Design and Test of Environmental Protection 110 kV Polypropylene Insulated Power Cable System
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摘要:
为满足线缆行业绿色环保发展需要，推动聚丙烯绝缘的应用进程，通过对聚丙烯改性、生产设备改进、加工工艺调整，完成了110 kV聚丙烯绝缘电力电缆的生产，并对电缆和相关附件进行试验验证。试验结果表明，110 kV聚丙烯绝缘电力电缆的结构尺寸、机械性能、电气性能均满足标准要求。同时，110 kV聚丙烯绝缘电缆与现有交联聚乙烯绝缘电缆附件组成的电力电缆系统通过了型式试验，结果进一步表明了110 kV聚丙烯绝缘电缆的可行性。
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关键词:
- 110 kV电力电缆 /
- 绝缘材料 /
- 聚丙烯 /
- 环保
Abstract:In order to meet requirements of environmental protection and green development in cable industry and promote application process of polypropylene (PP) insulation, 110 kV PP insulated power cable was completed through modification of PP, improvement of production equipment, and adjustment of processing technology, 110 kV PP insulated power cables and related accessories were tested and verified. Results showed that structural dimensions, mechanical properties, and electrical properties met the standard requirements. Moreover, the power cable system composed of 110 kV PP insulated cable and existing cross-linked polyethylene(XLPE) insulated power cable accessories passed the type test, and further demonstrated the feasibility of 110 kV PP insulated cables.
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Keywords:
- 110 kV power cables /
- insulation materials /
- polypropylene /
- environmental protection
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0. 引 言
随着中国城市化进程不断加快，城市群电网的电缆用量越来越大，而城区电缆通道资源紧张，城市环保要求高，对老旧电缆的回收再利用提出更高的要求。高压电缆，尤其110 kV电力电缆，大部分采用的是交联聚乙烯（cross linked polyethylene，XLPE）绝缘。XLPE电缆在生产中产生的余料与电缆生命周期结束后产生的废料无法回收再次加工利用，焚烧、裂解、掩埋等处理手段不仅消耗大量能源，还将对环境造成很大的负面影响[1]。另外，XLPE绝缘电力电缆生产制造过程中的交联去气工序会消耗额外的能源并增加生产周期。XLPE绝缘电缆在正常环境中的最长运行寿命约为40 a[2]，在国内的应用已达30 a以上，未来5~10 a内待退役更换的老旧电缆数量巨大，因此亟需使用新型环保型绝缘材料的电缆来替代老旧电缆。
进入新世纪以来，为了解决XLPE电缆的环境问题，在欧洲推出了聚丙烯（polypropylene，PP）绝缘电缆概念。PP的热塑性材料性质，具有可回收的绿色环保特性，在电缆生产过程中还可省掉去气工艺，缩短生产周期[3-5]。但是，经国内外学者研究，PP绝缘的开发仍存在较大的提升空间，亟待解决以下关键技术问题。
1）材料性能方面：硬度大、应力发白、高温介损大，热胀冷缩性能、低温冲击性能和柔韧性能差[6]。
2）生产加工方面：熔点高、剪切敏感性高，加工窗口窄。
3）产品应用方面：设备改造、出胶稳定性、偏心度控制，冷却方式等。
4）性能验证方面：目前，PP电力电缆的研究还停留在原材料或小批量压片试样的研究层面，缺乏实际产品及相关附件的检验试验。
