可交联PE电缆用半导电屏蔽料开发现状

鄢薇，甄建，薛志刚

（1.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司质量监督检验中心，北京市 102500；

2.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司树脂应用研究所，北京市 102500）

可交联PE电缆用半导电屏蔽料开发现状

鄢薇1，甄建2，薛志刚1

（1.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司质量监督检验中心，北京市 102500；

2.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司树脂应用研究所，北京市 102500）

综述了可交联聚乙烯（XLPE）电缆用半导电屏蔽料的国内外开发现状，介绍了不同等级XLPE电缆用半导电屏蔽料的原料生产工艺、相关设备、相关标准要求以及国外先进的检验测试方法等，列举了北欧化工公司和美国陶氏化学公司不同等级半导电屏蔽料的牌号和性能。目前，国内只能生产35 kV及以下的电缆屏蔽料，而国外能够生产110 kV及以上电缆屏蔽料。国内开发110 kV以上XLPE电缆屏蔽料是非常有市场前景的。

交联聚乙烯 屏蔽料 电缆

目前，国内外将可交联聚乙烯（XLPE）作为生产中高压电缆绝缘层的首选材料，XLPE电缆普遍采用内、外半导电屏蔽层和中间绝缘层共挤出工艺。半导电屏蔽层是交联电缆尤其是高压交联电缆中不可或缺的一部分，是电缆中用于保护主绝缘层不被破坏的半导电复合材料，其性能直接决定交联电缆的品质。根据应用的电压等级分为低压（35 kV以下）、中高压（66～110 kV）、高压（110～220 kV）、超高压（＞220 kV）电缆屏蔽料。交联电缆半导电屏蔽层的光洁性、屏蔽层与绝缘层的黏结、半导电屏蔽料中的杂质等对交联电缆的性能影响很大。在电缆中使用内、外半导电屏蔽层主要作用是使电场分布均匀，降低电场强度，减少导体与绝缘层交界面上的气隙，提高电缆起始电晕放电和电缆耐游离放电性能，并在一定程度上降低绝缘层的温升，保护主绝缘[1-3]。

1 电缆屏蔽料市场状况

1.1 国外电缆屏蔽料生产状况

半导电屏蔽料是生产中高压及以上交联电缆必须的配套材料，国外已有不少聚烯烃制造商开发并生产。日本住友化学株式会社、英国石油阿莫科公司等都是中低压电缆屏蔽料的供应商，目前，只有北欧化工有限公司（简称北欧化工）、美国陶氏化学公司（简称陶氏化学）以及韩国韩华集团可以供应110 kV以上的电缆屏蔽料，特别是北欧化工和陶氏化学是110 kV以上XLPE电缆用半导电屏蔽料的主要供应商，一直统领高压和超高压电缆屏蔽料市场。近两年，韩华集团引进德国科倍隆集团的技术后成功开发了110 kV以上XLPE电缆用半导电屏蔽料，韩华集团110 kV以上的屏蔽料在中国市场定价约为3.0万元/t，北欧化工和陶氏化学的110 kV的屏蔽料价格为3.7万元/t。

1.2 国内电缆屏蔽料生产状况

由于高压和超高压屏蔽料对生产设备、环境等要求非常高，国内大多数电缆屏蔽料生产厂家只能生产35 kV及以下的XLPE电缆用屏蔽料，采用三层共挤的方式生产电缆。也有个别实力雄厚的厂家[如苏州双虎高分子材料公司（简称苏州双虎）]致力开发110 kV以上XLPE电缆用半导电屏蔽料，目前正在实验阶段，并未大规模生产。

国内厂家多用德国BUSS公司制造的挤出机生产电缆屏蔽料。该挤出机有两个下料口，一个用于乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）原料，另一个用于炭黑料，这种下料方式减少了炭黑的挥发。很多厂家还采用密炼机和挤出机联用，先将炭黑、白油、助剂等密炼后，再与EVA原料混合造粒。2011年，我国35 kV以下电缆屏蔽料产量约为150 kt，表1中屏蔽料生产商的产量占整个35 kV以下电缆屏蔽料市场的60%。

表1 国内35 kV及以下电缆屏蔽料的主要生产厂家Tab.1Main manufacturers of shielding materials for cables of 35 kV and below in China

2 电缆屏蔽料生产工艺及设备

生产高压和超高压XLPE电缆用半导电屏蔽料对厂房、挤出设备、原料、助剂要求苛刻，目前，国内尚无测试高压和超高压电缆屏蔽料各项性能的相应标准，国际上公认的高压和超高压XLPE电缆屏蔽料的测试标准主要为国际电工标准（IEC）60840—1999（适用于45～150 kV电缆）和IEC 62067—2001（适用于220～550 kV电缆）。

