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乙丙橡胶在高压橡套电缆中的关键作用

 乙丙橡胶在国内外中高压电缆中应用的情况

目前中压乙丙橡胶绝缘电缆已经普遍使用,许多标准都有相关乙丙橡胶绝缘电缆的规定,如IEC60502(额定电压从1 kV(U =1.2 kV)到3O kV(U=36 kV)的挤包绝缘电力电缆及其附件》、IEC60092— 354《船用电气装置.第354部分:标称电压为6kV,10 kV和15 kV带模压固体装置的单芯和三芯电力电缆》、AEIC CS6—96《额定电压69 kV乙丙橡胶绝缘和屏蔽电力电缆规范》、ICEA S一68—516(乙丙橡胶绝缘电线电缆》等。

而我国中高压电缆生产用绝缘料和屏蔽料主要采用可交联聚乙烯,同时也进口部分乙丙橡胶绝缘料和屏蔽料。我国某些矿用机械的橡胶绝缘电缆电压水平已经达到了1O kV。随着中高压橡胶绝缘电缆产品的需求不断增加,我国中高压橡胶电缆料也在发展。

2 中高压电缆用乙丙橡胶电缆料设计和生产的关键

2.1 乙丙橡胶的选择中高压电缆应用对乙丙橡胶电缆料的要求较高,作为乙丙橡胶电缆料基材的乙丙橡胶的选择就十分重要。作为基料的乙丙橡胶需要好的电性能、加工性能,还耍有一定的硫化强度。

高乙烯含量的乙丙橡胶具有较好的电性能,其硫化胶的拉伸强度也高。一般乙烯含量在60 mo1%(摩尔百分数)左右的乙丙橡胶适合用于中高压电缆绝缘。高乙烯含量的乙丙橡胶一般为半结晶型,生产出的电缆料易于造粒,更适合现代工业连续化生产及质量控制的需求。而低结晶的乙丙橡胶能填充大量的油和填料,可以提高加工性能,还能降低成本。

乙丙橡胶的分子量和分子量分布也是选择的参考依据。随着分子量增高,其硫化胶的拉伸强度、回弹性、硬度均有所提高。较宽的分子量分布对可获得更宽的电缆料生产和挤出加工温度范围。

三元乙丙橡胶中第三单体的种类和含量对硫化有着重要的影响。第三单体为1,4.己二烯(HD)的三元乙丙橡胶硫化胶压缩形变小、硫化速度中等、不易焦烧。双环戊二烯(DCPD)的硫化速度慢、硫化胶*变形小、耐热老化好。乙叉降冰片烯(ENB)的三元乙丙橡胶硫化速度快、硫化胶拉伸强度高、硫化胶*变形小,适合电线电缆应用的要求。

上世纪6O年代Ziegler Natta催化剂的发明使工业合成乙丙橡胶(EPR)成为现实。乙丙橡胶具有众多优点,随即引起了电缆工业的重视。乙丙橡胶具有优异的电性能(见表1),其体积电阻率高,还有出众的抗水树和耐电晕性能,稳定的抗电脉冲强度。乙丙橡胶有很宽的使用温度,低的热膨胀系数,可防止绝缘层分离、接头或端部回缩、中性线嵌入绝缘,提高了电缆与预制接头的匹配性。如在IEC 60502中收缩测试就只针对交联聚乙烯(XLPE),而不考核乙丙橡胶(EPR)和高硬度乙丙橡胶(HEPR)。乙丙橡胶有优异的柔韧性能,使电缆具有很小的弯曲半径,安装、接头和封端更容易。在北美中压电力电缆市场,1998年消耗的91000 t绝缘料中,可交联聚乙烯占59150—63700 t,乙丙橡胶占27300 31850 t,乙丙橡胶所占的比例为30% ~35%。我国电力电缆生产中可交联聚乙烯是主要的绝缘材料,年用量约为18000—22000 t,屏蔽料年用量约8000~10000 t。我国乙丙橡胶在电缆上的用量约10000 t,由此可见,乙丙橡胶在电缆中应用已占有相当比例,其主要用于中高压电缆。本文主要介绍了乙丙橡胶在国内外中高压电缆中应用情况,论述了乙丙橡胶料设计和生产的关键,以及国内自主开发及应用情况。

