電力電纜通常敷設(shè)于地下，以避免惡劣環(huán)境和自然災(zāi)害的影響。環(huán)保型大容量聚丙烯絕緣電力電纜在保障能源有效輸送的同時(shí)，也提升了電工裝備的環(huán)境友好性，更符合我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的需求。聚丙烯（polypropylene，PP）材料作為五大通用塑料之一，具有工作溫度高、電氣絕緣性強(qiáng)及天然抗水樹性等優(yōu)勢(shì)，其本征熱塑性和易加工性在電纜制造過程中可降低碳排放且提高生產(chǎn)效率，在電纜使用到期后還可實(shí)現(xiàn)回收再利用，有望成為新一代環(huán)保型電力電纜絕緣的主要材料。
目前，國(guó)外聚丙烯絕緣電力電纜的發(fā)展處于起步階段，意大利、韓國(guó)、日本和瑞士等國(guó)家的研發(fā)機(jī)構(gòu)均成功研制出中壓至高壓的聚丙烯電纜，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。其中，意大利普睿司曼公司（Prysmian）自2003年開始研究聚丙烯電纜關(guān)鍵技術(shù)，至2020年已在工程中應(yīng)用超過5萬千米的中壓聚丙烯電纜，相較于傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯電纜，碳排放降低了約39%。我國(guó)聚丙烯電纜的研發(fā)始于2014年，目前正處于穩(wěn)步前進(jìn)的追趕階段，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校和研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論攻關(guān)。隨后，中國(guó)電科院、南網(wǎng)科研院、國(guó)網(wǎng)遼寧電科院、南網(wǎng)廣東電科院等電網(wǎng)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合各高校與企業(yè)開展了材料性能調(diào)控與工程應(yīng)用研究；中石化、中廣核、萬馬高分子、海江高分子等材料供給與改性企業(yè)同步進(jìn)行了材料批量制備工藝研究；上纜所、武高所等電纜研發(fā)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展了試驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)化的制定工作。未來，聚丙烯絕緣電力電纜將朝著交/直流電網(wǎng)不同應(yīng)用場(chǎng)景、更高電壓等級(jí)和更大輸送容量的方向發(fā)展。
聚丙烯材料因其高硬度和脆性等特性，需要經(jīng)過增韌改性才能滿足電力電纜的使用需求。目前，增韌改性方法主要分為共混和共聚。共混是將聚丙烯基體與軟質(zhì)聚合物進(jìn)行混合，以降低模量；共聚則是在反應(yīng)釜中將丙烯單體與其他烯烴單體聚合，形成較軟的抗沖共聚物，以提升整體韌性。上述兩種改性方法均是為了改善聚丙烯材料的機(jī)械性能，但機(jī)械性能改善后電氣性能會(huì)有所下降。因此，在增韌的基礎(chǔ)上，還形成了兩種改性路線，即接枝改性和納米摻雜技術(shù)，以提升電氣性能。接枝改性主要是在聚丙烯側(cè)鏈上化學(xué)接枝功能基團(tuán)，抑制載流子運(yùn)動(dòng)，以提升電氣性能；納米摻雜技術(shù)主要是通過納米粒子物理分散于聚丙烯基體中捕獲載流子，從而提升電氣性能。已有文獻(xiàn)研究表明，適當(dāng)?shù)囊蚁┖颗c丙烯共聚有利于提升電氣性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)彈性體與聚丙烯共混能夠調(diào)節(jié)晶型變化，從而提升電氣性能。針對(duì)耐電樹、耐水樹及抗老化等性能的改性，主要通過添加有機(jī)或無機(jī)顆粒等進(jìn)行改性，也有文獻(xiàn)表明接枝改性技術(shù)能夠提升聚丙烯耐水樹性能。
聚丙烯絕緣電力電纜在中壓交流10kV和35kV、高壓交流110kV已實(shí)現(xiàn)工程示范應(yīng)用，目前更高電壓等級(jí)的交/直流聚丙烯電纜也在逐步研制。2020年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了10kV共混和共聚路線聚丙烯電纜的掛網(wǎng)試運(yùn)行；同年，35kV共混和共聚路線、10kV和35kV接枝路線聚丙烯電纜也成功研制，并參考交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。2022年，10kV和35kV接枝路線聚丙烯電纜實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)試運(yùn)行。2023年，110kV共混、共聚和接枝改性路線聚丙烯電纜均成功研制；同年，110kV共混路線聚丙烯電纜實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)試運(yùn)行。2024年，110kV接枝改性路線聚丙烯電纜實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)試運(yùn)行。目前，中壓聚丙烯電纜已實(shí)現(xiàn)一定范圍的工程示范應(yīng)用，并制定了相應(yīng)電壓等級(jí)電纜及電纜料的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步明確了檢測(cè)參數(shù)、手段和方法，幫助電纜生產(chǎn)企業(yè)更好地把控產(chǎn)品質(zhì)量和性能。
