【學(xué)術(shù)精選】110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜本體機(jī)械特性
隨著電線電纜技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)電力電纜提出了大容量、環(huán)保、可回收的要求。在此背景下，聚丙烯（polypropylene，PP）絕緣電力電纜的開(kāi)發(fā)、制造與運(yùn)行受到了許多研究者的關(guān)注，相繼提出了不同技術(shù)路線的聚丙烯電纜絕緣材料性能優(yōu)化方法，如共混、共聚、接枝等改性方法。由于聚丙烯絕緣電力電纜的工程示范應(yīng)用較少，目前對(duì)其敷設(shè)安裝和運(yùn)行維護(hù)特性仍需進(jìn)一步研究。亟需探討在安裝敷設(shè)過(guò)程中聚丙烯絕緣電力電纜材料冷收縮與熱收縮情況對(duì)敷設(shè)和接頭安裝的影響，以及電纜在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中聚丙烯絕緣材料的機(jī)械特性演化規(guī)律，對(duì)電纜和電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全有著重要意義。
針對(duì)聚丙烯絕緣電力電纜敷設(shè)安裝以及運(yùn)行維護(hù)的需要，本文對(duì)2024年度試制生產(chǎn)的110kV接枝聚丙烯電力電纜成品的冷熱收縮特性，以及高溫下聚丙烯絕緣材料的老化機(jī)械特性進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行橫向與縱向?qū)Ρ?，研究成果有望為更高電壓等?jí)接枝改性聚丙烯絕緣電力電纜的工程應(yīng)用提供參考。
110kV聚丙烯絕緣電纜機(jī)械特性試驗(yàn)
樣品準(zhǔn)備
采用立塔式（vertical continuous vulcanization，VCV）生產(chǎn)線試制截面積為1600mm2、電壓為110kV的高壓接枝聚丙烯絕緣電力電纜。其中，聚丙烯絕緣材料來(lái)源于清華大學(xué)和中石化（北京）化工研究院共同研發(fā)的110kV接枝聚丙烯絕緣材料，半導(dǎo)電屏蔽材料來(lái)源于清華大學(xué)、中石化（北京）化工研究院及江陰海江高分子共同研發(fā)的110kV聚丙烯基半導(dǎo)電屏蔽材料。從110kV接枝聚丙烯電纜成品上切取的含銅線芯電纜樣品標(biāo)記為PP#1、PP#2、PP#3，同時(shí)切取另一去除銅線芯的電纜樣品標(biāo)記為PP#4。接枝聚丙烯絕緣電力電纜測(cè)試樣品見(jiàn)圖1。作為對(duì)比，從相同截面積（1600mm2）、相同電壓等級(jí)（110kV）的交聯(lián)聚乙烯（cross-linked polyethyline，XLPE）電纜成品上切取交聯(lián)聚乙烯電纜樣品標(biāo)記為XLPE#1、XLPE#2。
圖1 接枝聚丙烯絕緣電力電纜測(cè)試樣品
電纜熱收縮試驗(yàn)
分別模擬聚丙烯電纜工作溫度為70℃和90℃的運(yùn)行工況，采用去氣室加熱方式和加熱帶加熱方式對(duì)電纜進(jìn)行熱收縮試驗(yàn)。
去氣室加熱方式為將長(zhǎng)度為2m的樣品放置在簡(jiǎn)易樣品架中，樣品和樣品架再一同置于去氣室內(nèi)，去氣室溫度控制在70℃。放進(jìn)去氣室前，首先測(cè)量絕緣層兩端的收縮情況，并記錄數(shù)據(jù)和狀態(tài)；樣品在去氣室內(nèi)加熱8h后，再次測(cè)量絕緣層兩端收縮情況并記錄；最后將樣品放置在環(huán)境溫度下自然冷卻16h，測(cè)量冷卻后絕緣層兩端的收縮情況并作記錄。以24h為一個(gè)去氣室加熱試驗(yàn)測(cè)量周期，共進(jìn)行5個(gè)去氣室加熱冷卻循環(huán)。
加熱帶加熱方式是將加熱帶以正常狀態(tài)纏繞在聚丙烯電纜絕緣樣品上，加熱前首先測(cè)量絕緣層兩端尺寸，并記錄初始值；然后將樣品加熱至90℃并保持8h后，測(cè)量絕緣層兩端收縮情況，并記錄數(shù)據(jù)和狀態(tài)；然后將樣品放置于環(huán)境溫度下自然冷卻16h，再次測(cè)量絕緣層兩端收縮情況并記錄。以24h為一個(gè)加熱帶加熱試驗(yàn)測(cè)量周期，共進(jìn)行5個(gè)加熱帶加熱冷卻循環(huán)。
PP#1和XLPE#1采用去氣室加熱方式，PP#2和XLPE#2采用加熱帶加熱方式，分別在70℃和90℃工況下進(jìn)行接枝聚丙烯絕緣電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮試驗(yàn)。
聚丙烯電纜低溫收縮檢測(cè)
