110kV交联聚乙烯绝缘电缆去气研究

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1、110kV 交联聚乙烯绝缘电缆去气研究冯涛，李斌，李浩浩，董琦（江苏上上电缆集团，江苏 溧阳 213300）摘 要：通过热失重法及气相色谱法分别研究电缆副产物含量及分布，结合实际生产状况对影响电缆去气时间的诸多因素进行了系统研究，为去气工艺的改进提供了数据支持。关键词：交联聚乙烯绝缘电缆；去气；热失重；气相色谱；甲烷The Reserch Of Degassing about 110 kV XLPE CableFeng Tao，Li Hao-hao，Dong Qi（Jiangsu Shangshang Cable Group，Jiangsu Liyang 213300，China）Abstra

2、ct： Studied the content and distribution by-products of cable by thermogravimetry and gas chromato- graphy analysis, combined with actual production conditions, comprehensively researched the affecting factors of cable degassing time, provided data support for improved degassing process.Key Words： X

3、LPE cable；degassing；Thermogravimetry；GC；Methane1 引言聚乙烯（PE）是一种通过乙烯气体聚合而制造的长链聚合物，由于其结构上的特征，聚乙烯工作温度不高，机械强度不足，限制了其在许多领域的应用。PE通过过氧化二异丙苯（DCP）催化交联，使长链分子发生链接，形成三维立体网状结构，转变成一种机械强度大、电性能相似、工作温比PE高的材料交联聚乙烯（XLPE）。然而在交联反应过程中产生的副产物包含一些易挥发、易燃的不稳定物质，如苯乙酮、枯基醇、甲烷和水等低沸点的小分子物质，是造成电缆绝缘性能不稳定以及影响产品使用性能的主要因素，因此对高压电缆来说，在交联结束

4、后进行充分的去气是十分必要的。绝缘线芯去气是交联电缆生产中的重要工序之一，但目前这方面的研究尚有欠缺，多数电缆制造厂商对110kV电缆去气所做的验证工作少之又少。因此，研究电缆去气存在的问题及其可能的解决办法就变的尤为重要了。在开始本文之前，需要对所用的概念再明确一下。我们通常把去除交联反应副产物的过程叫做“去气”，尽管在此过程中把气体副产物（主要是甲烷）去除了，但这并是“去气”的唯一效果。在去气过程中，所有的副产物都会发生再分布现象，固体状和蜡状副产物(苯乙酮和枯基醇)的数量也会低，电缆内应力也会消除。因此，本文中使用 “去气”这一术语时，我们的意思是指所有交联副产物的减少和再分布，而仅仅是

5、指气态副产物的去除1。2 试验结果与讨论2.1 试验1不同温度下110kV 800 mm2电缆绝缘线芯的热失重取110kV常用规格电缆800mm2线芯9段，冲掉导体，两端用刨片机削切平整，将样品清理干净，减少测量误差，分别在65、70、75的老化箱中各放3段，每24小时用分析天平称重一次，并做好记录。图1是不同温度下电缆线芯在每经24小时的热失重。横坐标代表去气时间，纵坐标代表每100g电缆中气体的损失量。可以看出，经过168h后曲线下降趋势平坦，但气体并没有溢出完全。图1. 不同温度下电缆绝缘线芯各时间段的热失重 图2. 不同温度下电缆绝缘线芯总质量损失 从图1还可以看出，在三种温度下气体损

6、失的最大值均是在前24小时，其中75气体损失最多，约0.365%电缆，70和65质量损失分别为0.315%和0.242%。图2是试样总质量损失，从图2可以看出，经历168小时后，65、70、75总质量损失分别为0.648%，0.799%和0.886%；经过960小时后，70和75两条曲线基本平缓，说明试样质量基本不再变化，此时的质量损失为1.32%，而65的曲线斜率依然较大，质量损失只有1.18%，由此来看，温度对电缆绝缘内副产物的去除影响显著。2.2 试验2 不同温度下110kV 630 mm2电缆绝缘线芯的热失重方法同试验1，取生产的630mm2电缆线芯9段，分别放在65、70、75的老化

7、箱中各放3段，每隔24小时用分析天平称重一次，并做好记录，根据试验数据绘制去气曲线图如下。 图3. 不同温度下电缆绝缘线芯各时间段的热失重图4. 不同温度下电缆绝缘线芯总质量损失由上图可以看出，数据与试验1一致，试样在65、70、75的老化箱中经过168小时质量损失分别为0.629%、0.768%和0.875%，与800mm2线芯接近但略低于800mm2试样的质量损失。这由于一方面800 mm2绝缘体积比630 mm2大，副产物自然会多一些，另一方面由于800 mm2电缆导体截面比630 mm2大而绝缘厚度比630 mm2略小，利于副产物的挥发，所以，经历相同去气时间，800mm2比630 m

