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(PP)絕緣電力電纜的開發(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，以及電纜在長時(shí)間運(yùn)行過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。
1、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試樣品見圖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。
2、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度為2m的樣品放置在簡易樣品架中，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)。
3、聚丙烯電纜低溫收縮檢測
分別取長度為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)測量點(diǎn)，分別標(biāo)記為測量點(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度差別的影響，測量電纜長度時(shí)在最高點(diǎn)畫線標(biāo)記測量線段 Ⅱ1，在最高點(diǎn)的對(duì)邊標(biāo)記測量線段1。試驗(yàn)前使用π尺(精度為
0.20mm) 測量PP#1和PP#2的絕緣線芯外周長，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)，讀取測量值。在室溫下測量電纜的長度和各測量點(diǎn)的外徑后，將樣品放入-40℃的低溫試驗(yàn)箱，冷卻48h;冷卻后，采用相同方法測量電纜的長度和各測量點(diǎn)的外周長;隨后，將樣品在常溫條件下放置48h后，再次測量并記錄樣品的相關(guān)尺寸。
4、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)械拉伸測試。測試分析老化前后電纜絕緣啞鈴型樣片的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率。
二、測試數(shù)據(jù)與分析討論
1、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)聚乙烯電纜的長度相對(duì)于初始長度的收縮或膨脹情況，結(jié)果見表1。其中，正號(hào)(+)表示電纜伸長，負(fù)號(hào)(-)表示電纜縮短。
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)出加熱過程中的熱膨脹特性，冷卻后能夠恢復(fù)至原始長度。從第三天開始，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)過程中僅表現(xiàn)出加熱過程中的熱膨脹特性，并且冷卻后能夠恢復(fù)至原長度。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，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表2。
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程中收縮率為-0.8%，說明高溫運(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)力在退火的過程中難以被消解;而聚丙烯電纜沒有形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)應(yīng)力在退火過程中更容易被消解，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，未來聚丙烯電纜運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)采取更適用的方案。
2、聚丙烯電纜低溫收縮特性
電力電纜在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)空載的情況，由于此時(shí)中心導(dǎo)體中沒有電流通過，電纜不會(huì)發(fā)熱。但是，在長時(shí)間的空載后，電纜本體的溫度將與周圍環(huán)境溫度趨于一致?？紤]到在我國北方地區(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)電纜的外徑及長度進(jìn)行測量，見圖2。此外，試驗(yàn)過程中還考慮了有無導(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表3和表4。
由表3可知，試樣PP#3(有導(dǎo)體)和PP#4(無導(dǎo)體)經(jīng)過-40℃低溫處理48h后，其徑向外周長的收縮率在0.46%~0.68%范圍，與是否保留導(dǎo)體無關(guān)，由于外徑與外周長成正比，說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)至原來的外徑長度。
由表4可知，經(jīng)-40℃低溫處理48h后，聚丙烯電纜在縱向長度也表現(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(無導(dǎo)體)的收縮率約為0.60%，這說明導(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，無論是否抽除導(dǎo)體，聚丙烯電纜的徑向長度基本能夠恢復(fù)至原始尺寸。
3、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)，測試得到老化前后的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率數(shù)據(jù)，結(jié)果見表5。
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，斷裂伸長率呈現(xiàn)出相對(duì)較大的下降趨勢，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率變化率均未超過±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期老化性能。
三討論
本文對(duì)試制的110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜開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，電纜在縱向長度上的變化更加明顯?？傮w來說，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，外徑或外周長的收縮率0.46%~0.68%之間，試驗(yàn)結(jié)果與電纜是否保留金屬導(dǎo)體無關(guān);而聚丙烯電纜在低溫處理后的縱向長度收縮率則受導(dǎo)體影響明顯，無導(dǎo)體接枝聚丙烯電纜縱向長度收縮率約0.60%，而有導(dǎo)體接枝聚丙烯電纜縱向長度收縮率僅為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%;斷裂伸長率下降幅度較大，逐步下降至初始值的75.9%，斷裂伸長率變化率為-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率變化率不超過±25%的標(biāo)準(zhǔn)要求。