本工作提出一种环保型110 kV PP绝缘电力电缆的制造与应用验证方案。通过对PP绝缘材料的改性、生产设备和工艺的优化，以及产品与附件的检验，验证了110 kV PP绝缘电力电缆能在原有XLPE电力电缆性能要求的基础上具备可回收、低能耗等特点。
1. PP材料的改性
目前，国内外PP绝缘通常采用降解母料制备、涂覆级PP制备等工艺方法。具体方式是采用加热式开炼机，将载体、填料、助剂共混后，在平板式切粒机上进行切粒。随着技术发展，密炼机代替了开炼机用于填充改性、物料共混，是一种对树脂、助剂、填料等不同组分材料进行高效物理混炼、分散、塑化的加工设备[7]。密炼机具有全封闭式的密炼仓，可以通过顶栓对混炼室中的物料施加压力，使粉料混合更均匀[8]；密炼机具有密封性好（特别用于粉体材料）、混炼条件优越、受热均匀、生产能力高和工作安全等优点[9]。PP绝缘和改性材料经混合制成“宏观均相，微观多相”的材料[10]，即共混改性。共混改性不需要聚合工艺，操作简单且成本低廉，是调节PP性能更实用的方法[11]。
本工作采用物理共混制备方案，在PP绝缘中加入乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）、乙丙橡胶（ethylene propylene rubber，EPR）等改性材料，改善PP绝缘的性能，使其具有机械性能强、电气性能可靠等优点，满足110 kV电力电缆绝缘性能要求和加工需求。
2. PP电缆绝缘的加工工艺
2.1 电缆的结构与工艺流程
以ZA-PLW03-Z 64/110 kV 1×800 mm2电缆为例，单芯110 kV PP绝缘电力电缆结构见图1，其工艺流程见图2。本工作将重点介绍110 kV PP绝缘电力电缆的三层共挤加工工艺。
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图 1 单芯110 kV PP绝缘电力电缆结构示意图1-导体；2-半导电带+PP导体屏蔽层；3-PP绝缘层；4-PP绝缘屏蔽层；5-半导电缓冲层；6-金属屏蔽层；7-沥青防腐层；8-聚乙烯外护套层Figure 1. Structure diagram of single core 110 kV PP insulated power cables![]()
图 2 单芯110 kV PP绝缘电力电缆工艺流程图Figure 2. Process flow diagram of single core 110 kV polypropylene insulated power cable2.2 PP绝缘生产工艺
相对于XLPE绝缘，PP绝缘在加工时存在熔点高、熔体强度低和相形态控制难等问题[12]，对应在产品应用时，要针对材料挤出特性进行设备改造、重新设计模具以保证其出胶稳定性，另需对冷却段进行改造以控制挤出偏心度。本工作创新性地提出了挤出生产线中加温、冷却方式和流道设计改造方案，通过对PP绝缘挤出温度、螺杆转速和牵引速率等工艺参数的控制，以及工艺验证，实现110 kV PP绝缘电力电缆三层共挤技术。
2.2.1 挤出设备改造
PP结晶熔化温度可达160 ℃，常规立式生产线（vertical continuous vulcanization，VCV）的水温循环机无法满足该温度要求，采用油温循环机对VCV生产线挤出机的机筒和机头进行加温与保温，解决PP绝缘材料挤出温度高的工艺难题。110 kV PP绝缘电力电缆各层挤出温度见表1~表2。
表 1 导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层的挤出温度Table 1. Extrusion temperature of conductor shield，insulation layer, and insulation shielding℃ 加热区 导体屏蔽层 绝缘层 绝缘屏蔽层 加料斗 — 42 — 机筒1 160 167 160 机筒2 169 178 170 机筒3 179 181 180 机筒4 200 189 200 机筒5 — 195 — 机筒6 — 196 — 机筒7 — 196 — 夹具 200 198 200 连接 200 190 200 表 2 挤出机机头的挤出温度Table 2. Extrusion temperature of PP cable extruder head加热区 挤出温度/℃ 1区 210 2区 212 3区 214 4区 205 5区 218 2.2.2 挤出模具设计
由于PP具有流动性，传统的XLPE绝缘挤出模具压力角偏小，无法满足挤出要求。本工作重新设计了PP绝缘挤出模具，见图3。此模具对模芯模套的角度和承线进行重新设计和改进，在保证挤出质量和外观的基础上提高挤出能力。
2.2.3 绝缘冷却段改造
