深度解析環(huán)保型聚丙烯電纜絕緣溫度穩(wěn)定性提升方法

  隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的不斷深化，承擔(dān)城市輸配電重任的電力電纜正經(jīng)歷著綠色化、低碳化的關(guān)鍵性變革。傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜絕緣生產(chǎn)過程耗能大、不可回收的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其可持續(xù)性發(fā)展。聚丙烯基（PP）環(huán)保型電纜絕緣因其生產(chǎn)過程耗能少、退役可回收，成為了近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

然而，PP絕緣的室溫模量遠(yuǎn)高于XLPE絕緣，造成了電纜敷設(shè)安裝的困難。通過彈性體改性增韌后，非交聯(lián)PP絕緣機(jī)械模量的溫度穩(wěn)定性又會發(fā)生較大的劣化，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中PP電纜絕緣較高溫度下的熱變形，可能引發(fā)電纜偏心故障。因此，提升溫度穩(wěn)定性是聚丙烯電纜絕緣研究亟待解決的瓶頸問題。

圖1 聚丙烯絕緣溫度穩(wěn)定性較低引發(fā)的電纜偏心故障示意圖

針對以上問題，西安交通大學(xué)電氣學(xué)院、電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李建英教授課題組聯(lián)合中國科學(xué)院化學(xué)所、中國電力科學(xué)院、燕山石化、江蘇上上電纜集團(tuán)等單位，在共聚聚丙烯（IPC）絕緣的多相結(jié)構(gòu)中引入了多重長鏈支化（LCB）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保型聚丙烯電纜絕緣溫度穩(wěn)定性的大幅提升。

該工作結(jié)果表明，相比于IPC，LCBIPC的模量不僅在室溫20℃下獲得了13%的降低，同時在150℃下實(shí)現(xiàn)了近300%的提升。在160℃的極端高溫下，LCBIPC的蠕變量和熱變形量分別減少了85%及82%。

該工作認(rèn)為LCBIPC能夠通過增強(qiáng)分子鏈段的纏結(jié)效應(yīng)來抑制無定形區(qū)隨溫度的膨脹，在溫度穩(wěn)定性得到大幅提升的同時，各項(xiàng)電氣性能在30℃至90℃的寬溫域下也得到提升。同時，該工作驗(yàn)證了LCBIPC仍具有良好的可回收性，在多次重塑加工后熔融指數(shù)未發(fā)生明顯的變化。

該研究成果突破了環(huán)保型聚丙烯電纜絕緣溫度穩(wěn)定性難以提升的瓶頸問題，對于提高聚丙烯電纜的運(yùn)行可靠性提供了重要的理論和技術(shù)支撐。

圖2 多重長鏈支化結(jié)構(gòu)的設(shè)計、表征及大幅提升的溫度穩(wěn)定性：長鏈支化共聚聚丙烯（a）合成路徑及其（b）核磁氫譜、（c）剪切流變表征結(jié)果；（d）機(jī)械模量的溫度依賴特性；不同溫度下的（e）熱變形率及（f）熱蠕變量結(jié)果；（g）熱變形率及熱蠕變量的高溫機(jī)械模量依賴特性；（h）長鏈支化共聚聚丙烯高溫機(jī)械模量與文獻(xiàn)結(jié)果的對比；長鏈支化共聚聚丙烯（i）交流擊穿強(qiáng)度的溫度依賴特性及（j）體積電阻率結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了原位聚合聚丙烯絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料，形成了20萬噸/年的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)能力，并具備長周期一體化穩(wěn)定制備水平；開發(fā)了中壓聚丙烯絕緣電力電纜制造裝備及工藝，突破了聚丙烯絕緣均勻定型難題，實(shí)現(xiàn)了可剝離屏蔽中壓電纜設(shè)計和穩(wěn)定制造；提出了電纜料性能評價指標(biāo)和電力電纜可靠性試驗(yàn)方法，建立了從聚丙烯電纜料到電纜的標(biāo)準(zhǔn)化體系。經(jīng)測算，新型電力電纜較傳統(tǒng)電力電纜的制造成本降低17%，生產(chǎn)能耗降低45%。

在國家電網(wǎng)公司設(shè)備部的統(tǒng)籌下，中國電力科學(xué)研究院牽頭制定了標(biāo)準(zhǔn)化聚丙烯絕緣電力電纜設(shè)計、技術(shù)規(guī)范、入網(wǎng)檢測要求，能夠支撐35kV及以下電力電纜工程批量化推廣和穩(wěn)定運(yùn)行。2023年5月，團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目技術(shù)成果“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關(guān)鍵技術(shù)”通過中國電力企業(yè)聯(lián)合會鑒定。

上述研究成果以“采用多重長鏈支化結(jié)構(gòu)顯著提升環(huán)保型聚丙烯電纜絕緣的溫度穩(wěn)定性”（Greatly Enhanced Temperature Stability of Eco-friendly Polypropylene for Cable Insulation by Multifold Long-chain Branched Structures）為題發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。該工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題和中國石化科技項(xiàng)目的支持。