随着电线电缆技术的不断发展，行业对电力电缆提出了大容量、环保、可回收的要求。在此背景下，聚丙烯（PP）绝缘电力电缆的开发、制造与运行受到了许多研究者的关注，相继提出了不同技术路线的聚丙烯电缆绝缘材料性能优化方法，如共混、共聚、接枝等改性方法。由于聚丙烯绝缘电力电缆的工程示范应用较少，目前对其敷设安装和运行维护特性仍需进一步研究。亟需探讨在安装敷设过程中聚丙烯绝缘电力电缆材料冷收缩与热收缩情况对敷设和接头安装的影响，以及电缆在长时间运行过程中聚丙烯绝缘材料的机械特性演化规律，对电缆和电力系统的运行安全有着重要意义。
针对聚丙烯绝缘电力电缆敷设安装以及运行维护的需要，本文对2024年度试制生产的110kV接枝聚丙烯电力电缆成品的冷热收缩特性，以及高温下聚丙烯绝缘材料的老化机械特性进行试验，并进行横向与纵向对比，研究成果有望为更高电压等级接枝改性聚丙烯绝缘电力电缆的工程应用提供参考。
一、110kV聚丙烯绝缘电缆机械特性试验
1、样品准备
采用立塔式（vertical continuous vulcanization，VCV）生产线试制截面积为1600mm2、电压为110kV的高压接枝聚丙烯绝缘电力电缆。其中，聚丙烯绝缘材料来源于清华大学和中石化（北京）化工研究院共同研发的110kV接枝聚丙烯绝缘材料，半导电屏蔽材料来源于清华大学、中石化（北京）化工研究院及江阴海江高分子共同研发的110kV聚丙烯基半导电屏蔽材料。从110kV接枝聚丙烯电缆成品上切取的含铜线芯电缆样品标记为PP#1、PP#2、PP#3，同时切取另一去除铜线芯的电缆样品标记为PP#4。接枝聚丙烯绝缘电力电缆测试样品见图1。作为对比，从相同截面积（1600mm2）、相同电压等级（110kV）的交联聚乙烯（cross-linked polyethyline，XLPE）电缆成品上切取交联聚乙烯电缆样品标记为XLPE#1、XLPE#2。
图1 接枝聚丙烯绝缘电力电缆测试样品
2、电缆热收缩试验
分别模拟聚丙烯电缆工作温度为70℃和90℃的运行工况，采用去气室加热方式和加热带加热方式对电缆进行热收缩试验。
去气室加热方式为将长度为2m的样品放置在简易样品架中，样品和样品架再一同置于去气室内，去气室温度控制在70℃。放进去气室前，首先测量绝缘层两端的收缩情况，并记录数据和状态；样品在去气室内加热8h后，再次测量绝缘层两端收缩情况并记录；最后将样品放置在环境温度下自然冷却16h，测量冷却后绝缘层两端的收缩情况并作记录。以24h为一个去气室加热试验测量周期，共进行5个去气室加热冷却循环。
加热带加热方式是将加热带以正常状态缠绕在聚丙烯电缆绝缘样品上，加热前首先测量绝缘层两端尺寸，并记录初始值；然后将样品加热至90℃并保持8h后，测量绝缘层两端收缩情况，并记录数据和状态；然后将样品放置于环境温度下自然冷却16h，再次测量绝缘层两端收缩情况并记录。以24h为一个加热带加热试验测量周期，共进行5个加热带加热冷却循环。
PP#1和XLPE#1采用去气室加热方式，PP#2和XLPE#2采用加热带加热方式，分别在70℃和90℃工况下进行接枝聚丙烯绝缘电缆和交联聚乙烯电缆的热收缩试验。
3、聚丙烯电缆低温收缩检测
分别取长度为350mm的聚丙烯电缆样品PP#1和PP#2，在样品上取间隔相等的6个测量点，分别标记为测量点1~6，点与点之间的距离为50mm。为避免切取造成电缆略有弯曲以及外沿长度差别的影响，测量电缆长度时在最高点画线标记测量线段Ⅱ，在最高点的对边标记测量线段Ⅰ。试验前使用π尺（精度为0.20mm）测量PP#1和PP#2的绝缘线芯外周长，使π尺对准标记线旋转一周，同时紧密贴合绝缘线芯表面(π尺一侧与标记线对齐)，读取测量值。在室温下测量电缆的长度和各测量点的外径后，将样品放入−40℃的低温试验箱，冷却48h；冷却后，采用相同方法测量电缆的长度和各测量点的外周长；随后，将样品在常温条件下放置48h后，再次测量并记录样品的相关尺寸。
