乙丙橡膠絕緣電纜的發(fā)展

乙丙橡膠絕緣電纜的發(fā)展

0硫化、合丁苯橡膠19世紀(jì)，天然橡膠是世界上首次用于電纜絕緣材料的材料之一。最初是直接采用生橡膠包在銅導(dǎo)體上,也算是橡膠絕緣電纜,但成型性很差。后來發(fā)明了硫化技術(shù),將少量硫磺摻入生橡膠內(nèi),包在銅導(dǎo)體上,用蒸汽加熱電纜,經(jīng)過化學(xué)反應(yīng),硫化后的橡膠成為熱固性材料,具有較好的機(jī)械性能。后來又經(jīng)過很多改進(jìn),并摻合丁苯橡膠,天然-丁苯橡膠絕緣電纜的使用在國外大致延續(xù)到20世紀(jì)80年代,而后被其它合成橡膠取代。20世紀(jì)90年代,我國線纜行業(yè)也考慮逐步淘汰天然-丁苯橡膠,但國內(nèi)生產(chǎn)的乙丙橡膠品種不能滿足電纜絕緣要求,因而天然-丁苯橡膠絕緣電纜至今尚未消聲匿跡。1丙烯酸酯的性能1.1乙丙橡膠epd乙丙橡膠是橡膠制品工業(yè)中一項極為重要的原材料,其生產(chǎn)方法主要有溶液聚合、懸浮聚合和氣相聚合三種。近年來,世界合成橡膠生產(chǎn)能力增長變緩,乙丙橡膠生產(chǎn)量和使用量雖有一定的增長,但增長速度不大,年均增長4%左右。目前全球乙丙橡膠的總生產(chǎn)能力約為150萬t/a,2004年總消費量約為90萬t,2006年總消費量約為100萬t,2008年約為115萬t。2006年我國需求總量約10.5萬t,而產(chǎn)量僅為2萬t。2008年消耗量約比2006年增加9%,而國內(nèi)產(chǎn)量并未大幅增長,由此看出乙丙橡膠進(jìn)口量很大,用于電纜絕緣的乙丙橡膠基本上都采用進(jìn)口料。我國三元乙丙橡膠(EPDM)主要由吉化公司生產(chǎn)。在合成橡膠中,乙丙橡膠價格屬于中等,約為25000元/噸,但有一些牌號的價格還要高些。汽車工業(yè)耗用量占乙丙橡膠的大部分,乙丙橡膠主要用于汽車的密封條和輪胎。以500萬輛汽車計算,乙丙橡膠的消耗量約為3.3萬t。我國電纜行業(yè)乙丙橡膠的用量逐年增加,已超過1萬t。1.2電纜當(dāng)事人具有運動和耐水分析性能電纜絕緣用乙丙橡膠典型的物理、機(jī)械性能參見表1。乙丙橡膠具有如下性能優(yōu)點:(1)低密度、高填充性。EPDM生膠的密度可低至0.86g/cm3,是目前工業(yè)化生產(chǎn)的合成橡膠中密度最小的一種,可大量填充油料或其他填充劑,因而可降低電纜的成本。(2)耐熱性、耐氣候性和顏色穩(wěn)定性好。乙丙橡膠絕緣電纜在120℃下可長期使用,在150～200℃下可短暫或間歇使用。考慮到電纜的使用壽命在40年以上,并確保降低導(dǎo)體電阻引起的損耗,乙丙橡膠絕緣電纜的長期使用溫度規(guī)定為85～90℃,短時使用溫度為130℃,短路時溫度為250℃。(3)耐臭氧。經(jīng)過氧化物交聯(lián)的EPDM可在更苛刻的條件下使用,在臭氧濃度為5×10-5、拉伸長度30%的條件下,150h不產(chǎn)生龜裂。(4)耐腐蝕。乙丙橡膠對各種極性化學(xué)品,如醇、酸、堿、氧化劑、制冷劑、洗滌劑、動植物油以及酮等,均有較好的耐腐蝕性,但在脂屬和芳屬溶劑(如汽油、苯等)及礦物油中穩(wěn)定性較差,在濃酸長期作用下性能也會下降。(5)耐水蒸氣和耐過熱水。