500kV电力电缆用国产交联聚乙烯绝缘料性能分析

文 | 阿坊

引言

交联聚乙烯(XLPE)由于其优异的电气性能、机械性能和耐老化性能等，已成为目前高压电缆的主要绝缘形式3]，随着中国城市电网大规模升级改造以及“双碳”目标下海上风能、抽水蓄能电站等新能源的快速开发利用，对高压、超高压XLPE绝缘电力电缆的需求不断增加。

中国是世界电缆生产大国，国内电缆企业已经具备制造500kV交、直流电缆的能力S，处于世界先进水平，但是高压电缆绝缘材料长期依赖进口年进口量高达10万t，使得中国电缆企业在国际竞争中处于弱势，限制了行业的升级转型，因此开发出国产高压电缆绝缘材料，对中国电缆行业高质量发展，提升国际竞争力具有重要意义。

2014年，北欧化工与ABB合作推出了新一代超纯净高压直流电缆用XLPE绝缘材料一LS4258DCE，并开始实现大规模商业化应用:2016年，陶氏化学也推出500V直流电缆用XLPE绝缘材料，其长期工作温度可提升至90C此外，国外企业在高压XLPE电缆绝缘材料研发、生产、检测、运输方面有着丰富的经验，如陶氏化学和北欧化工均使用专用的合成装置生产超净聚乙烯基料，工艺过程密闭连续，生产环节少，最大限度保证基料的洁净度。

近年来，国内电缆企业更加注重国产电缆绝缘材料产品的应用研发，逐步替代进口材料，2010年燕山石化立项“高压XLPE绝缘材料工业技术开发”，旨在开发国产超净XLPE高压电缆绝缘材料。

万马高分子通过改造设备、改进管理和生产工艺，成功开发出超净YJ110型高压XLPE电缆料生产线，2021年3月，首条应用国产XLPE绝缘材料制造的220kV电缆系统在辽宁阜新挂网;2021年4月，首条应用国产绝缘材料的+535kv直流电缆系统在张北柔直工程顺利通过竣工试验叫。

随着国产220kV交流电缆绝缘材料以及500V直流电缆绝缘材料的逐步实现工业化应用，将使中国高压电缆绝缘材料长期依赖进口的局面得到改善，目前，国产基料的部分性能与进口基料之间仍存在差距，如在长时连续挤出特性方面，进口基料可实现单次70-130t连续挤出，而国产基料连续挤出能力小于35t，此外，国内尚未报道可用于500V交流电缆的国产超净XLPE绝缘材料。

本文主要介绍了一种500kv交流电力电缆用国产超净XLPE绝缘材料，首先分析了国产基料与进口基料在分子量以及分子链结构上的异同;其次分析测试了新型国产绝缘材料和2种进口绝缘材料的杂质分布、交联、电气、机械以及热老化性能，并联系结合基料分子链结构论述了国产绝缘材料对于500v交流电缆的适用性;最后对国产基料的后续优化提出了建议。

一.实验方法

1.基础树脂分析方法

本文中选择新型国产超净绝缘材料基料以及进口绝缘材料基料进行研究，分别记为LDPE-1。LDPE-2，分子量及其分布:选择高温凝胶色谱(GPC)测定国产低密度聚乙烯树脂以及进口树脂的分子量及其分布，参考SN/T3002-2011中规定，聚乙烯树脂溶于1，24-三氯苯中，并在150C下进行测试。

傅立叶红外光谱:采用透射模式，通过分析光谱中各频率所对应官能团，定性、定量地对比研究国产基料与进口基料之间分子链结构上的差异，红外光谱测试范围为4000-400c1，分辨率为4cm-1。

2.绝缘材料试样制备方法

基于LDPE-1形成国产绝缘材料XLPE-1，并选择2种进口的500V超净绝缘材料进行对比研究，分别记为试样XLPE-2(对应LDPE-2基料)和XLPE-3，使用平板硫化机将3种绝缘材料分别制成厚0。2mmm、1mm的试样进行后续实验，试样制备的工艺过程如下:在110C、5MPa条件下预热5min，180C、15MPa条件下硫化10min然后5mmin水冷至室温，之后将试样放置于在70C烘箱中脱气24h，并干燥保存。

3.杂质检测方法

OCS杂质检测:使用德国OCS(OpticalControlSystems)公司的PS800C颗粒扫描检测系统，其使用的CCD相机识别精度可达30m。

4.电气性能测试方法

相对介电常数与介质损耗角正切:通过高压西林电桥测量试样的相对介电常数与介质损耗角正切，均采用1mmm厚试样。

体积电阻率:根据GB/T1408。1-2016所述方法，选择三电极系统，测量厚度为1mmmm试样，在23C、1kV/mm电场下的体电流，并计算出体积电阻率。

交流击穿:依据GB/T1408。1-2016，采用连续升压法，升压速率为2Vs，分别测量常温下1mmm厚、高温下0。2m厚3种绝缘材料的交流击穿场强，每种试样至少取得10个有效数据。

二.结果与讨论

1.基础树脂分析

低密度聚乙烯分子在合成中因为工艺的差异会产生不同的分子链结构、分子量分布等，进而在微观、宏观等性能上出现差别，最终对形成的绝缘材料性能造成影响，所以首先需要对国产500kV绝缘材料的基础树脂结构与性能进行分析高聚物具有相同的化学组成，是由聚合度不等的同系物混合而成，因此其分子量仅具有统计学意义。

