【特別關(guān)注】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
來源： 作者： 時間：2024-03-12
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、不可回收的缺點嚴(yán)重限制了其可持續(xù)性發(fā)展。聚丙烯（PP）基環(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。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實驗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，各項電氣性能在30℃至90℃的寬溫域下也得到提升。同時，該工作驗證了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)隊的項目技術(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)基金重點項目和青年項目、電工材料電氣絕緣全國重點實驗室自主研究課題和中國石化科技項目的支持。
來源 | 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、科技日報
編輯 | 房久仙 常佳
審核 | 何曉芳
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