州銀井精化科技有限公司；交聯(lián)劑過氧化二異丙苯（DCP），中國石化上海高橋石油化工有限公司；其他助劑均為市售產(chǎn)品。

1.2 高壓交流電纜用絕緣材料的制備

（1）將LDPE 樹脂、抗氧劑300 及加工助劑加入超潔凈的負壓喂料裝置中，通過電子計量系統(tǒng)后進入強制喂料斗，強制喂料進入擠出機進行熔融共擠；

（2）擠出機內(nèi)的混合原料在150～160 ℃條件下進行熔融共擠制備絕緣料預混料，經(jīng)水下切粒、離心脫水后進入緩沖料倉中；

（3）將緩沖料倉中的絕緣材料的預混料輸送至電子稱量系統(tǒng)，稱量完成后輸送至搖罐中，在65 ℃溫度條件下，將DCP 融化后，霧化噴入搖罐中使其進行充分吸收，混合后的絕緣料進入保溫料倉，保溫24 h，進行成品包裝。

1.3 分析與測試

按照ASTM D257—2014《絕緣材料直流電阻或電導的標準試驗方法》測試絕緣材料的體積電阻率。

按照ASTM D638—2014《塑料的拉伸性能測試方法》 測試絕緣材料的物理性能，拉伸速率為250 mm·min-1。

按照IEC 60811?1?2《電纜和光纜的絕緣和護套材料的通用試驗方法第1?2 部分老化測試方法》測試材料的老化性能。

按照IEC 60811?2?1《電纜和光纜的絕緣和護套材料的通用試驗方法第2?1 部分熱延伸測試方法》測試材料的熱延伸性能。

雜質(zhì)含量采用企業(yè)標準進行測試。 為了保證樣品測試數(shù)據(jù)的準確性，對設備、取樣過程和環(huán)境情況加以說明：設備為德國產(chǎn)OCS 光學控制系統(tǒng)雜質(zhì)掃描儀，掃描雜質(zhì)精度為20 μm，試驗室凈化等級通過空氣凈化處理控制在1 000 級。 對于外來樣品的取樣為在合作的電纜企業(yè)絕緣加料室中完成，絕緣加料室凈化等級為100 級，取樣后放置到鋁塑包裝袋內(nèi)加熱封口后再進行測試。

材料的流變性能采用企業(yè)標準進行測試。 記錄轉(zhuǎn)矩流變儀在溫度140 ℃及負荷5 kg 條件下的扭矩曲線和料溫曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 雜質(zhì)含量分析

采用光學控制系統(tǒng)測試材料的薄膜雜質(zhì)數(shù)量。通過高精密度電子攝像機掃描薄膜表面測量透光率，系統(tǒng)根據(jù)透光率自動分辨為疑似焦料或凝膠。焦料表現(xiàn)為黑色雜質(zhì)，基本無透過率；凝膠表現(xiàn)為可透過但透過率異常，粒子發(fā)黃或有可能進一步發(fā)展為焦料的均被判定為凝膠點。 幾種材料在經(jīng)過薄膜測試時均無大于等于50 μm 的焦料或雜質(zhì)，進一步測試各材料的凝膠點，該凝膠點有進一步發(fā)展成為焦料的風險，可以反映各材料的潛在安全風險。 造成凝膠點、焦料和雜質(zhì)的主要原因為以下兩點：

（1）與絕緣材料的基料有關(guān)：① 絕緣材料基料合成設備非生產(chǎn)絕緣材料專用樹脂，各牌號間切換造成添加劑殘留等影響樹脂的純凈度；②絕緣材料基料在合成過程中由于未對空氣、水等介質(zhì)進行凈化處理造成混入空氣中和水中的微粒，擠出過程中會成為凝膠點或焦料。

（2）與絕緣材料的加工工藝有關(guān)：① 絕緣材料基料的相對分子量分布較寬，造成部分大分子量在擠出加工過程中流動性差，較難熔融，從而在高溫高壓下造成凝膠點產(chǎn)生，進一步發(fā)展成為焦料；② 在絕緣料擠出加工過程中金屬件間的摩擦、切粒過程中帶入金屬雜質(zhì)等也會造成絕緣材料中引入雜質(zhì)。

2.2 絕緣材料凝膠點數(shù)量對比

按試驗方法對國外A、B、C 等3 個牌號的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料與國產(chǎn)YJ?220 交聯(lián)聚乙烯的每千克材料中的凝膠點進行測量，結(jié)果見圖1。

圖1 絕緣材料凝膠點數(shù)量對比圖

由圖1 可以看出：4 種絕緣材料中，通過測試得到每千克材料中A 料含有4 個凝膠點，B 料含有6 個凝膠點，C 料含有 8 個凝膠點，YJ220 含有 7 個凝膠點，可以得出：A 料的加工安全性最高，C 料最低。