统计平均一般分为按重量平均、按数量平均，通常重均分子量M对分子量分布的中部较敏感;数均分子量M由于低分子量部分较多的分子数，常认为其对于低分子量部分敏感[7]分散性系数分散度(PD)实质上为M，可以表征分子量分布的分散程度，该值越大，则分子量分散性越大，表1中汇总了LDPE-1、LDPE-2的分子量分布测试结果，能够看出LDPE-1的重均、数均分子量、分散性系数均小于LDPE-2，说明国产基料分子量多集中于低分子量部分，并且分布更为集中。

支化度是高聚物分子链结构研究的重要参数，聚乙烯支化度通常以1000个碳原子中含有的甲基数来表征，在红外光谱中，以1996~2062cm-1范围内面积196~2062m-1表征聚乙烯的吸收，1378cm-1处峰高H1378em-1表征甲基的吸收20]，计算得H1377/S019，并根据文献[18]中公式换算为支化度，即

图1为2种基料的红外光谱图，从图1中可获得LDPE分子链结构的分析结果，如表2所示，其中LDPE-1甲基支化度略高于LDPE-2，较多的短支链可能会对材料结晶度产生影响[21];端基双链万面。

LDE-2的相对含量略尚于LDP即进口料对交联反应更为敏感，有利于提高材料交联效率[7];基作为一种极性化学键，会对材料的电学性能产生影响[22]，在LDPE-2红外谱图中发现了少量炭基，而LDPE-1中并未发现说明国产基料在电气性能和抗老化性能方面略有优势。

经过以上分析，发现LDPE-1基础树脂分子量分布更为集中;在考虑到红外光谱测量误差的情况下，可认为LDPE-1甲基支化度、端基双键与LDPE-2接近，并且分子链中不含或含有极少量基，更有利于其应用在电缆绝缘领域，因此，认为国产LDPE-1基础树脂可适用于500V电缆用绝缘材料的生产应用。

2.绝缘材料杂质分布特性

高压电缆绝缘中存在的微孔和杂质是影响其可靠性的最大隐患，特别是形状尖锐、导电性高的杂质，有研究表明，当XLPE中含有一定浓度杂质时，工频击穿强度会随杂质尺寸的增加而下降。

绝缘中100尺寸杂质浓度每增加5倍，工频击穿、冲击击穿强度分别下降17%、14%4]因此超净化学交联聚乙烯绝缘材料中杂质的尺寸和数量是判断其可应用电压等级的核心参数使用挤出机将3种绝缘材料挤出为宽120mm厚0。15imm的光洁、平整且透明度较好的薄膜采用OCS杂质检测系统分别检测薄膜中杂质分布结果如表3所示。

缘材料XLPE-1、XLPE-2XLPE-3中均未观察到尺寸大于50i/g的杂质不仅满足了GB/T22078。1-2015中要求杂质尺寸小于75im/kg要求，而且说明了国产超净XLPE绝缘材料在50m/g以上杂质控制方面已达到和国外产品同等水平。

对杂质的控制有效地提升了材料的电气性能，是国产绝缘材料XLPE-1应用于500kV等级的重要保证，但是国产绝缘材料中30~50m/kg白色凝胶点数目显著高于2种进口料，说明国产基料在挤出过程中发生了更多的预交联，可能导致抗焦烧性能较差，在对绝缘材料长时挤出性能要求较高的海缆上应用受限。

3.交联性能

热延伸试验通过测量试样在高温下加载负荷时的伸长率以及卸载后的永久伸长率，可间接反应试样交联程度的大小，交联程度较低时，试样内部化学交联点较少，更容易发生形变，因此其延伸率较大，依据GB/T22078。2-2008中要求，试样15min伸长率应小于100%，并且冷却后永久伸长率应小于10%。

表4中数据表明3种绝缘材料均满足要求，此外，XLPE-1的负荷下伸长率、永久变形率稍大于XLPE-2和XLPE-3，说明国产基料在高温下抗形变能力弱于进口基料，可能是由于国产基料交联程度较低所致。

4.电气性能

3种绝缘材料的电气性能如表5所示，其中XLPE-1、XLPE-2、XLPE-3介电参数均由西林电桥测得，且满足标准中性能要求，常温下1mm厚试样体积电阻率、交流击穿场强，3种绝缘材料均满足GB/T22078。2-2008性能要求，可作为500kV用电缆绝缘材料，

此外，针对0.2mm厚试样，测试了3种绝缘材料在30C、70C、9C下交流击穿场强，如图2所示，能够看出，随着温度的升高，3种绝缘材料击穿场强呈下降趋势;在30C条件下国产XLPE-1击穿场强低于进口料，而在70C、90C下，XLPE-1交流击穿场强较高;并且XLPE1击穿场强温度稳定性更好。

5.机械性能

机械性能方面，3种绝缘材料拉伸强度测试结果如图3所示，热老化前后性能以及老化造成的拉伸强度、断裂伸长率均满足GB/T22078。2一2008要求(虚线表示标准中规定的最小值)。

三.结论

通过实验研究和分析，得出如下结论。

(1)分析比较了国产基料(LDPE-1)与进口绝缘材料基料(LDPE-2)分子量以及分子链结构之间的差异，发现国产基料分子量分布多集中于低分子量部分且更为集中，国产基料支化度与进口基料相当，但是进口基料中含有更多的端基双键和炭基，前者有利于提升基料的交联效率，后者表明进口基料存在一定的老化现象。

(2)比较了国产超净绝缘材料(XLPE-1)与2种商用进口绝缘材料(XLPE-2、XLPE-3)的性能，发现国产基料的杂质控制情况与进口基料相当，进口基料的交联程度略高于国产基料;电气、机械、热老化性能方面，3种绝缘材料均符合500kv电缆绝缘要求