乙丙橡膠的工業(yè)應(yīng)用與電纜工業(yè)

乙丙橡膠的工業(yè)應(yīng)用與電纜工業(yè)

1熱膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)20世紀(jì)60年代，發(fā)明了zieferernatt催化劑，并將工業(yè)反應(yīng)乙丙基膠體（epr）引入現(xiàn)實(shí)。乙丙橡膠具有眾多優(yōu)點(diǎn),隨即引起了電纜工業(yè)的重視。乙丙橡膠具有優(yōu)異的電性能(見表1),其體積電阻率高,還有出眾的抗水樹和耐電暈性能,穩(wěn)定的抗電脈沖強(qiáng)度。乙丙橡膠有很寬的使用溫度,低的熱膨脹系數(shù),可防止絕緣層分離、接頭或端部回縮、中性線嵌入絕緣,提高了電纜與預(yù)制接頭的匹配性。如在IEC60502中收縮測試就只針對交聯(lián)聚乙烯(XLPE),而不考核乙丙橡膠(EPR)和高硬度乙丙橡膠(HEPR)。乙丙橡膠有優(yōu)異的柔韌性能,使電纜具有很小的彎曲半徑,安裝、接頭和封端更容易。在北美中壓電力電纜市場,1998年消耗的91000t絕緣料中,可交聯(lián)聚乙烯占59150~63700t,乙丙橡膠占27300~31850t,乙丙橡膠所占的比例為30%~35%。我國電力電纜生產(chǎn)中可交聯(lián)聚乙烯是主要的絕緣材料,年用量約為18000~22000t,屏蔽料年用量約8000~10000t。我國乙丙橡膠在電纜上的用量約10000t,由此可見,乙丙橡膠在電纜中應(yīng)用已占有相當(dāng)比例,其主要用于中高壓電纜。本文主要介紹了乙丙橡膠在國內(nèi)外中高壓電纜中應(yīng)用情況,論述了乙丙橡膠料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的關(guān)鍵,以及國內(nèi)自主開發(fā)及應(yīng)用情況。2試驗(yàn)生產(chǎn)的乙丙橡膠粘連電纜電纜目前中壓乙丙橡膠絕緣電纜已經(jīng)普遍使用,許多標(biāo)準(zhǔn)都有相關(guān)乙丙橡膠絕緣電纜的規(guī)定,如IEC60502《額定電壓從1kV(Um=1.2kV)到30kV(Um=36kV)的擠包絕緣電力電纜及其附件》、IEC60092-354《船用電氣裝置.第354部分:標(biāo)稱電壓為6kV,10kV和15kV帶模壓固體裝置的單芯和三芯電力電纜》、AEICCS6-96《額定電壓69kV乙丙橡膠絕緣和屏蔽電力電纜規(guī)范》、ICEAS-68-516《乙丙橡膠絕緣電線電纜》等。IEC60502:2005中規(guī)定的乙丙橡膠絕緣EPR、HEPR和XLPE的部分性能指標(biāo)見表2。意大利Pirelli公司在1967年就生產(chǎn)出了20kV乙丙橡膠絕緣電纜,敷設(shè)于海島間已安全運(yùn)行數(shù)十年。1969年開始生產(chǎn)60~72.5kV乙丙橡膠絕緣電力電纜。1973年開始生產(chǎn)110~150kV乙丙橡膠絕緣電力電纜。在2001年,Prysmian公司生產(chǎn)的150kV乙丙橡膠絕緣電纜24.6km敷設(shè)于威尼斯北部的Murano與西北的Mestre之間,其截面達(dá)1×1000mm2。商品化的乙丙橡膠絕緣料和屏蔽料已經(jīng)相當(dāng)成熟,如:Indianapolis的IC4728B為110kV等級的乙丙橡膠絕緣料;Brugg的BCR-30是150kV的乙丙橡膠絕緣料。而我國中高壓電纜生產(chǎn)用絕緣料和屏蔽料主要采用可交聯(lián)聚乙烯,同時也進(jìn)口部分乙丙橡膠絕緣料和屏蔽料。我國某些礦用機(jī)械的橡膠絕緣電纜電壓水平已經(jīng)達(dá)到了10kV。隨著中高壓橡膠絕緣電纜產(chǎn)品的需求不斷增加,我國中高壓橡膠電纜料也在發(fā)展。3中壓電纜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)乙丙醇電纜材料3.1電纜電纜乙丙橡膠中高壓電纜應(yīng)用對乙丙橡膠電纜料的要求較高,作為乙丙橡膠電纜料基材的乙丙橡膠的選擇就十分重要。作為基料的乙丙橡膠需要好的電性能、加工性能,還要有一定的硫化強(qiáng)度。高乙烯含量的乙丙橡膠具有較好的電性能,其硫化膠的拉伸強(qiáng)度也高。一般乙烯含量在60mol%(摩爾百分?jǐn)?shù))左右的乙丙橡膠適合用于中高壓電纜絕緣。高乙烯含量的乙丙橡膠一般為半結(jié)晶型,生產(chǎn)出的電纜料易于造粒,更適合現(xiàn)代工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)及質(zhì)量控制的需求。