2.3 力學性能及熱老化性能

按照1.3 節(jié)的試驗方法對國外 A、B 和 C 等3 個牌號款交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的常規(guī)力學性能及老化后力學性能進行測試并與國產(chǎn)YJ?220 交聯(lián)聚乙烯絕緣材料進行對比，結(jié)果見表1。

表1 絕緣材料的拉伸強度與斷裂伸長率

由表1 可以看出：目前市場上國外的A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 的幾種常用的高壓絕緣材料在力學性能上均相差不大，老化也均能滿足標準要求。

按1.3 節(jié)的試驗方法對國外 A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 的幾種常用的高壓絕緣材料進行老化試驗，經(jīng)老化后幾種絕緣材料的顏色變化見圖2。

圖2 老化后幾種絕緣材料的顏色變化

由圖2 可知：A、C 兩種絕緣材料老化后顏色變化不大，B 和 YJ?220 經(jīng)過老化后顏色發(fā)黃，老化后顏色發(fā)黃的原因是抗氧劑300 造成的［7］。 抗氧劑300 是硫代酚類抗氧劑，兼具主抗和輔抗的雙重作用，在捕捉自由基后會生成帶顏色的醌基，從而影響整體材料的顏色。

2.4 體積電阻率

影響絕緣材料的體積電阻率的因素較多，與絕緣材料所用的基礎樹脂、絕緣材料的雜質(zhì)情況、交聯(lián)程度等均有一定關(guān)系，按試驗方法分別對國外A、B、C 和國產(chǎn) YJ?220 等 4 種絕緣材料的體積電阻率和經(jīng)過150 ℃×240 h 老化后的體積電阻率進行試驗，結(jié)果見表2。 試驗選擇150 ℃×240 h 老化條件的原因是，盡可能在較長時間和較高溫度老化后對比材料各項性能，更能體現(xiàn)材料間差異。

表2 不同溫度下絕緣材料的體積電阻率 Ω·m

國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的23 ℃體積電阻率和90 ℃體積電阻率均低于其他3 種絕緣材料，在經(jīng)過10 d 老化后，A、B 和 YJ?220 的體積電阻率均有一定程度的下降，C 有一定程度增大，但增幅和降幅均在一個數(shù)量級內(nèi)。 造成國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的體積電阻率較低的原因為：①國內(nèi)高壓電纜材料的基體樹脂在整體合成環(huán)境的純凈度、極性小分子物質(zhì)殘留上并未做特殊處理；②國外產(chǎn)品的基體樹脂在合成階段提高了整體乙烯基基團含量，制備的絕緣材料達到同樣的交聯(lián)度的前提下可以較少的添加主交聯(lián)劑，而國產(chǎn)YJ?220 絕緣材料的基體樹脂整體乙烯基基團含量較低，不飽和度較低，要達到同樣的交聯(lián)度，在減少主交聯(lián)劑的同時需要適當補充助交聯(lián)劑，這會降低整體材料的體積電阻率。

2.5 材料的流變特性

按照1.3 節(jié)的試驗方法對國外A、B、C 和國產(chǎn)YJ?220 等4 種絕緣材料的流變特性進行測試，結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 轉(zhuǎn)矩流變儀扭矩

圖5 轉(zhuǎn)矩流變儀料溫

由圖4 可以看出：4 種絕緣材料的最低扭矩基本一致，隨時間增加扭矩變化不大，但焦燒時間有較大差別，絕緣材料C 焦燒時間最短，絕緣材料A 焦燒時間最長，絕緣材料B 和C 在交聯(lián)速率上相當，絕緣材料 A 和 YJ?220 相當。 由圖 5 可以看出：隨著時間的增加，在未發(fā)生交聯(lián)反應前，料溫隨時間基本不變，當交聯(lián)反應迅速發(fā)生時，料溫增長較快，與圖4 扭矩的變化趨勢相對應。 說明這4 種絕緣材料在下游電纜生產(chǎn)廠家使用過程中存在不同的安全生產(chǎn)時間或安全生產(chǎn)溫度，A 產(chǎn)品加工安全性最佳，C 產(chǎn)品加工安全性最低。 如何做到既能滿足下游廠家較高生產(chǎn)效率，又能保證絕緣材料的加工安全性是需要進一步研究的內(nèi)容。

3 結(jié)束語

通過光學控制系統(tǒng)對4 種絕緣材料的凝膠點風險進行評估，分析了造成該問題的原因。 分析了4 種絕緣材料的老化性能，提出了進一步探究絕緣材料抗氧化體系的可能性。 對比了4 種絕緣材料老化前后的體積電阻率，提出了國產(chǎn)絕緣材料YJ?220在老化前后體積電阻率偏低的問題。 分析了4 種絕緣材料的流變特性，提出了進一步的研究方向是在保證絕緣材料的加工安全性的前提下，提高下游電纜廠家的生產(chǎn)效率。