由于聚丙烯絕緣電力電纜領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種技術(shù)路線，且每種技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)，本文擬對(duì)我國(guó)現(xiàn)行中壓熱塑性聚丙烯電纜和電纜料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析討論。通過將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的試驗(yàn)項(xiàng)目、方法和指標(biāo)進(jìn)行概述，區(qū)分不同技術(shù)路線在指標(biāo)上的差異性，獲得適用于熱塑性聚丙烯電纜的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，指導(dǎo)后續(xù)更高電壓等級(jí)聚丙烯絕緣電力電纜的材料研發(fā)、生產(chǎn)制造和考核評(píng)價(jià)。
聚丙烯電纜料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜料主要分為聚丙烯基絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料。截至目前，已發(fā)布4項(xiàng)中壓熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜料的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，分別為由上海市塑料工程技術(shù)學(xué)會(huì)發(fā)布的T/SHPTA 014.1—2021《額定電壓6kV到35kV電力電纜用改性聚丙烯電纜料 第1部分：絕緣料》、T/SHPTA 014.2—2021《額定電壓6kV到35kV電力電纜用改性聚丙烯電纜料 第2部分：半導(dǎo)電屏蔽料》，以及由中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的T/CPCIF 0230—2022《額定電壓6kV（Um=7.2kV）至35kV（Um=40.5kV）熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜用絕緣料》、T/CPCIF 0231—2022《額定電壓6kV（Um=7.2kV）至35kV（Um=40.5kV）熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜用半導(dǎo)電屏蔽料》。
聚丙烯電纜用絕緣料
在適用范圍上，T/SHPTA 014.1—2021中表明該文件適用于以聚丙烯為基料，經(jīng)改性并添加其他助劑后制成的熱塑性絕緣料，即該文件僅適用于在聚丙烯聚合過程完成之后進(jìn)行后改性的熱塑性絕緣料。T/CPCIF 0230—2022中表明該文件適用于以丙烯和乙烯為主要原料，在催化劑作用下經(jīng)反應(yīng)釜直接合成制備的共聚絕緣料；此外，也適用于以聚丙烯為基料經(jīng)改性后制備的絕緣料。其中，T/CPCIF 0230—2022將聚丙烯電纜絕緣料在使用范圍上增加了釜內(nèi)聚合形成的共聚聚丙烯絕緣料，一定程度擴(kuò)大了該文件的適用范圍。
在工作溫度上，T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定了絕緣料用于電纜時(shí)導(dǎo)體長(zhǎng)期允許最高工作溫度（簡(jiǎn)稱導(dǎo)體最高工作溫度）為105℃；T/CPCIF 0230—2022規(guī)定了導(dǎo)體最高工作溫度為90℃。T/SHPTA 014.1—2021在電氣性能中還規(guī)定了工作溫度為20，90，105℃時(shí)的具體值要求，包括體積電阻率和介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）。
在電氣性能上，T/SHPTA 014.1—2021和T/CPCIF 0230—2022均對(duì)交流介電強(qiáng)度、體積電阻率、相對(duì)介電常數(shù)和tanδ作出規(guī)定。對(duì)于介電強(qiáng)度，T/SHPTA 014.1—2021和T/CPCIF 0230—2022僅規(guī)定了常溫下電極直徑為25mm、樣品厚度為1mm的介電強(qiáng)度不低于35kV·mm?1，但對(duì)工作溫度下的介電強(qiáng)度未作要求。對(duì)于體積電阻率，T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定了20，90，105℃時(shí)的體積電阻率分別不低于1×1014，3×1011，1×1011Ω·m；而T/CPCIF 0230—2022則規(guī)定23，90℃時(shí)分別不低于1×1014，1×1011Ω·m，表明T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定的90℃下體積電阻率的要求更為嚴(yán)苛。