PP熔体强度低和相形态控制难，容易出现挤出后偏心度较大的问题。传统的VCV生产线在挤出XLPE绝缘后，为配合XLPE进行交联与预冷，VCV生产线的管道由6段加热段和1段预冷段组成。由于PP无需交联，且为高结晶材料，根据高分子材料成型原理，按照材料结晶温度梯度设置7节管道内温度，降低了分子链之间内应力，保证了绝缘结构的偏心度。
3. 产品成品性能验证
3.1 结构尺寸
通过挤出设备改造、模具替换、加工冷却段优化后，按照GB/T 2951.11—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第 11部分：通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验》测得110 kV PP绝缘电力电缆的关键结构尺寸见表3。
表 3 110 kV PP绝缘电力电缆的关键结构尺寸Table 3. Key structural dimension of 110 kV PP insulated cables检测项目 平均厚度/mm 最薄点/mm 偏心度/% 导体屏蔽层 1.3 1.2 绝缘层 16.0 15.75 3 绝缘屏蔽层 1.1 1.0 由表3可知，110 kV PP绝缘电力电缆各层厚度控制稳定，符合企业标准Q/ZDJW 0027—2023《额定电压110 kV（Um=126 kV）聚丙烯绝缘电力电缆》中绝缘偏心度不大于8%的要求。其中，PP绝缘偏心度只有3%，表明本工作的加工工艺有效可行。
3.2 PP绝缘电缆的非电气性能
110 kV XLPE绝缘电力电缆产品标准参考GB/T 11017.1—2014《额定电压110 kV（Um=126 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第1部分：试验方法和要求》，规定了老化前后绝缘材料的机械性能。老化前绝缘材料的抗张强度和断裂伸长率可以反映材料的拉伸强度、柔软度和韧性等；老化后绝缘材料的抗张强度变化率和断裂伸长率变化率用于反映材料机械性能受老化影响的程度。PP绝缘的物理机械性能见表4。
表 4 PP绝缘的物理机械性能Table 4. Physical and mechanical properties of PP insulated试验名称 检测项目 技术要求 检测结果 原始机械性能 抗张强度/MPa ≥12.5 27.5 断裂伸长率/% ≥200 540 空气箱老化后
机械性能
（150 ℃，168 h）抗张强度/MPa — 33.1 抗张强度变化率/% ≤±25 20 断裂伸长率/% — 550 断裂伸长率变化率/% ≤±25 2 由表4可知，PP绝缘的物理机械性能优于标准要求的2倍以上，PP绝缘老化温度比XLPE绝缘老化温度高15 ℃（XLPE老化试验温度为135 ℃，PP老化试验温度为150 ℃），且PP绝缘老化后的断裂伸长率保持稳定，抗张强度未见降低。PP绝缘满足110 kV电力电缆的机械性能要求，且PP绝缘的最高工作温度可以达到105 ℃及以上。
3.3 PP绝缘电缆的电气性能
电缆生产和敷设中需要多次弯曲，而PP绝缘的柔韧性又低于XLPE绝缘，故本工作针对电缆弯曲性能和弯曲后的电气性能进行验证。试验方法和要求参考GB/T 11017.1—2014。此外，由于绝缘材料不同，绝缘材料的介电损耗也不一致。介电损耗角的正切（tan δ）是衡量电气绝缘性能的重要指标，能够反映材料的绝缘缺陷[13]，故对其进行验证。其中，电气试验（如弯曲试验及随后的局部放电试验、tan δ试验、热循环电压试验、雷电冲击电压试验等）的试验温度分别为95~100 ℃（XLPE）和110~115 ℃（PP）。110 kV PP绝缘电力电缆的电气性能见表5。
表 5 110 kV PP绝缘电力电缆的电气性能Table 5. Electrical properties of 110 kV PP insulated cables试验 检测项目 技术要求 检测结果 弯曲试验及随后的局部放电试验 弯曲试验（弯曲3次） 弯曲半径/mm 3 500 通过 局部放电试验（96 kV） 可测放电灵敏度/pC ≤5 3.6 tan δ试验 tan δ测量（110~115 ℃，64 kV） tan δ/(×10−4) ≤10 6.6 热循环电压试验 电压试验（110~115 ℃，128 kV，加热8 h，
冷却16 h，循环20次）— 不击穿 未击穿/未闪络 局部放电试验（室温，96 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 局部放电试验（110~115 ℃，96 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 雷电冲击电压试验 冲击电压试验（95~100 ℃，550 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 工频电压试验（160 kV，15 min） — 不击穿 未击穿/未闪络 由表5可知，110 kV PP绝缘电力电缆的弯曲性能与随后的局部放电试验均符合标准要求。试验结果显示，在试验温度高于XLPE绝缘15 ℃的条件下，PP绝缘的tan δ与XLPE绝缘基本一致，各电气性能指标均能满足110 kV电力电缆的电气绝缘要求。此次测试结果表明，PP绝缘材料最高工作温度在105 ℃及以上时也能实现较为稳定的电气性能。