分別取長(zhǎng)度為350mm的聚丙烯電纜樣品PP#1和PP#2，在樣品上取間隔相等的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別標(biāo)記為測(cè)量點(diǎn)1~6，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為50mm。為避免切取造成電纜略有彎曲以及外沿長(zhǎng)度差別的影響，測(cè)量電纜長(zhǎng)度時(shí)在最高點(diǎn)畫(huà)線標(biāo)記測(cè)量線段Ⅱ，在最高點(diǎn)的對(duì)邊標(biāo)記測(cè)量線段Ⅰ。試驗(yàn)前使用π尺（精度為0.20mm）測(cè)量PP#1和PP#2的絕緣線芯外周長(zhǎng)，使π尺對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記線旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)緊密貼合絕緣線芯表面(π尺一側(cè)與標(biāo)記線對(duì)齊)，讀取測(cè)量值。在室溫下測(cè)量電纜的長(zhǎng)度和各測(cè)量點(diǎn)的外徑后，將樣品放入−40℃的低溫試驗(yàn)箱，冷卻48h；冷卻后，采用相同方法測(cè)量電纜的長(zhǎng)度和各測(cè)量點(diǎn)的外周長(zhǎng)；隨后，將樣品在常溫條件下放置48h后，再次測(cè)量并記錄樣品的相關(guān)尺寸。
聚丙烯電纜本體絕緣空氣熱氧老化試驗(yàn)
從試制的110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜中切取同樣大小的電纜絕緣層樣片，裁成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，在150℃下進(jìn)行360h空氣熱氧老化試驗(yàn)。分別在老化開(kāi)始后的168，240，312，360h取樣，即7d（168h）后，每增加3d（72h）取一次樣，并進(jìn)行機(jī)械拉伸測(cè)試。測(cè)試分析老化前后電纜絕緣啞鈴型樣片的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。
電纜的熱收縮特性
電力電纜安裝敷設(shè)時(shí)，其熱環(huán)境往往與運(yùn)行時(shí)不同。在溫度的影響下，電纜材料通常會(huì)發(fā)生熱收縮，如果對(duì)此特性缺乏了解而直接進(jìn)行安裝敷設(shè)，可能會(huì)為電纜運(yùn)行留下安全隱患。此外，聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣材料具有較大的差異性，現(xiàn)有關(guān)于交聯(lián)聚乙烯熱收縮性能的研究結(jié)論無(wú)法直接應(yīng)用于聚丙烯電纜。因此，有必要對(duì)試制的110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜和相同截面的110kV交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，以明確各自的熱收縮特性。
在70℃工況下進(jìn)行5次熱循環(huán)試驗(yàn)，分別記錄聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的長(zhǎng)度相對(duì)于初始長(zhǎng)度的收縮或膨脹情況，結(jié)果見(jiàn)表1。其中，正號(hào)（+）表示電纜伸長(zhǎng)，負(fù)號(hào)（−）表示電纜縮短。
表1 70℃工況下聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮情況
由表1可知，在前兩天的熱循環(huán)中，聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜均僅表現(xiàn)出加熱過(guò)程中的熱膨脹特性，冷卻后能夠恢復(fù)至原始長(zhǎng)度。從第三天開(kāi)始，交聯(lián)聚乙烯電纜出現(xiàn)了熱收縮特性，即在第二天冷卻后，電纜長(zhǎng)度縮短了0.10%，并且在第三天加熱時(shí)繼續(xù)縮短。相比之下，聚丙烯電纜在70℃的熱循環(huán)過(guò)程中僅表現(xiàn)出加熱過(guò)程中的熱膨脹特性，并且冷卻后能夠恢復(fù)至原長(zhǎng)度。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮率隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，最大可達(dá)−0.40%；而聚丙烯電纜則為+0.10%，表現(xiàn)出較低的變形和較高的可恢復(fù)性。
兩種電纜在更高溫度90℃工況下熱循環(huán)試驗(yàn)中的收縮特性更為突出，90℃工況下聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮情況見(jiàn)表2。
