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)略目標的不斷深化，承擔城市輸配電重任的電力電纜正經歷著綠色化、低碳化的關鍵性變革。傳統(tǒng)交聯聚乙烯（XLPE）電纜絕緣生產過程耗能大、不可回收的缺點嚴重限制了其可持續(xù)性發(fā)展。聚丙烯基（PP）環(huán)保型電纜絕緣因其生產過程耗能少、退役可回收，成為了近年來國內外的研究熱點。

然而，PP絕緣的室溫模量遠高于XLPE絕緣，造成了電纜敷設安裝的困難。通過彈性體改性增韌后，非交聯PP絕緣機械模量的溫度穩(wěn)定性又會發(fā)生較大的劣化，導致實際運行中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，西安交通大學電氣學院、電工材料電氣絕緣全國重點實驗室李建英教授課題組聯合中國科學院化學所、中國電力科學院、燕山石化、江蘇上上電纜集團等單位，在共聚聚丙烯（IPC）絕緣的多相結構中引入了多重長鏈支化（LCB）結構，實現了環(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%。

該工作認為LCBIPC能夠通過增強分子鏈段的纏結效應來抑制無定形區(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行可靠性提供了重要的理論和技術支撐。

圖2 多重長鏈支化結構的設計、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）剪切流變表征結果；（d）機械模量的溫度依賴特性；不同溫度下的（e）熱變形率及（f）熱蠕變量結果；（g）熱變形率及熱蠕變量的高溫機械模量依賴特性；（h）長鏈支化共聚聚丙烯高溫機械模量與文獻結果的對比；長鏈支化共聚聚丙烯（i）交流擊穿強度的溫度依賴特性及（j）體積電阻率結果

研究團隊研發(fā)了原位聚合聚丙烯絕緣料和半導電屏蔽料，形成了20萬噸/年的連續(xù)穩(wěn)定生產能力，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，實現了可剝離屏蔽中壓電纜設計和穩(wěn)定制造；提出了電纜料性能評價指標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準化體系。經測算，新型電力電纜較傳統(tǒng)電力電纜的制造成本降低17%，生產能耗降低45%。

在國家電網公司設備部的統(tǒng)籌下，中國電力科學研究院牽頭制定了標準化聚丙烯絕緣電力電纜設計、技術規(guī)范、入網檢測要求，能夠支撐35kV及以下電力電纜工程批量化推廣和穩(wěn)定運行。2023年5月，團隊的項目技術成果“聚丙烯絕緣材料原位聚合與電力電纜制造關鍵技術”通過中國電力企業(yè)聯合會鑒定。

上述研究成果以“采用多重長鏈支化結構顯著提升環(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《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。該工作得到國家自然科學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。