對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均僅考核了常溫下的數(shù)值，T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定了相對(duì)介電常數(shù)為2.10±0.20；T/CPCIF 0230—2022則要求不超過2.35，表明T/SHPTA 014.1—2021的要求更為苛刻。對(duì)于tanδ，T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定了20，90，105℃時(shí)的tanδ分別不超過1×10?3，4×10?3，4×10?3；T/CPCIF 0230—2022則要求室溫下的tanδ不超過5×10?4，90℃下共聚聚丙烯絕緣料和改性聚丙烯絕緣料的tanδ分別不超過1×10?3和2×10?3，表明兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了工作溫度下tanδ在10?3數(shù)量級(jí)。
在老化前后機(jī)械性能上，T/SHPTA 014.1—2021的空氣熱老化試驗(yàn)條件為在150℃下老化168h，老化前后拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率均不超過±25%；T/CPCIF 0230—2022的空氣熱老化試驗(yàn)條件為在135℃下老化240h，老化前后拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率均不超過±30%。這是由于T/SHPTA 014.1—2021適用于導(dǎo)體最高工作溫度為105℃的電纜，而T/CPCIF 0230—2022適用于導(dǎo)體最高工作溫度為90℃的電纜。因此，參照交聯(lián)聚乙烯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中空氣熱老化試驗(yàn)溫度比標(biāo)稱導(dǎo)體最高工作溫度高45℃的經(jīng)驗(yàn)，上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同空氣熱老化的試驗(yàn)溫度。值得注意的是，T/CPCIF 0230—2022中規(guī)定，老化后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別不低于15MPa和450%，老化前則分別不低于20MPa和500%。這表明該標(biāo)準(zhǔn)既規(guī)定了老化后各變化率不超過±30%，又規(guī)定了老化后的具體數(shù)值要求。根據(jù)此規(guī)定，若以老化前拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為20MPa和500%計(jì)算，并考慮老化后各變化率不超過±30%，老化后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)分別在14~26MPa和350%~650%；同時(shí)，考慮老化后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別不低于15MPa和450%，最終的測(cè)試范圍在15~26MPa和450%~650%，才能符合文件要求。
在低溫性能上，T/SHPTA 014.1—2021和T/CPCIF 0230—2022均規(guī)定在?25℃下開展低溫沖擊試驗(yàn)，要求失效數(shù)不超過15/30。在熱性能上，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均摒棄原有交聯(lián)聚乙烯的熱延伸試驗(yàn)，采用熱變形試驗(yàn)來考核材料的熱性能，均按照GB/T 8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》中6.4規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。T/SHPTA 014.1—2021要求在135℃下進(jìn)行1h熱變形試驗(yàn)，形變率不超過40%；T/CPCIF 0230—2022要求在140℃下進(jìn)行1h熱變形試驗(yàn)，形變率不超過10%。在水分含量上，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均考慮了水分對(duì)材料的影響，T/SHPTA 014.1—2021按照GB/T 2951.13—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第13部分：通用試驗(yàn)方法——密度測(cè)定方法——吸水試驗(yàn)——收縮試驗(yàn)》進(jìn)行吸水試驗(yàn)；T/CPCIF 0230—2022則按照SH/T 1770—2010《塑料聚乙烯水分含量的測(cè)定》進(jìn)行水分含量測(cè)試。
針對(duì)兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)項(xiàng)目的差異性，T/SHPTA 014.1—2021規(guī)定了雜質(zhì)檢測(cè)和水樹試驗(yàn)的要求，并在該文件中通過附錄的形式詳細(xì)描述；T/CPCIF 0230—2022規(guī)定了對(duì)熔體質(zhì)量流動(dòng)速率（melt mass-flow rate，MFR），以及一次擠出后MFR變化率的要求，考慮了流變特性等工藝參數(shù)；此外，T/CPCIF 0230—2022還規(guī)定了彎曲模量，共聚聚丙烯絕緣料和改性聚丙烯絕緣料的彎曲模量分別不超過700MPa和800MPa。
兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中聚丙烯電纜用絕緣料主要性能對(duì)比見表1。其中，JR為以丙烯和乙烯為主要原料在催化劑作用下經(jīng)反應(yīng)釜直接合成制備的共聚絕緣料；JC為以聚丙烯為基料經(jīng)改性后制備的絕緣料。
表1 兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中聚丙烯電纜用絕緣料主要性能對(duì)比
聚丙烯電纜用半導(dǎo)電屏蔽料
在適用范圍上，T/SHPTA 014.2—2021表示該文件適用于以聚烯烴類聚丙烯等為基料、改性并摻雜助劑和導(dǎo)電炭黑形成的熱塑性粒料；T/CPCIF 0231—2022表示該文件適用于以無鹵烯烴類熱塑性聚合物為基料、添加導(dǎo)電炭黑及助劑形成的屏蔽料。兩項(xiàng)屏蔽料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均區(qū)分了可剝離型屏蔽料和不可剝離型屏蔽料，進(jìn)一步規(guī)范了不同類型半導(dǎo)電屏蔽料的性能指標(biāo)要求。
在工作溫度上，與絕緣料相匹配，T/SHPTA 014.2—2021適用于電纜導(dǎo)體最高工作溫度為105℃，其電氣性能中體積電阻率測(cè)試要求在20℃和105℃下進(jìn)行；T/CPCIF 0231—2022適用于電纜導(dǎo)體最高工作溫度為90℃，其體積電阻率測(cè)試要求在23℃和90℃下進(jìn)行。
在電氣性能上，T/SHPTA 014.2—2021規(guī)定，在20℃時(shí)，不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的體積電阻率均不超過100Ω·cm；在105℃時(shí)，不可剝離型屏蔽料的電氣性能與可剝離型屏蔽料有所差異，體積電阻率分別不超過5000Ω·cm和2500Ω·cm，表明該文件中對(duì)可剝離型屏蔽料的體積電阻率要求更苛刻。T/CPCIF 0231—2022規(guī)定，在23℃時(shí)，不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的體積電阻率均不超過100Ω·cm；在90℃時(shí)，分別不超過1000Ω·cm和500Ω·cm，表明該文件對(duì)可剝離型屏蔽料的體積電阻率要求同樣更苛刻。這兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了空氣熱老化后最高工作溫度時(shí)的體積電阻率。T/SHPTA 014.2—2021規(guī)定在115℃下老化168h后，105℃時(shí)不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的體積電阻率要求與老化前一致。T/CPCIF 0231—2022規(guī)定在100℃下老化168h后，90℃時(shí)不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的體積電阻率分別不超過1000Ω·cm和500Ω·cm，也與老化前的要求一致。
在老化前后機(jī)械性能上，T/SHPTA 014.2—2021中規(guī)定老化前拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別不低于10MPa和200%；空氣熱老化試驗(yàn)條件為135℃下老化240h，不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料老化后拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率均不超過±40%。T/CPCIF 0231—2022中區(qū)分了不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料老化前后機(jī)械性能的要求，不可剝離型屏蔽料老化前拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別不低于12.5MPa和350%，可剝離型屏蔽料分別不低于10MPa和300%；此外，還區(qū)分了空氣熱老化試驗(yàn)條件，不可剝離型屏蔽料的試驗(yàn)條件為在135℃下老化168h，可剝離型屏蔽料的試驗(yàn)條件為在110℃下老化168h，兩種不同屏蔽料老化后拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率均不超過±30%。
在低溫性能上，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了?25℃下的低溫沖擊試驗(yàn)，要求失效數(shù)不超過15/30。在熱性能上，T/SHPTA 014.2—2021區(qū)分了不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的試驗(yàn)溫度，不可剝離型屏蔽料采用130℃，可剝離型屏蔽料采用120℃，形變率均要求不超過40%。T/CPCIF 0231—2022同樣區(qū)分了不同屏蔽料的試驗(yàn)溫度，不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料的熱變形試驗(yàn)溫度分別為140℃和120℃，形變率均要求不超過50%。由形變率的要求可知，可剝離型屏蔽料的熱變形試驗(yàn)溫度均低于不可剝離型屏蔽料。
兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均區(qū)分了不可剝離型屏蔽料和可剝離型屏蔽料，因此在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)可剝離型屏蔽料老化前后的剝離強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)范。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，老化前后的剝離強(qiáng)度應(yīng)在10~60N·cm?1。其中，T/SHPTA 014.2—2021的老化條件為115℃下老化168h，而T/CPCIF 0231—2022的老化條件為100℃下老化168h，老化條件的不同或許與屏蔽料對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體最高工作溫度有關(guān)。此外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)密度和氧化誘導(dǎo)時(shí)間（200 ℃）等進(jìn)行了規(guī)定。
兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中聚丙烯電纜用半導(dǎo)電屏蔽料的主要性能對(duì)比見表2。
表2 兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中聚丙烯電纜用半導(dǎo)電屏蔽料主要性能對(duì)比
前文分別概述了兩項(xiàng)熱塑性聚丙烯基絕緣料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和兩項(xiàng)半導(dǎo)電屏蔽料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為聚丙烯絕緣電力電纜材料的性能考核及篩選提供了有力支撐。目前，國(guó)內(nèi)已制定了兩項(xiàng)熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，包括中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的T/CEEIA 591—2022《額定電壓6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜》和中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)發(fā)布的T/CSEE 0446—2024《額定電壓10kV~35kV耐高溫低介質(zhì)損耗接枝聚丙烯絕緣電力電纜》。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要參考了GB/T 12706.2—2020《額定電壓1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分：額定電壓6kV（Um=7.2kV）到30kV（Um=36kV）電纜》和GB/T 12706.3—2020《額定電壓1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）擠包絕緣電力電纜及附件 第3部分：額定電壓35 kV（Um=40.5kV）電纜》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
在適用范圍上，T/CEEIA 591—2022適用于配電網(wǎng)或工業(yè)裝置中固定安裝的中壓6kV（Um=7.2kV）至35kV（Um=40.5kV）熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜；T/CSEE 0446—2024適用于中壓10kV（Um=12kV）至35kV（Um=40.5kV）熱塑性耐高溫低介質(zhì)損耗接枝聚丙烯絕緣電力電纜。T/CEEIA 591—2022更側(cè)重于中壓普適性的熱塑性聚丙烯電纜，而T/CSEE 0446—2024在聚丙烯電纜前增加了耐高溫、低介質(zhì)損耗等限定語。其中，耐高溫指導(dǎo)體最高工作溫度超過90℃時(shí)仍能保持優(yōu)良性能；低介質(zhì)損耗指tanδ低于8×10?4，并明確針對(duì)接枝改性技術(shù)路線。因此，在一定程度上，T/CSEE 0446—2024的適用范圍較T/CEEIA 591—2022更窄，增加的限定語表明T/CSEE 0446—2024的技術(shù)指標(biāo)更為苛刻。