表2 90℃工況下聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮情況
由表2可知，相較70℃的熱循環(huán)試驗(yàn)，90℃工況下聚丙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜在前兩天均表現(xiàn)出更高的熱收縮或熱膨脹特性。交聯(lián)聚乙烯電纜在第一天加熱后的冷卻過(guò)程中收縮率為−0.8%，說(shuō)明高溫運(yùn)行促進(jìn)了交聯(lián)聚乙烯的熱收縮。雖然聚丙烯電纜在高溫下也呈現(xiàn)出一定的熱收縮特性，收縮率最高達(dá)到−0.35%，但始終低于交聯(lián)聚乙烯電纜的熱收縮率（最高−1.3%）。
聚丙烯電纜與交聯(lián)聚乙烯電纜在熱收縮試驗(yàn)中的不同表現(xiàn)，可能與其分子性質(zhì)和生產(chǎn)工藝的差異有關(guān)。電纜絕緣擠出時(shí)，高聚物受到剪切和牽引拉伸作用，使高分子沿著受力方向取向，造成電纜擠包層內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在電纜日常運(yùn)行中逐漸消解，導(dǎo)致電纜絕緣層與屏蔽層產(chǎn)生熱收縮現(xiàn)象。交聯(lián)聚乙烯電纜生產(chǎn)中需要交聯(lián)，而高溫下形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)應(yīng)力還未得到松弛的情況下將分子鏈牢牢鎖住，使得內(nèi)應(yīng)力在退火的過(guò)程中難以被消解；而聚丙烯電纜沒(méi)有形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)應(yīng)力在退火過(guò)程中更容易被消解，不易發(fā)生熱收縮現(xiàn)象。以上現(xiàn)象表明，聚丙烯電纜在工作溫度下熱收縮更小，未來(lái)聚丙烯電纜運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)采取更適用的方案。
聚丙烯電纜低溫收縮特性
電力電纜在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)空載的情況，由于此時(shí)中心導(dǎo)體中沒(méi)有電流通過(guò)，電纜不會(huì)發(fā)熱。但是，在長(zhǎng)時(shí)間的空載后，電纜本體的溫度將與周?chē)h(huán)境溫度趨于一致?？紤]到在我國(guó)北方地區(qū)冬季常常出現(xiàn)極寒天氣，電纜的設(shè)計(jì)必須考慮到材料及結(jié)構(gòu)對(duì)于低溫環(huán)境的適應(yīng)性，以及經(jīng)歷低溫后重新投入運(yùn)行后的可靠性。因此，本文初步探索了110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜在經(jīng)歷低溫循環(huán)后的收縮特性。在電纜經(jīng)歷低溫或室溫恢復(fù)后，采用π尺對(duì)電纜的外徑及長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖2。此外，試驗(yàn)過(guò)程中還考慮了有無(wú)導(dǎo)體存在對(duì)聚丙烯電纜低溫收縮特性的影響。
試樣PP#3（有導(dǎo)體）與PP#4（無(wú)導(dǎo)體）在−40℃低溫試驗(yàn)箱內(nèi)冷卻48h后，聚丙烯電纜徑向和縱向的低溫收縮情況分別見(jiàn)表3和表4。
表3 經(jīng)歷−40℃冷卻后PP電纜徑向低溫收縮情況
由表3可知，試樣PP#3（有導(dǎo)體）和PP#4（無(wú)導(dǎo)體）經(jīng)過(guò)−40℃低溫處理48h后，其徑向外周長(zhǎng)的收縮率在0.46%~0.68%范圍，與是否保留導(dǎo)體無(wú)關(guān)，由于外徑與外周長(zhǎng)成正比，說(shuō)明外徑也收縮了相同的百分比。低溫收縮的聚丙烯電纜在常溫下放置與冷處理相同的時(shí)間后基本能夠恢復(fù)至原來(lái)的外徑長(zhǎng)度。
表4 經(jīng)歷−40℃冷卻后PP電纜縱向低溫收縮情況
由表4可知，經(jīng)−40℃低溫處理48h后，聚丙烯電纜在縱向長(zhǎng)度也表現(xiàn)出收縮特性，試樣PP#3（有導(dǎo)體）的收縮率在0.20%左右，而試樣PP#4（無(wú)導(dǎo)體）的收縮率約為0.60%，這說(shuō)明導(dǎo)體對(duì)于擠包屏蔽層和絕緣層的低溫收縮起到抑制作用。在恢復(fù)至室溫后，無(wú)論是否抽除導(dǎo)體，聚丙烯電纜的徑向長(zhǎng)度基本能夠恢復(fù)至原始尺寸。
聚丙烯電纜本體空氣熱氧老化后的機(jī)械特性