8、m2质量损失多。2.3 试验3热失重法测量电缆副产物含量 由试验1和试验2可知，若想知道绝缘中副产物的确切含量，采用取整段电缆进行热失重分析是不可行的，从图2可已看出，即便在75条件下，经过960小时后，试样的质量损失仍在进行。为此，设计了本试验：分别在未去气处理的110kV 500mm2绝缘层内、中、外位置切片，厚度0.9-1.0mm左右，为消除测量误差，绝缘内、中、外三层各取5片，放在70的老化箱中热处表1 试片质量热损失（mg）试样编号0 h24 h(70)48 h(70)24 h(135)绝缘层内层1#565.1557.1557.1557.1绝缘层内层2#628.3619.5619.7

9、619.7绝缘层内层3#541.7534.1534.2534.2绝缘层内层4#602.4593.8593.6593.6绝缘层内层5#518.7511.3511.2511.2绝缘层中层1#510.5502.8502.8502.8绝缘层中层2#617.7608.8608.1608.1绝缘层中层3#597.7589.1588.9588.9绝缘层中层4#605.7597.0596.7596.7绝缘层中层5#571.4563.2562.9562.9绝缘层外层1#521.7515.1515.3515.3绝缘层外层2#565.1557.8557.7557.7绝缘层外层3#668.5660.5660.3660

10、.3绝缘层外层4#578.7571.7571.6571.6绝缘层外层5#499.4493.6493.5493.5理，每24小时记录一次，数据整理如表1所示。由表1可知，第二列与第三列数据几乎没有变化，说明切片在24小时内副产物完全挥发。将老化箱温度升至135后试样再放置24小时，重新用分析天平称重，重量同样没有变化，说明电缆在70脱气完成后，进一步提高试验温度，并不能增加副产物的溢出量，说明副产物的溢出已趋于稳定23。根据质量损失率公式 (1)计算各试样质量损失率，如表2所示。表2 试片质量热损失率试样编号去气前重量W0（g）去气后重量W1（g）热损失率（%）绝缘层内层1#565.1557.1

11、1.416绝缘层内层2#628.3619.51.401绝缘层内层3#541.7534.11.403绝缘层内层4#602.4593.81.428绝缘层内层5#518.7511.31.427绝缘层中层1#510.5502.81.508绝缘层中层2#617.7608.81.441绝缘层中层3#597.7589.11.439绝缘层中层4#605.7597.01.436绝缘层中层5#571.4563.21.435绝缘层外层1#521.7515.11.265绝缘层外层2#565.1557.81.292绝缘层外层3#668.5660.51.197绝缘层外层4#578.7571.71.210绝缘层外层5#49

12、9.4493.61.161由表2可知，电缆平均质量损失率为1.363%。将内、中、外三层分开来看，其热损失率平均值分别为1.414%，1.450%和1.225%。其中中层损失最多，外层最少，说明电缆经硫化管道交联后绝缘层中副产物残留在中层最多，外层最少。这是由于在绝缘料挤出之初，过氧化物分布是均匀的，在绝缘厚范围内副产物的含量大体上是恒定的，然而交联之后，随着时间的推移，副产物的分布会发生变化，它们将会扩散到电缆外部：首先是从外层向外扩散，通过外屏蔽层扩散到空气中；然后从内层向外散发，通过内屏蔽层扩散到导体缝隙中。这一扩散过程是从硫化管的加热段内开始的，但离开硫化管之后已基本上再向外散发，故电

13、缆绝缘内、外层副产物残留少，中间层残留多。2.4 试验4 气相色谱法（GC）测量电缆副产物含量热失重法具有操作简单，不需要昂贵的试验设备，电缆厂家可自己完成，但缺点是能分离各种副产物、达到平衡的时间较长等特点，另外其精确度也一直被人怀疑。本试验采用气相色谱法进行了多次试验，精确测量出副产物及其含量。为了和热失重法相比较，本次试验也取相同工艺生产的未经去气处理的110kV 500mm2电缆线芯，生产结束后立即取样用铝箔密封包扎送陶氏化学进行气相色谱分析。副产物含量测试如下表。表3 未去气试样副产物含量（Wt%）试样编号甲烷苯乙酮枯基醇绝缘层外层1#0.02780.4950.867绝缘层外层2#0

14、.02230.4910.859绝缘层中层3#0.03950.4960.893绝缘层中层4#0.04070.4970.928绝缘层内层5#0.03860.4210.887绝缘层内层6#0.02870.3350.736绝缘层内层7#0.03380.3560.777由表3可以看出，甲烷含量平均值为0.0331%，苯乙酮含量为0. 442%，枯基醇含量为0.850%。从副产物在绝缘层的分布来看，外层甲烷含量0.0251%，苯乙酮含量为0. 493%，枯基醇含量为0.863%；绝缘中层甲烷含量0.0401%，苯乙酮含量为0. 497%，枯基醇含量为0.911%；绝缘内层甲烷含量0.0313%，苯乙酮含量