4、聚丙烯电缆本体绝缘空气热氧老化试验
从试制的110kV接枝聚丙烯绝缘电力电缆中切取同样大小的电缆绝缘层样片，裁成标准哑铃型试样，在150℃下进行360h空气热氧老化试验。分别在老化开始后的168，240，312，360h取样，即7d（168h）后，每增加3d（72h）取一次样，并进行机械拉伸测试。测试分析老化前后电缆绝缘哑铃型样片的抗张强度和断裂伸长率。
二、测试数据与分析讨论
1、电缆的热收缩特性
电力电缆安装敷设时，其热环境往往与运行时不同。在温度的影响下，电缆材料通常会发生热收缩，如果对此特性缺乏了解而直接进行安装敷设，可能会为电缆运行留下安全隐患。此外，聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆的绝缘材料具有较大的差异性，现有关于交联聚乙烯热收缩性能的研究结论无法直接应用于聚丙烯电缆。因此，有必要对试制的110kV接枝聚丙烯绝缘电力电缆和相同截面的110kV交联聚乙烯电缆进行热循环试验，以明确各自的热收缩特性。
在70℃工况下进行5次热循环试验，分别记录聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆的长度相对于初始长度的收缩或膨胀情况，结果见表1。其中，正号（+）表示电缆伸长，负号（−）表示电缆缩短。
表1 70℃工况下聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆的热收缩情况
由表1可知，在前两天的热循环中，聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆均仅表现出加热过程中的热膨胀特性，冷却后能够恢复至原始长度。从第三天开始，交联聚乙烯电缆出现了热收缩特性，即在第二天冷却后，电缆长度缩短了0.10%，并且在第三天加热时继续缩短。相比之下，聚丙烯电缆在70℃的热循环过程中仅表现出加热过程中的热膨胀特性，并且冷却后能够恢复至原长度。在整个试验过程中，交联聚乙烯电缆的热收缩率随着热循环次数的增加逐渐增大，最大可达−0.40%；而聚丙烯电缆则为+0.10%，表现出较低的变形和较高的可恢复性。
两种电缆在更高温度90℃工况下热循环试验中的收缩特性更为突出，90℃工况下聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆的热收缩情况见表2。
表2 90℃工况下聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆的热收缩情况
由表2可知，相较70℃的热循环试验，90℃工况下聚丙烯电缆和交联聚乙烯电缆在前两天均表现出更高的热收缩或热膨胀特性。交联聚乙烯电缆在第一天加热后的冷却过程中收缩率为−0.8%，说明高温运行促进了交联聚乙烯的热收缩。虽然聚丙烯电缆在高温下也呈现出一定的热收缩特性，收缩率最高达到−0.35%，但始终低于交联聚乙烯电缆的热收缩率（最高−1.3%）。
聚丙烯电缆与交联聚乙烯电缆在热收缩试验中的不同表现，可能与其分子性质和生产工艺的差异有关。电缆绝缘挤出时，高聚物受到剪切和牵引拉伸作用，使高分子沿着受力方向取向，造成电缆挤包层内部产生内应力。内应力在电缆日常运行中逐渐消解，导致电缆绝缘层与屏蔽层产生热收缩现象。交联聚乙烯电缆生产中需要交联，而高温下形成的交联网络在内应力还未得到松弛的情况下将分子链牢牢锁住，使得内应力在退火的过程中难以被消解；而聚丙烯电缆没有形成交联结构，使得内应力在退火过程中更容易被消解，不易发生热收缩现象。以上现象表明，聚丙烯电缆在工作温度下热收缩更小，未来聚丙烯电缆运行维护中应采取更适用的方案。
2、聚丙烯电缆低温收缩特性