110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜在加速空氣熱氧老化過(guò)程中，聚丙烯電纜本體絕緣機(jī)械特性的變化規(guī)律尤為重要。因此，本文對(duì)150℃下不同空氣熱氧老化時(shí)間的聚丙烯電纜本體絕緣進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)，測(cè)試得到老化前后的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 150℃空氣熱老化前后聚丙烯電纜的機(jī)械性能
由表5可知，在老化360h內(nèi)，聚丙烯電纜絕緣的抗張強(qiáng)度僅有略微的下降，下降幅度最多僅為4.6%。與抗張強(qiáng)度不同，斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)出相對(duì)較大的下降趨勢(shì)，并且隨著老化時(shí)間的增加，在150℃下老化360h后下降至初始值的75.9%。參考交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11017.1—2014《額定電壓110kV（Um=126kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第1部分：試驗(yàn)方法和要求》規(guī)定，電纜絕緣老化前后的抗張強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的最大變化率均要求為±25%，110kV接枝聚丙烯電纜本體絕緣試樣在150℃下老化15d后的抗張強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率均未超過(guò)±25%的要求。試驗(yàn)結(jié)果充分證明了110kV接枝聚丙烯電纜絕緣具有可靠的長(zhǎng)期老化性能。
本文對(duì)試制的110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜開(kāi)展了成纜本體熱收縮及低溫收縮的熱循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)探究了聚丙烯電纜本體絕緣熱氧老化后的機(jī)械特性，得到以下結(jié)論。
1）接枝聚丙烯電纜在熱循環(huán)中的機(jī)械特性以熱膨脹為主，而交聯(lián)聚乙烯電纜則呈現(xiàn)更強(qiáng)的熱收縮特性。隨著熱循環(huán)溫度升高，電纜在縱向長(zhǎng)度上的變化更加明顯?？傮w來(lái)說(shuō)，接枝聚丙烯電纜的熱收縮率比交聯(lián)聚乙烯電纜更低，并且表現(xiàn)出更為優(yōu)異的可恢復(fù)性。
2）接枝聚丙烯電纜經(jīng)−40℃低溫試驗(yàn)48h后，外徑或外周長(zhǎng)的收縮率在0.46%~0.68%之間，試驗(yàn)結(jié)果與電纜是否保留金屬導(dǎo)體無(wú)關(guān)；而聚丙烯電纜在低溫處理后的縱向長(zhǎng)度收縮率則受導(dǎo)體影響明顯，無(wú)導(dǎo)體接枝聚丙烯電纜縱向長(zhǎng)度收縮率約0.60%，而有導(dǎo)體接枝聚丙烯電纜縱向長(zhǎng)度收縮率僅為0.20%。
3）150℃下空氣熱氧老化360h后，聚丙烯電纜本體絕緣的抗張強(qiáng)度下降幅度較小，抗張強(qiáng)度變化率為−3.2%；斷裂伸長(zhǎng)率下降幅度較大，逐步下降至初始值的75.9%，斷裂伸長(zhǎng)率變化率為−24.1%；仍滿足空氣熱氧老化前后抗張強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率不超過(guò)±25%的標(biāo)準(zhǔn)要求。
《電線電纜》1958年創(chuàng)刊，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)的電工技術(shù)類(lèi)科技期刊。及時(shí)、全面地刊載國(guó)內(nèi)外電線電纜行業(yè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，引導(dǎo)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究融會(huì)貫通，推動(dòng)學(xué)科交叉融合，為電線電纜的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面構(gòu)建學(xué)術(shù)交流和科技開(kāi)放平臺(tái)。主要欄目有前沿?zé)狳c(diǎn)綜述、關(guān)鍵材料應(yīng)用、線纜研究與開(kāi)發(fā)、線纜工藝與裝備、檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行與維護(hù)和數(shù)智技術(shù)應(yīng)用等。歡迎來(lái)稿！
來(lái)源 | 上纜所傳媒
編輯 | 盧羽佳
審核 | 何曉芳
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