3.4 PP绝缘电缆附件配合验证
电力电缆附件是连接电缆与输配电线路及相关配电装置的设备，其与电力电缆一起构成电力输送网络。由于现阶段尚无PP绝缘电缆专用附件，也无相应研究，本工作将110 kV PP绝缘电力电缆与现有交联聚乙烯绝缘电力电缆附件配合进行验证。试验方法和要求参考GB/T 11017.1—2014和IEC 60840:2020，电缆附件性能试验结果见表6。其中，绝缘接头浸水加热冷却循环至少12 h，水加热至70～75 ℃后至少保持5 h，再冷却至环境温度以上10 K以内，共完成20个循环。
表 6 电缆附件性能试验结果Table 6. Performance test results of cable accessories试验 检测项目 技术要求 检测结果 终端电气性能试验 淋雨工频电压试验（185 kV） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络 无线电干扰试验（81 kV，1 MHz） 干扰电压值/μV ≤450 <117 终端组装后的密封试验 压力泄露试验（250±10 kPa，1 h） — 无气体逸出 无气体逸出 真空漏增试验（10 kPa，1 h） 压力漏增值/kPa ≤10 <10 绝缘接头浸水循环 直流电压试验 金属套之间（−25 kV，1 min） 不击穿 未击穿 金属套对地（−25 kV，1 min） 不击穿 未击穿 雷电冲击电压试验 金属套之间（±75 kV各10次） 不击穿 未击穿 金属套对地（±37.5 kV各10次） 不击穿 未击穿 试验后检查 无可见的内部气隙或由于水分侵入造成浇注剂
内部位移或浇注剂经各密封或盒壁泄漏的迹象分段绝缘GIS 直流电压试验（−25 kV， 1 min） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络 终端的电压试验 冲击电压试验（±37.5 kV各10次） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络 由表6可知，套管终端、绝缘接头、气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear，GIS）等电力电缆附件的电气测试和密封性测试均满足要求，进一步验证了110 kV PP绝缘电力电缆系统可以满足实际应用。
4. 结 论
本工作通过PP绝缘材料改性、生产设备改进、加工工艺调整，完成了环保型110 kV PP绝缘电力电缆的生产。同时，在105 ℃的试验温度下，对110 kV PP绝缘电缆与其全系列附件组成的电缆系统进行了试验验证，支撑了PP绝缘电缆在110 kV电力电缆系统上应用。本工作主要得出以下结论。
1）项目研制的110 kV PP绝缘的结构尺寸性能优异，偏心度达到3%。
2）110 kV PP绝缘的机械物理和电气性能稳定，满足长期工作温度105 ℃的要求。
3）110 kV PP绝缘电力电缆与现有全类型附件配合组成的系统通过了全性能型式试验，验证了系统在105 ℃下工作的可靠性。
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图 1 单芯110 kV PP绝缘电力电缆结构示意图
1-导体；2-半导电带+PP导体屏蔽层；3-PP绝缘层；4-PP绝缘屏蔽层；5-半导电缓冲层；6-金属屏蔽层；7-沥青防腐层；8-聚乙烯外护套层
Figure 1. Structure diagram of single core 110 kV PP insulated power cables
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图 2 单芯110 kV PP绝缘电力电缆工艺流程图
Figure 2. Process flow diagram of single core 110 kV polypropylene insulated power cable
表 1 导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层的挤出温度
Table 1 Extrusion temperature of conductor shield，insulation layer, and insulation shielding