在工作溫度上，T/CEEIA 591—2022規(guī)定了正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體最高工作溫度為90℃，短路（最長(zhǎng)持續(xù)5s）時(shí)導(dǎo)體最高溫度為250℃。其中，該標(biāo)準(zhǔn)要求絕緣混合料為熱塑性聚丙烯絕緣材料；不同類型護(hù)套混合料分別為聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）、聚乙烯（polyethylene，PE）和無鹵低煙阻燃（low smoke fume，LSF）材料；半導(dǎo)電屏蔽料為非金屬的半導(dǎo)電材料，且能夠適應(yīng)電纜的工作溫度，并與絕緣料兼容。T/CSEE 0446—2024規(guī)定了兩種正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體最高工作溫度，分別為90℃ 或105℃，短路（最長(zhǎng)持續(xù)5s）時(shí)導(dǎo)體最高溫度為250℃。相對(duì)應(yīng)地，該標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分了兩種不同耐溫程度的絕緣混合料，分別為低介質(zhì)損耗接枝聚丙烯（low dielectric loss grafted polypropylene，GPP）和耐高溫低介質(zhì)損耗接枝聚丙烯（high temperature resistance and low dielectric loss grafted polypropylene，TPP）；不同類型護(hù)套混合料中，PVC、PE和無鹵低煙阻燃熱塑性聚烯烴（WDZ-Y）均適用于90℃的工作溫度，無鹵低煙阻燃熱塑性彈性體（WDZ-T）和無鹵低煙阻燃交聯(lián)型聚烯烴（WDZ-YJ）可適用于90℃或105℃的工作溫度。
在電氣型式試驗(yàn)上，兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均給出了彎曲試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、tanδ試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、沖擊電壓試驗(yàn)、工頻電壓試驗(yàn)、4h電壓試驗(yàn)等試驗(yàn)步驟及要求。T/CEEIA 591—2022規(guī)定了額定電壓6/10（12）kV及以上電纜室溫下施加交流電壓U0的tanδ不超過20×10?4；制定熱循環(huán)試驗(yàn)、tanδ測(cè)量及隨后的局部放電試驗(yàn)，提出超過電纜正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體最高工作溫度5~10℃的20次熱循環(huán)試驗(yàn)中，規(guī)定熱循環(huán)時(shí)至少進(jìn)行1次在超過導(dǎo)體最高工作溫度5~10℃下施加交流電壓U0的tanδ測(cè)試，要求不超過4×10?3，且規(guī)定20次熱循環(huán)后再次驗(yàn)證室溫下施加交流電壓U0的tanδ不超過2×10?3；隨后，按照GB/T 3048.12—2007《電線電纜電性能試驗(yàn)方法 第12部分：局部放電試驗(yàn)》規(guī)定進(jìn)行局部放電試驗(yàn)。T/CEEIA 591—2022通過20次熱循環(huán)試驗(yàn)及tanδ測(cè)量，以驗(yàn)證熱塑性聚丙烯電纜在多次熱積累條件下的介電性能，同時(shí)可在一定程度上對(duì)熱塑性聚丙烯電纜長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性進(jìn)行考核；但其中，“至少進(jìn)行1次”的表述未能明確是在20次熱循環(huán)中具體哪一次進(jìn)行測(cè)試。T/CSEE 0446—2024對(duì)tanδ的要求更為苛刻，規(guī)定對(duì)于90℃和105℃導(dǎo)體最高工作溫度的電纜，超過導(dǎo)體最高工作溫度5~10℃下施加交流電壓U0的tanδ分別不超過6×10?4和8×10?4，更是表明了其提出的低介質(zhì)損耗要求。T/CSEE 0446—2024未要求在20次熱循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行tanδ測(cè)試，僅要求了熱循環(huán)后的局部放電試驗(yàn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中其余電氣型式試驗(yàn)項(xiàng)目和要求與GB/T 12706系列標(biāo)準(zhǔn)沒有明顯差異。
在非電氣型式試驗(yàn)上，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)熱塑性材料設(shè)置了區(qū)別于交聯(lián)聚乙烯熱固性材料的試驗(yàn)項(xiàng)目和考核指標(biāo)，特別是取消了對(duì)熱延伸試驗(yàn)的考核要求，其余性能要求均參考GB/T 12706系列標(biāo)準(zhǔn)。T/CEEIA 591—2022對(duì)電纜聚丙烯絕緣材料的熱塑性能作出規(guī)定，包括高溫壓力試驗(yàn)和低溫拉伸試驗(yàn)。T/CSEE 0446—2024也同樣在熱塑性能上規(guī)定了高溫壓力試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)和低溫拉伸試驗(yàn)，針對(duì)不同導(dǎo)體最高工作溫度90℃和105℃，部分試驗(yàn)要求也有所區(qū)分。T/CEEIA 591—2022在對(duì)電纜護(hù)套的非電氣型式試驗(yàn)的要求上，規(guī)定了PVC（ST2）、PE（ST7）和LSF（ST8）在尺寸、機(jī)械性能及熱塑性能等各類試驗(yàn)性能的要求。T/CSEE 0446—2024針對(duì)不同導(dǎo)體最高工作溫度90℃和105℃，規(guī)定了導(dǎo)體最高工作溫度90℃下PVC、PE、WDZ-Y、WDZT和WDZ-YJ護(hù)套非電氣型式試驗(yàn)要求，同時(shí)還規(guī)定了導(dǎo)體最高工作溫度105℃下WDZ-T和WDZ-YJ的非電氣型式試驗(yàn)要求。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中其余非電氣型式試驗(yàn)項(xiàng)目和要求均參考GB/T 12706系列標(biāo)準(zhǔn)。
兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜性能對(duì)比見表3。
表3 兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中熱塑性聚丙烯絕緣電力電纜主要性能對(duì)比
由目前的聚丙烯絕緣電力電纜及材料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)可以看出，國(guó)內(nèi)聚丙烯電纜已經(jīng)形成一定程度的發(fā)展勢(shì)頭。未來，聚丙烯電纜還需要進(jìn)一步研究，針對(duì)聚丙烯電纜和電纜材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍需要不斷完善。
聚丙烯電纜料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要通過絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料進(jìn)行區(qū)分，對(duì)絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料所適應(yīng)的導(dǎo)體最高工作溫度還存在著以90℃或105℃，亦或更高溫度的探討，更高的工作溫度能夠在一定程度上提升電纜的輸送容量，適用于負(fù)荷波動(dòng)更大的應(yīng)用環(huán)境?，F(xiàn)有研究結(jié)論表明，聚丙烯材料電氣性能在未改性之前與交聯(lián)聚乙烯幾乎持平甚至更優(yōu)，在提高機(jī)械柔軟過程中電氣性能存在一定程度的下降。因此，需要通過接枝改性、納米摻雜等手段提高電氣性能，實(shí)現(xiàn)“力電協(xié)同”效應(yīng)，同時(shí)還需要綜合考慮其余長(zhǎng)期性能與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)性。此外，現(xiàn)有的電纜料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中均取消了“熱延伸試驗(yàn)”等考核熱固性交聯(lián)聚乙烯交聯(lián)度的試驗(yàn)項(xiàng)目，增加了針對(duì)熱塑性材料的試驗(yàn)項(xiàng)目和考核要求，未來還需要更加明確熱塑性材料作為電力電纜料時(shí)的熱性能試驗(yàn)方法及要求。從目前的試驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于熱性能的考核主要通過熱變形試驗(yàn)、熱收縮試驗(yàn)或熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件還需要通過更多的實(shí)踐進(jìn)一步細(xì)化和完善。原有的交聯(lián)聚乙烯電纜或電纜料標(biāo)準(zhǔn)中僅護(hù)套料對(duì)低溫性能進(jìn)行了要求，絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料并未進(jìn)行要求。本文討論的電纜料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均明確要求開展低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為?25℃或?40℃，具體溫度考核的選擇還需要根據(jù)南北地域和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步研究和規(guī)范。
聚丙烯電纜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要還是參考GB/T 12706系列標(biāo)準(zhǔn)，在電纜絕緣混合料和護(hù)套混合料上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其更適用于導(dǎo)體最高工作溫度90℃或105℃。對(duì)于短路溫度和持續(xù)時(shí)間，仍依照交聯(lián)聚乙烯電纜IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在250℃下持續(xù)5s的試驗(yàn)方法。但是，這部分還存疑，因?yàn)榫郾┎牧蠟闊崴苄圆牧?，其熔融溫度約為160℃，當(dāng)導(dǎo)體溫度達(dá)到250℃并持續(xù)5s時(shí)，熱塑性聚丙烯基半導(dǎo)電屏蔽層和聚丙烯絕緣層會(huì)熔融，可能導(dǎo)致電纜線芯出現(xiàn)一定程度的偏芯。因此，250℃下持續(xù)5s的考核方法對(duì)于聚丙烯電纜而言是破壞性的試驗(yàn)方法，適用于交聯(lián)聚乙烯電纜，對(duì)熱塑性聚丙烯電纜的適用性，以及試驗(yàn)溫度和時(shí)間的合理性仍需進(jìn)一步研究。