2.1 电缆屏蔽料生产工艺

110 kV电缆屏蔽料对生产环境的要求是：温度小于40℃，空气湿度小于80%。工艺过程包括喂料、挤出造粒、浸润、装料等，其中，喂料单元包括原料料斗、炭黑料斗、添加剂料斗、除尘过滤器。将乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、炭黑、聚乙烯蜡以及其他助剂经过带有自动称量的料斗加入双螺杆挤出机中，炭黑料斗带有自动除尘装置，可以降低炭黑的杂质含量，除尘过滤器可以通过逆流的净化空气进行吹扫，挤出后的物料通过齿轮泵（使高压熔融物料降低到最佳操作压力），再通过直管到达换网器（过滤），经过水环切粒后干燥，直接进入浸润料仓浸润一定时间，干燥后包装。

2.2 国内35kV以下XLPE电缆屏蔽料的生产工艺

国内35 kV以下XLPE电缆用半导电屏蔽料生产厂多使用密炼机把EVA、炭黑及其他助剂密炼、挤出造粒，用过氧化二异丙苯浸润后吸收、干燥、包装；BUSS挤出机有自动计量部件加料。相对于BUSS挤出机，密炼机效率低且污染环境，但BUSS挤出机对原料要求较高。

3 XLPE电缆用半导电屏蔽料指标和相关牌号

3.1 不同压力等级XLPE电缆用半导电屏蔽料指标

35，110 kV的XLPE电缆用半导电屏蔽料指标见表2，表3。

3.2 物料性能检测

3.2.1 光洁度

电力电缆中，绝缘层和半导电层界面间的光洁程度是影响电缆寿命的重要因素显而易见。界面越光洁，在较高的操作电压下电缆的寿命就越长。通常，半导层的突起会引起局部电场的压力升高，于此同时，产生树结构的概率也会增加。由半导层突起引起的电场提高与突起的形状和尺寸都有关系，因此必须测量突起的高度和顶部的半径[6]。

表235 kV XLPE电缆用半导电屏蔽料指标[4]Tab.2Specifications of semiconducting shielding materials for 35 kV XLPE cablesa

表3110 kV XLPE电缆用半导电屏蔽料指标[5]Tab.3Specifications of semiconducting shielding materials for 110 kV XLPE cables

最便利和可重复进行电缆屏蔽料质量控制和分级的方法为W50参量法[7]。W50定义为突起一半高度的宽度。一般W50是高度的许多倍。这里的突起比周围的表面高出一个数量级。北欧化工部分产品的突起测试情况见表4。

3.2.2 其他测试

剥离绝缘屏蔽的剥离性能测试主要有三个标准[8]：法国国家标准（NF C33—223—1998）以50 mm/min，180°角从绝缘层上剥离一个1.00 cm的绝缘屏蔽所需的力；IEC 60502—2—2005以250 mm/min，180°角从绝缘层上剥离一个1.00 cm的绝缘屏蔽所需的力；美国爱迪生照明协会（AEIC）/美国绝缘电缆工程师协会（ICEA）的测试方法是以780 mm/min，90°角从电缆上剥离1.25 cm绝缘屏蔽所需的力。

水树现象是电缆屏蔽料中常出现的问题，实际上反映埋地电缆的长时间运行性能。而典型的规范（如IEC）并不要求电缆测试接近实际运作条件。20世纪80年代中期，由AEIC与电缆生产商一起开发的一个质量测试已经被细化，最近作为国际标准（ICEA S—94—679—2004）受到重视。该测试主要集中在一年时间的“湿老化”：15 kV，53 mm2的电缆核心（没有护套）浸泡在装有水的聚氯乙烯管中；该测试涉及到加速水树（AWTT）测试。紧接着干热载荷循环去除副产物，12个电缆试样在水中和加载循环下老化120，180，360天；45℃下，每8 h为一循环。目的是为了在接近于实际操作条件下测试电缆性能。国家电力工业部电气设备质量检测中心可以进行这类测试，如测试抗水树XLPE电缆的老化性能[9-14]。

3.3 北欧化工和陶氏化学XLPE电缆用半导电屏蔽料各等级牌号

北欧化工和陶氏化学针对电缆的应用环境开发出相应的半导电屏蔽料牌号。由表5可知：中压XLPE电缆用半导电屏蔽料的经典牌号LE0592和LE0595是可同时用于内、外屏蔽的抗水树型屏蔽料，而经典牌号LE4201R是可以同时用于内外屏蔽的高效型屏蔽料。