电力电缆在运行过程中可能会出现空载的情况，由于此时中心导体中没有电流通过，电缆不会发热。但是，在长时间的空载后，电缆本体的温度将与周围环境温度趋于一致。考虑到在我国北方地区冬季常常出现极寒天气，电缆的设计必须考虑到材料及结构对于低温环境的适应性，以及经历低温后重新投入运行后的可靠性。因此，本文初步探索了110kV接枝聚丙烯绝缘电力电缆在经历低温循环后的收缩特性。在电缆经历低温或室温恢复后，采用π尺对电缆的外径及长度进行测量，见图2。此外，试验过程中还考虑了有无导体存在对聚丙烯电缆低温收缩特性的影响。
试样PP#3（有导体）与PP#4（无导体）在−40℃低温试验箱内冷却48h后，聚丙烯电缆径向和纵向的低温收缩情况分别见表3和表4。
表3 经历−40℃冷却后PP电缆径向低温收缩情况
由表3可知，试样PP#3（有导体）和PP#4（无导体）经过−40℃低温处理48h后，其径向外周长的收缩率在0.46%~0.68%范围，与是否保留导体无关，由于外径与外周长成正比，说明外径也收缩了相同的百分比。低温收缩的聚丙烯电缆在常温下放置与冷处理相同的时间后基本能够恢复至原来的外径长度。
表4 经历−40℃冷却后PP电缆纵向低温收缩情况
由表4可知，经−40℃低温处理48h后，聚丙烯电缆在纵向长度也表现出收缩特性，试样PP#3（有导体）的收缩率在0.20%左右，而试样PP#4（无导体）的收缩率约为0.60%，这说明导体对于挤包屏蔽层和绝缘层的低温收缩起到抑制作用。在恢复至室温后，无论是否抽除导体，聚丙烯电缆的径向长度基本能够恢复至原始尺寸。
3、聚丙烯电缆本体空气热氧老化后的机械特性
110kV接枝聚丙烯绝缘电力电缆在加速空气热氧老化过程中，聚丙烯电缆本体绝缘机械特性的变化规律尤为重要。因此，本文对150℃下不同空气热氧老化时间的聚丙烯电缆本体绝缘进行了机械性能试验，测试得到老化前后的抗张强度和断裂伸长率数据，结果见表5。
表5 150℃空气热老化前后聚丙烯电缆的机械性能
由表5可知，在老化360h内，聚丙烯电缆绝缘的抗张强度仅有略微的下降，下降幅度最多仅为4.6%。与抗张强度不同，断裂伸长率呈现出相对较大的下降趋势，并且随着老化时间的增加，在150℃下老化360h后下降至初始值的75.9%。参考交联聚乙烯绝缘电缆国家标准GB/T 11017.1—2014《额定电压110kV（Um=126kV）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，电缆绝缘老化前后的抗张强度与断裂伸长率的最大变化率均要求为±25%，110kV接枝聚丙烯电缆本体绝缘试样在150℃下老化15d后的抗张强度变化率和断裂伸长率变化率均未超过±25%的要求。试验结果充分证明了110kV接枝聚丙烯电缆绝缘具有可靠的长期老化性能。
三、讨论
本文对试制的110kV接枝聚丙烯绝缘电力电缆开展了成缆本体热收缩及低温收缩的热循环试验，同时探究了聚丙烯电缆本体绝缘热氧老化后的机械特性，得到以下结论。
1.接枝聚丙烯电缆在热循环中的机械特性以热膨胀为主，而交联聚乙烯电缆则呈现更强的热收缩特性。随着热循环温度升高，电缆在纵向长度上的变化更加明显。总体来说，接枝聚丙烯电缆的热收缩率比交联聚乙烯电缆更低，并且表现出更为优异的可恢复性。
2.接枝聚丙烯电缆经−40℃低温试验48h后，外径或外周长的收缩率在0.46%~0.68%之间，试验结果与电缆是否保留金属导体无关；而聚丙烯电缆在低温处理后的纵向长度收缩率则受导体影响明显，无导体接枝聚丙烯电缆纵向长度收缩率约0.60%，而有导体接枝聚丙烯电缆纵向长度收缩率仅为0.20%。
3.150℃下空气热氧老化360h后，聚丙烯电缆本体绝缘的抗张强度下降幅度较小，抗张强度变化率为−3.2%；断裂伸长率下降幅度较大，逐步下降至初始值的75.9%，断裂伸长率变化率为−24.1%；仍满足空气热氧老化前后抗张强度变化率和断裂伸长率变化率不超过±25%的标准要求。
来 源：上缆所传媒