表3为四种可用于电缆的乙丙橡胶的性能。从表中可以看出它们都有高的乙烯含量、中等含量的ENB第三单体、硫化速度快,适合电线电缆生产。低的门尼粘度使胶料在填充后,可获得良好的挤出性能。

2.2 配合剂的选择

配合剂种类和用量的选择也很重要。如果配合剂用量达到过饱和状态,混炼胶表层的配合剂会首先析出,从而导致配合剂由内向外逐渐析出,如果其处在绝缘和屏蔽层的界面上,则会对中高压电缆的电性能有很大的影响。所以在满足性能的前提下,绝缘料和屏蔽料的配方应该尽量减少组分及各组分的用量,这样可以减少杂质引入的可能性。绝缘料和屏蔽料的基料、硫化体系、防老体系和润滑体系也应尽量保持一致,这样可以避免绝缘料和屏蔽料相互污染,对提高电缆使用寿命是有利的。

2.3 混炼工艺的控制

橡胶电缆料生产的一个重要环节是混炼。混炼的目的是使各种配合剂均匀分散在乙丙橡胶中。配合剂在乙丙橡胶中的分散性除了它们本身的相容性外,就主要取决于混炼效果了。一般来说增加混炼强度和时间可改善配合剂在胶料中的分散效果。但过长时间的混炼对分散度的改善有限,还会严重破坏橡胶结构,所以适当的混炼强度和时间对橡胶电缆料的性能的提高很重要。经过混炼加工后配合剂粒子在胶料中的分散直径一般也会发生改变,不一定和原来的尺寸相同,而较大尺寸的粒子会对胶料性能产生不利影响。混炼效果可以通过电镜照片判断。图l中为两种进口乙丙绝缘的SEM电镜图。从图中可以看出基体中粒子分散均匀,粒子尺寸小。

3国内自主开发的乙丙橡胶电缆料的性能和应用

3.1 XJ-34A型乙丙橡胶绝缘料和XB.34A型屏蔽料性能

国内自主的开发的xJ一34A型乙丙橡胶绝缘料和XB-34A型屏蔽料具有优良的电气性能,见表4,它们的SEM电缆照片图见图2。从图2中可以看到绝缘料中粒子分散均匀与进口样品相当,屏蔽料中的粒子尺寸更小、分散更为均匀。

乙丙橡胶绝缘料(XJ一34A)和屏蔽料(XB,34A)的物理机械性能也超过IEC 60502—2的相关要求,老化后性能变化率小于l5%。而且可以制成粒状料,方便了运输和使用。

3.2 XJ.34A型乙丙橡胶绝缘料和XB.34A型屏蔽料在中压电缆上的应用

为验证该绝缘料和屏蔽料用于中压橡胶绝缘电缆的可行性,试制了额定电压为l7.5 kV的单芯橡胶绝缘电缆,其导体标称截面为300 mm2,绝缘标称厚度为5 mm,内外屏蔽厚度为0.9 mm。根据IEC60502—2标准要求检测其电性能,并将检测的结果与IEC 6052作比较(见表5)。从表5可见,电缆的各项性能都达到了标准要求。说明自主开发的乙丙橡胶电缆料是可以用于中压橡胶绝缘电缆的。

为了考查乙丙橡胶绝缘电缆的柔韧性,对试制电缆进行了弯曲直径为3D(D为电缆外径)的弯曲试验。根据截面形变计算的电气强度下降不超过5%,实际测试的电缆局放值也仅从2.4 pC变为3.4pc。作为对比,IEC 60502—2中规定的局放试验前的弯曲试验要求弯曲直径为20(d+D),式中d为导体直径;IEC 60092—354中乙丙橡胶绝缘电缆规定的弯曲直径为12D;某些矿用橡套电缆弯曲直径也为12D。

目前该乙丙橡胶绝缘料和屏蔽料已经在江苏三角洲塑化有限公司实现了商品化生产。以此为原材料生产的中压橡胶绝缘电缆也在正常运行中。

4 结 论

综上所述,我国在设计和生产橡胶绝缘中高压电缆方面已经迈出了重要的一步,取得了可喜的突破。事实上,采用国产的乙丙橡胶绝缘料和屏蔽料已经可以生产35 kv的橡胶绝缘电缆。通过提高生产管理水平,严格控制生产运输过程,国产乙丙橡胶绝缘料和屏蔽料的性能还可以再上一个档次,可以用于更高电压水平的橡胶绝缘电缆。

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