环保型聚丙烯绝缘电力电缆国产化应用的探讨
导读
目前，国内的中压电力电缆大多采用交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆，XLPE具有优良的电气绝缘性能和机械性能，其具有传输容量大、耐化学稳定性好、耐热性等优点，是目前理想的绝缘材料。
然而随着电力电缆的大规模使用，也暴露出一些问题：①XLPE在交联过程中产生的交联副产物，除气后仍可残留在电缆的内部，影响电力电缆绝缘的机械性能和电气性能；②生产工艺复杂，交联、除气等工序的设备占据空间大、能量消耗多、生产效率低；③XLPE绝缘材料是热固性材料，交联聚乙烯电缆退役后难以回收利用，废弃物对环境造成破坏。
为改善XLPE绝缘电力电缆在生产和应用中出现的问题，国外电缆企业将环保型聚丙烯材料应用于中高压电力电缆并已形成规模。随着国家“碳达峰”、“碳中和”工作重点任务及绿色、低碳、环保的“十四五”规划目标的提出，研制绿色、低碳、环保的电力电缆已成为我国电力电缆应用中的一项迫切需要。
本文介绍了一种环保型聚丙烯绝缘电力电缆，改善了行业内绿色、低碳、环保、可回收的电力电缆稀缺的现状，并对生产设备在原来的基础上进行了改造，对环保型电力电缆大规模应用有着重要的意义。
精读
聚丙烯材料的研究现状
1、聚丙烯的性能优点
1）聚丙烯密度为0.90~0.91g·cm-3，为通用塑料中最轻的一种；
2）聚丙烯具有优良的耐热性，长期使用温度可高达100~120℃，其中等规聚丙烯的熔点最高可达170℃；
3）聚丙烯是一种非极性塑料，其具有化学稳定性优良，耐化学腐蚀性高等优点，在室温下，只有强氧化性酸（如发烟硫酸、硝酸）对其有腐蚀作用。聚丙烯吸水性很小，吸水率小于0.01%；
4）聚丙烯材料的力学强度、刚性和耐应力开裂等性能均超过高密度聚乙烯，而且有突出的延伸性和抗弯曲疲劳性能；
5）聚丙烯的电绝缘性能优良，击穿电压强度高，其电性能基本不受环境湿度及电场频率改变的影响，是优异的介电材料和电绝缘材料，并可作为高频绝缘材料使用，可用于通信电缆的绝缘材料。
2、聚丙烯的性能缺点
1）聚丙烯的耐低温性能不如聚乙烯，脆化温度约为-30~-10℃，低温下的抗冲击性能不佳，低温下其冲击强度低；
2）聚丙烯在成型和使用中易受光照、热辐射、氧气的作用而老化，对紫外线很敏感，在氧气和紫外线作用下易降解；
3）聚丙烯的熔点较低、热变形温度低、抗蠕变性能差、尺寸稳定性较差；
4）聚丙烯的热导率要比聚乙烯的热导率小，聚丙烯的散热性能差。
3、聚丙烯的改性
使用聚丙烯作为电力电缆绝缘材料必须改善其性能的缺点，以满足电力电缆加工、敷设安装和使用的要求。目前，对聚丙烯的改性主要有共聚改性、共混改性、添加纳米材料等方法。
本工作使用的聚丙烯材料是与国内领先原材料企业联合开发，采用共混改性的方式，是以相对分子质量高、熔融指数低、耐磨性好、优异的耐环境应力开裂性能及化学稳定性较好的聚丙烯树脂为基材，加入EVA树脂及乙丙橡胶等进行改性，经混炼、挤出造粒加工而成。通过各组分性能的相互均衡和相互补充，优化聚丙烯材料的性能，满足电力电缆使用性能、加工性能及安装敷设的要求。
聚丙烯绝缘电力电缆的加工工艺
1、电缆结构及工艺流程
三芯中压环保型聚丙烯绝缘铠装电力电缆的结构示意图见图1，其生产工艺流程图见图2。
图1 三芯中压聚丙烯绝缘电力电缆结构示意图
1—导体；2—聚丙烯内屏蔽层；3—聚丙烯绝缘层；4—聚丙烯外屏蔽层；5—填充；6—金属屏蔽；7—包带；8—隔离套；9—镀锌钢带；10—外护层
图2 三芯中压聚丙烯绝缘电力电缆工艺流程图
2、聚丙烯绝缘的加工工艺
1）设备的选择与改造
本工作采用三层共挤的水平式生产线，由于聚丙烯材料熔点高于常规交联聚乙烯的生产温度，因此须对该设备进行升级改造。将水循环式模具温度控制机变为油循环式模具温度控制机，解决了机头温度低的问题，可满足聚丙烯加工温度的要求。
2）螺杆和模具的设计
根据聚丙烯的加工性能，重新设计了螺杆和挤出模具，螺杆的压缩比控制在2.4~3.2范围内，调整了模芯与模套的倾斜角度，使聚丙烯材料的流动性更加稳定，保证了绝缘线芯的圆整度，从而保证产品的偏心度满足质量要求。
3）加工温度的设计
聚丙烯的熔点可达170℃，高于中压交联聚乙烯的加工温度(100~125℃)，因此，须重新设计绝缘材料的加工温度，不同绝缘材料加工温度见表1。
表1 不同绝缘材料加工温度（单位 ：℃）
产品的性能试验
本工作设计的环保型聚丙烯绝缘电力电缆，试验以8.7/15kV 3×400mm²的电缆为例，按GB/T 12706.2-2020和企业标准，其主要电气性能指标及结果见表2，其主要非电气性能指标及检测结果见表3。
表2 主要电气性能试验检测结果
由表2可以看出，聚丙烯绝缘电力电缆在室温，35kV，15min条件下(XLPE绝缘电力电缆为室温，30.5kV，15min)，聚丙烯绝缘电力电缆通过冲击电压后的工频耐压试验。
表3 主要非电气性能试验检测结果
由表3可以看出，聚丙烯绝缘电力电缆的绝缘老化机械性能试验在135℃，240h条件下(XLPE绝缘电力电缆为135℃，168h)，满足产品标准要求。
本工作设计开发的中压环保型聚丙烯绝缘电力电缆，选用改性聚丙烯作为绝缘材料，通过绝缘工序的生产设备改造和生产工艺优化实现了中压聚丙烯绝缘电力电缆的批量化生产与应用。该产品具有生产能耗低、材料可回收利用、耐温等级高、载流量大、生产效率高等特点，符合绿色、低碳、环保及国家提出的“双碳”目标要求，满足国家电网、南方电网对环保型电力电缆的使用要求。
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