15、为0. 346%，枯基醇含量为0.757%，依然是中层最多，内层次之，外层最少。由表3可知，用气相色谱法测得交联后副产物含量平均值为1.33%，若将水分等其他副产物考虑进去，与热失重法测量值相当（1.36%）。说明在某些电缆制造厂家若条件不具备做气相色谱分析的条件下，采用热失重的方法，将试验设计周全，得出的数据仍然具有较高的参考价值，只是无法分离各副产物的具体含量。表4为630 mm2、1000 mm2电缆按我公司去气工艺去气后取样用气相色谱法分析各副产物在不同绝缘层中的残留量。表4 去气室去气后试样副产物含量（Wt%）试样编号甲烷苯乙酮枯基醇630mm2绝缘层外层ND0.0350.06163

16、0mm2绝缘层中层ND0.0660.220630mm2绝缘层内层ND0.0760.3091000mm2绝缘层外层ND0.0380.0801000mm2绝缘层中层ND0.0740.2711000mm2绝缘层内层ND0.0680.303注： ND表示Not Detected，未检出。由表中数据可知，按现行去气工艺，去气结束后已经无法检测到甲烷含量，苯乙酮和枯基醇的含量也是很低的数值。前面已经讲到，部分副产物在受热时以气态的形式挥发出来，在电缆金属护套中积聚，使护套承受较大的压力，尤其在电缆中间接头部位，为防止受力变形，必须将压力控制在一个可靠的水平，根据电缆附件厂家提供的经验，110kV电缆允许承

17、受压强为0.3bar。由于副产物中苯乙酮和枯基醇沸点高，分子量大，所以挥发出的气体产生的压强主要是甲烷在起作用，行业内一般认为甲烷含量在50ppm以下是安全的。图5是用GC法测得240mm2电缆在去气室不同去气时间取样测试甲烷含量。图5 去气时间甲烷含量由上图可以看出，去气5天的样品甲烷含量为28ppm，属安全可靠范围。2.5 试验5 去气电缆盘不同位置甲烷含量测试（GC法）为验证同一去气盘内不同位置线芯的去气情况，特取一盘规格为240mm2的电缆，长度约1300m放去气室去气。去气结束后，分别在电缆盘的端头、中间及尾端三处取样，取样后对样品做好标记采用气象色谱法分别测试甲烷含量。表5 GC法

18、测量去气盘不同位置甲烷含量（ppm）试样编号绝缘内层绝缘中层绝缘外层电缆盘端头6.1611.694.73电缆盘中间8.3013.866.89电缆盘尾端6.4510.964.90从上表可以得出以下结论：（1）横向比较，各端头甲烷含量中间层最高，内层次之，外层最低；（2）纵向比较，在各层中，电缆盘中间端电缆甲烷含量最高，端头最低。这是由于气体的挥发与温度及周围环境浓度有关。在电缆盘的外层温度高，空气流通性好，挥发出的气体较易扩散开，电缆周围CH4的浓度低，利于电缆绝缘内CH4的挥发，故测得的CH4残留量低；而随着电缆长度的增加，在电缆盘的内层，空气流通性差，不利于挥发出的CH4向周围扩散，另外越往

19、电缆盘的内层，温度会略低，也不利于CH4的挥发，故位于电缆盘的中间段位置甲烷含量会略高。（3）总体来讲，甲烷含量在14ppm以下，远低于50ppm，经过多次验证，测试结果基本一致。3 结论（1）去气过程中，不仅甲烷会挥发，苯乙酮醇和枯基醇的量也会降低；副产物在绝缘层中的分布并不均衡，副产物从电缆绝缘层的内、外表面扩散的速同，大部分扩散发生在绝缘外表面；（2）温度对去气速度影响明显，不同截面电缆去气速度也不一样，在去气电缆盘不同位置，去气效果有所不同；（3）采用热失重法具有一定的参考价值，只要试验设计合理，数据准确性较高，但是无法分离各副产物含量；4 问题展望对于高压电缆而言，需要一个较长的生产

20、周期，这主要是因为去气工序占用了近一半的时间，产多少和生产时间长短取决于去除副产物（去气）的方法。选用最合适的去气方法，可确保电缆制造商及时按数量交货，并且可以减少资本投资。通过对去气问题及其可能的解决办法有了全面的了解，可为今后提高生产效率和保证产品质量提供依据。影响电缆去气的因素具有多样性，电缆制造厂家有必要在该领域多做一些试验研究工作，以验证目前所用去气工艺的合理性，或结合自身绝缘线芯生产工艺对去气工艺进行必要的调整。希望能有更多的电缆制造厂家进行这方面的研究。参考文献1 T. Andrews, R. N. Hampton,etcThe Role of Degassing in XLPE PowerCable ManufactureJIEEE Electrical Insulation Magazine，2006，(22)：5-16 2 胡少中，蒋志华交联聚乙烯电缆绝缘热历程中的质量损失J电线电缆，2003，(4)：29-31 3 黄一兰浅析交联聚乙烯电缆绝缘热处理过程中的失重J露天采矿技术，2004，(3)：31-35作者简介：冯涛(1980-)、男、山东济宁人，助理工程师，工学硕士，主要从事高压电缆研发工作。通讯地址：江苏省溧阳市昆仑经济开发区上上路68号，邮编213300，联系电：13776397905，Email：ftnihao。