而低結(jié)晶的乙丙橡膠能填充大量的油和填料,可以提高加工性能,還能降低成本。乙丙橡膠的分子量和分子量分布也是選擇的參考依據(jù)。隨著分子量增高,其硫化膠的拉伸強(qiáng)度、回彈性、硬度均有所提高。較寬的分子量分布對可獲得更寬的電纜料生產(chǎn)和擠出加工溫度范圍。三元乙丙橡膠中第三單體的種類和含量對硫化有著重要的影響。第三單體為1,4-己二烯(HD)的三元乙丙橡膠硫化膠壓縮形變小、硫化速度中等、不易焦燒。雙環(huán)戊二烯(DCPD)的硫化速度慢、硫化膠永久變形小、耐熱老化好。乙叉降冰片烯(ENB)的三元乙丙橡膠硫化速度快、硫化膠拉伸強(qiáng)度高、硫化膠永久變形小,適合電線電纜應(yīng)用的要求。表3為四種可用于電纜的乙丙橡膠的性能。從表中可以看出它們都有高的乙烯含量、中等含量的ENB第三單體、硫化速度快,適合電線電纜生產(chǎn)。低的門尼粘度使膠料在填充后,可獲得良好的擠出性能。3.2回用a/n料配合劑種類和用量的選擇也很重要。如果配合劑用量達(dá)到過飽和狀態(tài),混煉膠表層的配合劑會首先析出,從而導(dǎo)致配合劑由內(nèi)向外逐漸析出,如果其處在絕緣和屏蔽層的界面上,則會對中高壓電纜的電性能有很大的影響。所以在滿足性能的前提下,絕緣料和屏蔽料的配方應(yīng)該盡量減少組分及各組分的用量,這樣可以減少雜質(zhì)引入的可能性。絕緣料和屏蔽料的基料、硫化體系、防老體系和潤滑體系也應(yīng)盡量保持一致,這樣可以避免絕緣料和屏蔽料相互污染,對提高電纜使用壽命是有利的。3.3混煉過程會對配合劑分散性能和分散度的影響橡膠電纜料生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)是混煉。混煉的目的是使各種配合劑均勻分散在乙丙橡膠中。配合劑在乙丙橡膠中的分散性除了它們本身的相容性外,就主要取決于混煉效果了。一般來說增加混煉強(qiáng)度和時間可改善配合劑在膠料中的分散效果。但過長時間的混煉對分散度的改善有限,還會嚴(yán)重破壞橡膠結(jié)構(gòu),所以適當(dāng)?shù)幕鞜拸?qiáng)度和時間對橡膠電纜料的性能的提高很重要。經(jīng)過混煉加工后配合劑粒子在膠料中的分散直徑一般也會發(fā)生改變,不一定和原來的尺寸相同,而較大尺寸的粒子會對膠料性能產(chǎn)生不利影響?；鞜捫Ч梢酝ㄟ^電鏡照片判斷。圖1中為兩種進(jìn)口乙丙絕緣的SEM電鏡圖。從圖中可以看出基體中粒子分散均勻,粒子尺寸小。4丙烯基膠電纜材料的性能和應(yīng)用4.1物理機(jī)械性能國內(nèi)自主的開發(fā)的XJ-34A型乙丙橡膠絕緣料和XB-34A型屏蔽料具有優(yōu)良的電氣性能,見表4,它們的SEM電纜照片圖見圖2。從圖2中可以看到絕緣料中粒子分散均勻與進(jìn)口樣品相當(dāng),屏蔽料中的粒子尺寸更小、分散更為均勻。乙丙橡膠絕緣料(XJ-34A)和屏蔽料(XB-34A)的物理機(jī)械性能也超過IEC60502-2的相關(guān)要求,老化后性能變化率小于15%。而且可以制成粒狀料,方便了運(yùn)輸和使用。4.2電纜的電性能為驗(yàn)證該絕緣料和屏蔽料用于中壓橡膠絕緣電纜的可行性,試制了額定電壓為17.5kV的單芯橡膠絕緣電纜,其導(dǎo)體標(biāo)稱截面為300mm2,絕緣標(biāo)稱厚度為5mm,內(nèi)外屏蔽厚度為0.9mm。根據(jù)IEC60502-2標(biāo)準(zhǔn)要求檢測其電性能,并將檢測的結(jié)果與IEC6052作比較(見表5)。從表5可見,電纜的各項(xiàng)性能都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。說明自主開發(fā)的乙丙橡膠電纜料是可以用于中壓橡膠絕緣電纜的。為了考查乙丙橡膠絕緣電纜的柔韌性,對試制電纜進(jìn)行了彎曲直徑為3D(D為電纜外徑)的彎曲試驗(yàn)。根據(jù)截面形變計(jì)算的電氣強(qiáng)度下降不超過5%,實(shí)際測試的電纜局放值也僅從2.4pC變?yōu)?.4pC。作為對比,IEC60502-2中規(guī)定的局放試驗(yàn)前的彎曲試驗(yàn)要求彎曲直徑為20(d+D),式中d為導(dǎo)體直徑;IEC60092-354中乙丙橡膠絕緣電纜規(guī)定的彎曲直徑為12D;某些礦用橡套電纜彎曲直徑也為12D。目前該乙丙橡膠絕緣料和屏蔽料已經(jīng)在江蘇三角洲塑化有限公司實(shí)現(xiàn)了商品化生產(chǎn)。以此為原材料生產(chǎn)的中壓橡膠絕緣電纜也在正常運(yùn)行中。5