IEC 62895:2017和IEC 62067:2022中對(duì)熱塑性低密度聚乙烯（low density thermoplastic polyethylene，LDPE）和熱塑性高密度聚乙烯（high density thermoplastic polyethylene，HDPE）的短路溫度及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了要求，分別為在130℃下持續(xù)5s和在160℃下持續(xù)5s，兩者的導(dǎo)體最高工作溫度分別為70℃和80℃，通常LDPE和HDPE的熔融溫度分別約為115℃和140℃。若以工作溫度作為基準(zhǔn)，則LDPE和HDPE的短路溫度與工作溫度的溫度差約為60℃和80℃；若以熔融溫度作為基準(zhǔn)，則LDPE和HDPE的短路溫度與熔融溫度的溫度差約為15℃和20℃。對(duì)于熱塑性聚丙烯電纜，參考HDPE最大溫度差，若考慮以工作溫度90℃為基準(zhǔn)，則熱塑性聚丙烯電纜短路試驗(yàn)條件應(yīng)按照170℃下持續(xù)5s；若工作溫度為105℃，則短路試驗(yàn)條件應(yīng)按照185℃下持續(xù)5s。若考慮以熔融溫度160℃為基準(zhǔn)，參考HDPE最大溫度差，熱塑性聚丙烯電纜短路試驗(yàn)應(yīng)按照在180℃下持續(xù)5s進(jìn)行。由此可知，以在250℃下持續(xù)5s為試驗(yàn)條件進(jìn)行熱塑性聚丙烯電纜短路試驗(yàn)考核在一定程度上過于苛刻，未能有效驗(yàn)證聚丙烯電纜的短路性能，且實(shí)際短路溫度和持續(xù)時(shí)間與電力系統(tǒng)整體運(yùn)行情況相關(guān)，實(shí)際短路溫度和時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到試驗(yàn)所設(shè)想的苛刻情形，因此在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中確定短路溫度和持續(xù)時(shí)間等考核條件需要慎重。為了驗(yàn)證熱塑性聚丙烯電纜在熱積累條件下的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，也可以采用多次熱循環(huán)試驗(yàn)方法，本文提及的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)提供了熱循環(huán)試驗(yàn)后考核介電性能的思路，可進(jìn)一步探索熱循環(huán)試驗(yàn)后對(duì)電纜其余性能的考核，構(gòu)建熱塑性聚丙烯電纜針對(duì)熱塑特性的試驗(yàn)體系。
本文對(duì)現(xiàn)有聚丙烯絕緣電力電纜及材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了總結(jié)和歸納，明確了聚丙烯絕緣電力電纜不同技術(shù)路線的分類，對(duì)比分析了聚丙烯電纜料和電力電纜不同團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容，討論了未來針對(duì)熱塑性聚丙烯電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定還需要進(jìn)一步探索的方向，為未來聚丙烯絕緣電力電纜的標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。具體得出以下結(jié)論。
1）從適用范圍、工作溫度、電氣性能、老化前后機(jī)械性能、熱性能、低溫性能及其余性能方面對(duì)現(xiàn)有的中壓聚丙烯電纜用絕緣料和半導(dǎo)電屏蔽料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、條件和要求進(jìn)行對(duì)比分析，得到各電纜料團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)性和差異性。
2）從適用范圍、工作溫度、電氣型式試驗(yàn)和非電氣型式試驗(yàn)等方面對(duì)現(xiàn)有的中壓聚丙烯電纜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、條件和要求進(jìn)行對(duì)比分析，得到各電纜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同技術(shù)路線和工作溫度等差異性提出的不同試驗(yàn)方式。
3）討論分析并進(jìn)一步明確聚丙烯電纜料和電纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定需要考慮的問題，針對(duì)目前業(yè)內(nèi)存疑的問題進(jìn)行簡(jiǎn)要討論，為未來標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化提供參考思路。
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來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 房久仙 盧羽佳
審核 | 何曉芳
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