陶氏化学可以生产电力电缆用的低、中、高压等各类标准的电缆屏蔽料。由表6可知：中压XLPE电缆屏蔽料牌号HFDA-0587BK是陶氏化学的经典牌号，是可同时用于内、外屏蔽的高效型电缆屏蔽料。而HFDA-0801 BK EC HV是可同时用于高压和超高压的XLPE电缆的内、外屏蔽料牌号。

4 XLPE电缆用半导电屏蔽料的原料

4.1 EVA国内市场状况

35 kV以下的XLPE电缆用半导电的内外屏蔽料基本以EVA为主要原料，w（EVA）约为60%。2010年，EVA的市场需求以15%的速度递增，造成EVA树脂市场告紧。2011年，整个半导电屏蔽料市场达110 kt左右。

表4 北欧化工一些牌号的突起测试情况Tab.4Test results of pimple-like protuberances of some shielding material grades made by Borealis

表5 北欧化工XLPE电缆用半导电屏蔽料牌号[15]Tab.5Semiconducting shielding material grades for XLPE cables made by Borealis

表6 陶氏化学XLPE电缆用半导电屏蔽料牌号[16]Tab.6Semiconducting shielding material grades for XLPE cables made by Dow

XLPE电缆用半导电内屏蔽电缆料所用EVA牌号主要为：美国杜邦公司的260；韩国三星化工集团的180F；韩华集团的430；扬子石化-巴斯夫有限责任公司的V5110J。外屏蔽电缆料所用EVA牌号主要为：美国杜邦公司的265；中国台湾塑料工业股份有限公司的7470；日本住友化学的KI-31；韩华集团的1826，1828；韩国湖南石化有限公司的410，扬子石化-巴斯夫有限责任公司的V5110K，V6110M，V6110C。中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司生产的18J3目前正在屏蔽料生产厂试用。

有专利[17]描述的可用于中高压的XLPE电缆外屏蔽料，其中，w（VA）为45%的EVA占45%～55%，丙烯腈质量分数为33%的丁腈橡胶占10%～20%，炭黑为20%～40%，还有少于5%的其他助剂（包括交联剂、抗氧剂及其他加工助剂等）。

4.2 炭黑

炭黑间的摩擦，较差的炭黑分布，聚合物凝胶以及环境污染是影响绝缘层和半导电层间光滑程度的主要因素。目前，在半导电屏蔽层中的炭黑主要有炉黑和乙炔炭黑。炉黑通过碳氢油或汽的部分氧化而产生，乙炔黑是通过乙炔气体连续热分解产生的。乙炔黑比炉黑的纯度高、污染小。通常，以炉黑为基础的屏蔽被叫作传统屏蔽，而以乙炔黑为基础的叫作超光滑屏蔽[18]。

5 结语

国内35 kV以及110 kV以上XLPE电缆用屏蔽料需求较大，且逐年增加。110 kV以上XLPE电缆用屏蔽料目前只能依赖北欧化工、陶氏化学和韩华集团。因此，开发110 kV以上XLPE电缆用屏蔽料将会有非常好的市场前景和经济回报。

从110 kV以上XLPE电缆用屏蔽料的指标来看，其对生产环境、原料、助剂、设备要求较高，开发此类产品还有许多工作要做，如原料、助剂、设备的选择，生产环境的调节，相关测试方法和测试数据的整理与分析等。

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Development situations of semiconducting XLPE cable shielding material

Yan Wei,Zhen Jian,Xue Zhigang

(Center for Supervision and Inspection of Quality of Beijing Yanshan Company,SINOPEC,Beijing 102500,China)

The authors summarized development situations of semiconducting shielding materials for crosslinking polyethylene(XLPE)cables at home and abroad,and elaborated the raw material production process, equipment and standard involved and overseas advanced test methods of semiconducting shielding materials of different levels for XLPE cables.The grades and properties of semiconducting cable shielding materials of different levels made by Borealis and Dow Chemical Company were listed.So far,the domestic enterprises could produce only the cable shielding materials of 35 kV and below,while their overseas counterparts could produce the materials above 110 kV.A good prospect of domestic market for developing shielding materials for XLPE cables of over 110 kV was expected.

crosslinking polyethylene;shielding material;cable

TQ 325.1+2

B

1002-1396（2012）04-0075-05

2012-01-28。

2012-04-27。

鄢薇，女，1979年生，硕士，2007年毕业于北京化工大学生态环境材料专业，现从事聚烯烃产品的技术服务工作。联系电话：（010）69340642；E-mail: vicky811@163.com。

（编辑：吴雅荣）