【學術精選】110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜本體機械特性

2025-03-20 08:52:11 · 上纜所傳媒 · 上纜所

導讀‍隨著電線電纜技術的不斷發展，行業對電力電纜提出了大容量、環保、可回收的要求。

導讀

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隨著電線電纜技術的不斷發展，行業對電力電纜提出了大容量、環保、可回收的要求。在此背景下，聚丙烯（polypropylene，PP）絕緣電力電纜的開發、制造與運行受到了許多研究者的關注，相繼提出了不同技術路線的聚丙烯電纜絕緣材料性能優化方法，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用較少，目前對其敷設安裝和運行維護特性仍需進一步研究。亟需探討在安裝敷設過程中聚丙烯絕緣電力電纜材料冷收縮與熱收縮情況對敷設和接頭安裝的影響，以及電纜在長時間運行過程中聚丙烯絕緣材料的機械特性演化規律，對電纜和電力系統的運行安全有著重要意義。

針對聚丙烯絕緣電力電纜敷設安裝以及運行維護的需要，本文對2024年度試制生產的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械特性進行試驗，并進行橫向與縱向對比，研究成果有望為更高電壓等級接枝改性聚丙烯絕緣電力電纜的工程應用提供參考。

精讀

110kV聚丙烯絕緣電纜機械特性試驗

樣品準備

采用立塔式（vertical continuous vulcanization，VCV）生產線試制截面積為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和中石化（北京）化工研究院共同研發的110kV接枝聚丙烯絕緣材料，半導電屏蔽材料來源于清華大學、中石化（北京）化工研究院及江陰海江高分子共同研發的110kV聚丙烯基半導電屏蔽材料。從110kV接枝聚丙烯電纜成品上切取的含銅線芯電纜樣品標記為PP#1、PP#2、PP#3，同時切取另一去除銅線芯的電纜樣品標記為PP#4。接枝聚丙烯絕緣電力電纜測試樣品見圖1。作為對比，從相同截面積（1600mm²）、相同電壓等級（110kV）的交聯聚乙烯（cross-linked polyethyline，XLPE）電纜成品上切取交聯聚乙烯電纜樣品標記為XLPE#1、XLPE#2。

圖1 接枝聚丙烯絕緣電力電纜測試樣品

電纜熱收縮試驗

分別模擬聚丙烯電纜工作溫度為70℃和90℃的運行工況，采用去氣室加熱方式和加熱帶加熱方式對電纜進行熱收縮試驗。

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，去氣室溫度控制在70℃。放進去氣室前，首先測量絕緣層兩端的收縮情況，并記錄數據和狀態；樣品在去氣室內加熱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為一個去氣室加熱試驗測量周期，共進行5個去氣室加熱冷卻循環。

加熱帶加熱方式是將加熱帶以正常狀態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，并記錄數據和狀態；然后將樣品放置于環境溫度下自然冷卻16h，再次測量絕緣層兩端收縮情況并記錄。以24h為一個加熱帶加熱試驗測量周期，共進行5個加熱帶加熱冷卻循環。

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℃工況下進行接枝聚丙烯絕緣電纜和交聯聚乙烯電纜的熱收縮試驗。

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個測量點，分別標記為測量點1~6，點與點之間的距離為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，測量電纜長度時在最高點畫線標記測量線段Ⅱ，在最高點的對邊標記測量線段Ⅰ。試驗前使用π尺（精度為0.20mm）測量PP#1和PP#2的絕緣線芯外周長，使π尺對準標記線旋轉一周，同時緊密貼合絕緣線芯表面(π尺一側與標記線對齊)，讀取測量值。在室溫下測量電纜的長度和各測量點的外徑后，將樣品放入−40℃的低溫試驗箱，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尺寸。

聚丙烯電纜本體絕緣空氣熱氧老化試驗

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，裁成標準啞鈴型試樣，在150℃下進行360h空氣熱氧老化試驗。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，并進行機械拉伸測試。測試分析老化前后電纜絕緣啞鈴型樣片的抗張強度和斷裂伸長率。

測試數據與分析討論

電纜的熱收縮特性

電力電纜安裝敷設時，其熱環境往往與運行時不同。在溫度的影響下，電纜材料通常會發生熱收縮，如果對此特性缺乏了解而直接進行安裝敷設，可能會為電纜運行留下安全隱患。此外，聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜的絕緣材料具有較大的差異性，現有關于交聯聚乙烯熱收縮性能的研究結論無法直接應用于聚丙烯電纜。因此，有必要對試制的110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜和相同截面的110kV交聯聚乙烯電纜進行熱循環試驗，以明確各自的熱收縮特性。

在70℃工況下進行5次熱循環試驗，分別記錄聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜的長度相對于初始長度的收縮或膨脹情況，結果見表1。其中，正號（+）表示電纜伸長，負號（−）表示電纜縮短。

表1 70℃工況下聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜的熱收縮情況

由表1可知，在前兩天的熱循環中，聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜均僅表現出加熱過程中的熱膨脹特性，冷卻后能夠恢復至原始長度。從第三天開始，交聯聚乙烯電纜出現了熱收縮特性，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繼續縮短。相比之下，聚丙烯電纜在70℃的熱循環過程中僅表現出加熱過程中的熱膨脹特性，并且冷卻后能夠恢復至原長度。在整個試驗過程中，交聯聚乙烯電纜的熱收縮率隨著熱循環次數的增加逐漸增大，最大可達−0.40%；而聚丙烯電纜則為+0.10%，表現出較低的變形和較高的可恢復性。

兩種電纜在更高溫度90℃工況下熱循環試驗中的收縮特性更為突出，90℃工況下聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜的熱收縮情況見表2。