乙丙橡膠有優(yōu)異的耐水蒸氣性能,在230℃過熱蒸氣中放置100h后外觀無變化,而氟橡膠、硅橡膠、氟硅橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、天然橡膠在同樣條件下,即使經(jīng)歷較短時間,外觀也會明顯劣化。乙丙橡膠耐過熱水性能也較好,但與其生產(chǎn)時所用的硫化系統(tǒng)密切相關(guān)。以二硫代二嗎啡啉、二硫化四甲基秋蘭姆(TMTD)為硫化系統(tǒng)的乙丙橡膠,在125℃過熱水中浸泡15個月后,力學(xué)性能變化很小,體積膨脹率僅為0.3%。從表面上看,耐水蒸氣和耐過熱水性能與電纜絕緣直接關(guān)系不大,但對于核電站用1E級K1類電纜、發(fā)電成套設(shè)備中過熱水泵用繞組電纜等特殊電纜卻極為關(guān)鍵。(6)阻燃性好。低密度EPDM本身不屬于阻燃材料,其氧指數(shù)約為20%,但通過配方可以調(diào)整其極限氧指數(shù)。例如采用聚磷酸銨和季戊四醇膨脹阻燃體系的EPDM,同時再添加20份阻燃劑籠形八苯基硅倍半氧烷,則EPDM的阻燃性能和力學(xué)性能均有提高,其極限氧指數(shù)由20.6%提高到24.2%。(7)柔軟性好。由于乙丙橡膠分子結(jié)構(gòu)中不含極性取代基,分子內(nèi)聚能低,分子鏈可在較寬范圍內(nèi)保持柔順性,因此其柔軟性僅次于天然橡膠和順丁橡膠,即使在低溫下也能保持一定的柔軟性,在-60℃時不會變脆。(8)絕緣電阻對溫度變化的敏感性較小。由于直流電纜的電場分布與各點的絕緣電阻有關(guān),因此絕緣電阻的穩(wěn)定性能對直流電纜極為有利。但多數(shù)高分子材料的絕緣電阻對溫度變化的敏感性較大,如從20℃到90℃,聚氯乙烯體積電阻率變化接近4個數(shù)量級。而乙丙橡膠的絕緣電阻對溫度變化的敏感性較小,同等條件下其降低量僅約50%,具體的數(shù)據(jù)參見表2。2不一定低壓中、小規(guī)格電解電纜的生產(chǎn)技術(shù)乙丙橡膠電纜的硫化(交聯(lián))工藝共有以下四種:(1)高壓蒸汽連續(xù)硫化法和低壓蒸汽硫化法。無論是三層共擠或單層擠出絕緣均已證實采用蒸汽硫化不影響電纜的使用壽命。高壓蒸汽硫化法是中、低壓電力電纜最常用的連續(xù)硫化工藝;低壓蒸汽硫化法需要硫化缸,不屬于連續(xù)硫化工藝,該方法基本上已淘汰,但對于小型電線廠制造低壓中、小規(guī)格電線,仍是比較經(jīng)濟(jì)的硫化方法。(2)鹽浴槽硫化法。對于中、低壓電力電纜,鹽浴槽硫化法的硫化效果很好。雖然該方法總的設(shè)備投資比懸鏈線式硫化法低得多,但對于小規(guī)格電線生產(chǎn)并不合適,也不一定經(jīng)濟(jì)。(3)硅烷交聯(lián)法。硅烷交聯(lián)乙丙橡膠是一種比較新型的材料,其具體的生產(chǎn)工藝有兩種:a.浸入60～70℃熱水中進(jìn)行交聯(lián);b.暴露在約15kPa低壓水蒸氣中進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)時間由電纜的絕緣厚度而定,絕緣厚度0.7～1.2mm的電纜,交聯(lián)時間需要4～8h;絕緣厚度3.4mm的電纜,在60℃水中交聯(lián)時間需100h;絕緣厚度8mm的電纜,在60℃水中交聯(lián)時間需300h。絕緣厚度較厚的電纜雖然在理論上也可以完成交聯(lián),但因其所需的交聯(lián)時間太長,大多數(shù)生產(chǎn)廠家不愿意采用。