℃ 加热区 导体屏蔽层 绝缘层 绝缘屏蔽层 加料斗 — 42 — 机筒1 160 167 160 机筒2 169 178 170 机筒3 179 181 180 机筒4 200 189 200 机筒5 — 195 — 机筒6 — 196 — 机筒7 — 196 — 夹具 200 198 200 连接 200 190 200 
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表 2 挤出机机头的挤出温度
Table 2 Extrusion temperature of PP cable extruder head
加热区 挤出温度/℃ 1区 210 2区 212 3区 214 4区 205 5区 218
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表 3 110 kV PP绝缘电力电缆的关键结构尺寸
Table 3 Key structural dimension of 110 kV PP insulated cables
检测项目 平均厚度/mm 最薄点/mm 偏心度/% 导体屏蔽层 1.3 1.2 绝缘层 16.0 15.75 3 绝缘屏蔽层 1.1 1.0
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表 4 PP绝缘的物理机械性能
Table 4 Physical and mechanical properties of PP insulated
试验名称 检测项目 技术要求 检测结果 原始机械性能 抗张强度/MPa ≥12.5 27.5 断裂伸长率/% ≥200 540 空气箱老化后
机械性能
（150 ℃，168 h）抗张强度/MPa — 33.1 抗张强度变化率/% ≤±25 20 断裂伸长率/% — 550 断裂伸长率变化率/% ≤±25 2
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表 5 110 kV PP绝缘电力电缆的电气性能
Table 5 Electrical properties of 110 kV PP insulated cables
试验 检测项目 技术要求 检测结果 弯曲试验及随后的局部放电试验 弯曲试验（弯曲3次） 弯曲半径/mm 3 500 通过 局部放电试验（96 kV） 可测放电灵敏度/pC ≤5 3.6 tan δ试验 tan δ测量（110~115 ℃，64 kV） tan δ/(×10−4) ≤10 6.6 热循环电压试验 电压试验（110~115 ℃，128 kV，加热8 h，
冷却16 h，循环20次）— 不击穿 未击穿/未闪络 局部放电试验（室温，96 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 局部放电试验（110~115 ℃，96 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 雷电冲击电压试验 冲击电压试验（95~100 ℃，550 kV） — 不击穿 未击穿/未闪络 工频电压试验（160 kV，15 min） — 不击穿 未击穿/未闪络
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表 6 电缆附件性能试验结果
Table 6 Performance test results of cable accessories
试验 检测项目 技术要求 检测结果 终端电气性能试验 淋雨工频电压试验（185 kV） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络 无线电干扰试验（81 kV，1 MHz） 干扰电压值/μV ≤450 <117 终端组装后的密封试验 压力泄露试验（250±10 kPa，1 h） — 无气体逸出 无气体逸出 真空漏增试验（10 kPa，1 h） 压力漏增值/kPa ≤10 <10 绝缘接头浸水循环 直流电压试验 金属套之间（−25 kV，1 min） 不击穿 未击穿 金属套对地（−25 kV，1 min） 不击穿 未击穿 雷电冲击电压试验 金属套之间（±75 kV各10次） 不击穿 未击穿 金属套对地（±37.5 kV各10次） 不击穿 未击穿 试验后检查 无可见的内部气隙或由于水分侵入造成浇注剂
内部位移或浇注剂经各密封或盒壁泄漏的迹象分段绝缘GIS 直流电压试验（−25 kV， 1 min） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络 终端的电压试验 冲击电压试验（±37.5 kV各10次） — 不击穿/闪络 未击穿/未闪络
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