表2 90℃工況下聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜的熱收縮情況

由表2可知，相較70℃的熱循環試驗，90℃工況下聚丙烯電纜和交聯聚乙烯電纜在前兩天均表現出更高的熱收縮或熱膨脹特性。交聯聚乙烯電纜在第一天加熱后的冷卻過程中收縮率為−0.8%，說明高溫運行促進了交聯聚乙烯的熱收縮。雖然聚丙烯電纜在高溫下也呈現出一定的熱收縮特性，收縮率最高達到−0.35%，但始終低于交聯聚乙烯電纜的熱收縮率（最高−1.3%）。

聚丙烯電纜與交聯聚乙烯電纜在熱收縮試驗中的不同表現，可能與其分子性質和生產工藝的差異有關。電纜絕緣擠出時，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，造成電纜擠包層內部產生內應力。內應力在電纜日常運行中逐漸消解，導致電纜絕緣層與屏蔽層產生熱收縮現象。交聯聚乙烯電纜生產中需要交聯，而高溫下形成的交聯網絡在內應力還未得到松弛的情況下將分子鏈牢牢鎖住，使得內應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結構，使得內應力在退火過程中更容易被消解，不易發生熱收縮現象。以上現象表明，聚丙烯電纜在工作溫度下熱收縮更小，未來聚丙烯電纜運行維護中應采取更適用的方案。

聚丙烯電纜低溫收縮特性

電力電纜在運行過程中可能會出現空載的情況，由于此時中心導體中沒有電流通過，電纜不會發熱。但是，在長時間的空載后，電纜本體的溫度將與周圍環境溫度趨于一致。考慮到在我國北方地區冬季常常出現極寒天氣，電纜的設計必須考慮到材料及結構對于低溫環境的適應性，以及經歷低溫后重新投入運行后的可靠性。因此，本文初步探索了110kV接枝聚丙烯絕緣電力電纜在經歷低溫循環后的收縮特性。在電纜經歷低溫或室溫恢復后，采用π尺對電纜的外徑及長度進行測量，見圖2。此外，試驗過程中還考慮了有無導體存在對聚丙烯電纜低溫收縮特性的影響。

試樣PP#3（有導體）與PP#4（無導體）在−40℃低溫試驗箱內冷卻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。

表3 經歷−40℃冷卻后PP電纜徑向低溫收縮情況

由表3可知，試樣PP#3（有導體）和PP#4（無導體）經過−40℃低溫處理48h后，其徑向外周長的收縮率在0.46%~0.68%范圍，與是否保留導體無關，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間后基本能夠恢復至原來的外徑長度。

表4 經歷−40℃冷卻后PP電纜縱向低溫收縮情況

由表4可知，經−40℃低溫處理48h后，聚丙烯電纜在縱向長度也表現出收縮特性，試樣PP#3（有導體）的收縮率在0.20%左右，而試樣PP#4（無導體）的收縮率約為0.60%，這說明導體對于擠包屏蔽層和絕緣層的低溫收縮起到抑制作用。在恢復至室溫后，無論是否抽除導體，聚丙烯電纜的徑向長度基本能夠恢復至原始尺寸。

聚丙烯電纜本體空氣熱氧老化后的機械特性

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械特性的變化規律尤為重要。因此，本文對150℃下不同空氣熱氧老化時間的聚丙烯電纜本體絕緣進行了機械性能試驗，測試得到老化前后的抗張強度和斷裂伸長率數據，結果見表5。

表5 150℃空氣熱老化前后聚丙烯電纜的機械性能

由表5可知，在老化360h內，聚丙烯電纜絕緣的抗張強度僅有略微的下降，下降幅度最多僅為4.6%。與抗張強度不同，斷裂伸長率呈現出相對較大的下降趨勢，并且隨著老化時間的增加，在150℃下老化360h后下降至初始值的75.9%。參考交聯聚乙烯絕緣電纜國家標準GB/T 11017.1—2014《額定電壓110kV（U_m=126kV）交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分：試驗方法和要求》規定，電纜絕緣老化前后的抗張強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后的抗張強度變化率和斷裂伸長率變化率均未超過±25%的要求。試驗結果充分證明了110kV接枝聚丙烯電纜絕緣具有可靠的長期老化性能。

本文對試制的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試驗，同時探究了聚丙烯電纜本體絕緣熱氧老化后的機械特性，得到以下結論。

1）接枝聚丙烯電纜在熱循環中的機械特性以熱膨脹為主，而交聯聚乙烯電纜則呈現更強的熱收縮特性。隨著熱循環溫度升高，電纜在縱向長度上的變化更加明顯。總體來說，接枝聚丙烯電纜的熱收縮率比交聯聚乙烯電纜更低，并且表現出更為優異的可恢復性。

2）接枝聚丙烯電纜經−40℃低溫試驗48h后，外徑或外周長的收縮率在0.46%~0.68%之間，試驗結果與電纜是否保留金屬導體無關；而聚丙烯電纜在低溫處理后的縱向長度收縮率則受導體影響明顯，無導體接枝聚丙烯電纜縱向長度收縮率約0.60%，而有導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度下降幅度較小，抗張強度變化率為−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度變化率和斷裂伸長率變化率不超過±25%的標準要求。

《電線電纜》1958年創刊，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業的電工技術類科技期刊。及時、全面地刊載國內外電線電纜行業專業領域的新理論、新方法、新技術、新成果，引導基礎研究和應用研究融會貫通，推動學科交叉融合，為電線電纜的研究、設計、制造和應用等方面構建學術交流和科技開放平臺。主要欄目有前沿熱點綜述、關鍵材料應用、線纜研究與開發、線纜工藝與裝備、檢驗檢測技術、敷設運行與維護和數智技術應用等。歡迎來稿！