此外,中壓電纜用的硅烷交聯(lián)屏蔽料的交聯(lián)度很低,與蒸汽交聯(lián)相比,硅烷交聯(lián)屏蔽料的熱延伸性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。(4)輻照交聯(lián)法。輻照交聯(lián)乙丙橡膠目前正在開發(fā),這對于小規(guī)格線纜絕緣芯的生產(chǎn)十分有利。3橡膠乙二醇電纜的性能和實驗3.1對乙丙橡膠進(jìn)行加速壽命試驗20世紀(jì)80年代,美國為證實乙丙橡膠用于電力電纜絕緣的可靠性,試制了線電壓為13.8kV的中性接地系統(tǒng)乙丙橡膠電力電纜。三根電纜(單芯)的截面積分別為1000MCM(507mm2)總長4.4km、500MCM(253mm2)總長9.3km、AWG4/0(107mm2)總長2.6km;絕緣厚度為0.175英寸(4.45mm)。這三種規(guī)格具有結(jié)構(gòu)和工藝的代表性。系統(tǒng)24h連續(xù)運行,運行結(jié)果證明乙丙橡膠絕緣材料的質(zhì)量很重要,優(yōu)質(zhì)乙丙橡膠絕緣電纜經(jīng)過10a使用,在每隔幾年進(jìn)行的直流電壓維護(hù)試驗中均未發(fā)生擊穿;然而另一些普通乙丙橡膠絕緣電纜,在同樣條件下經(jīng)8a使用后就發(fā)生了故障,或者在進(jìn)行直流電壓維護(hù)試驗中被擊穿。另一項研究工作是在嚴(yán)酷環(huán)境下進(jìn)行的電纜加速壽命試驗。試驗結(jié)果同樣證明,優(yōu)質(zhì)的乙丙橡膠絕緣的耐久性至少超過耐水樹交聯(lián)聚乙烯的4倍,也至少超過普通交聯(lián)聚乙烯的12倍。加速壽命試驗是選用全尺寸電纜,電纜由工廠生產(chǎn)設(shè)備制造,試驗采用了有效的大樣本,平均失效天數(shù)用韋伯統(tǒng)計分析獲得,因此這樣的試驗方案可不必對試驗結(jié)果進(jìn)行修正。電纜加速壽命試驗的試驗條件和試驗結(jié)果參見表3和表4。將該試驗結(jié)果與多年的現(xiàn)場電纜運行情況對比,我們認(rèn)為試驗結(jié)論是可以接受的。對于高壓電纜,材料介質(zhì)損耗形成的傳輸功率損耗不可忽視。乙丙橡膠的介質(zhì)損耗正切tanδ比交聯(lián)聚乙烯大,因而在同樣絕緣結(jié)構(gòu)情況下,它的傳輸功率損耗要大一些。通過增加乙丙橡膠絕緣的厚度可以減小電纜的電容,降低傳輸功率損耗,但電纜的成本會相應(yīng)提高。通常國際上認(rèn)為乙丙絕緣電纜的電壓等級限制在150kV左右為宜。3.2磁懸浮長轉(zhuǎn)子電纜的簡介敷設(shè)于磁懸浮列車軌道中的長定子繞組電纜(如圖1所示)敷設(shè)時的彎曲半徑很小,要求電纜非常柔軟,同時對電纜的電性能要求也很高,因此選擇了乙丙橡膠絕緣電纜。磁懸浮長定子繞組電纜的額定電壓為10kV、1.75kV(考慮20kV),額定工作溫度為90℃,鋁導(dǎo)體的截面積為300mm2,并設(shè)計成緊壓的異形結(jié)構(gòu)。磁懸浮長定子繞組電纜的絕緣、導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽均以乙丙橡膠為基料,電纜無金屬屏蔽層,護(hù)套為導(dǎo)電型氯丁橡膠。我國研發(fā)的磁懸浮長定子繞組電纜通過了型式試驗和研究性試驗,且試運行情況良好,為磁懸浮長定子繞組電纜的制造奠定了基礎(chǔ)。磁懸浮