乙丙橡胶绝缘电缆的发展

乙丙橡胶绝缘电缆的发展

0硫化、合丁苯橡胶19世纪，天然橡胶是世界上首次用于电缆绝缘材料的材料之一。最初是直接采用生橡胶包在铜导体上,也算是橡胶绝缘电缆,但成型性很差。后来发明了硫化技术,将少量硫磺掺入生橡胶内,包在铜导体上,用蒸汽加热电缆,经过化学反应,硫化后的橡胶成为热固性材料,具有较好的机械性能。后来又经过很多改进,并掺合丁苯橡胶,天然-丁苯橡胶绝缘电缆的使用在国外大致延续到20世纪80年代,而后被其它合成橡胶取代。20世纪90年代,我国线缆行业也考虑逐步淘汰天然-丁苯橡胶,但国内生产的乙丙橡胶品种不能满足电缆绝缘要求,因而天然-丁苯橡胶绝缘电缆至今尚未消声匿迹。1丙烯酸酯的性能1.1乙丙橡胶epd乙丙橡胶是橡胶制品工业中一项极为重要的原材料,其生产方法主要有溶液聚合、悬浮聚合和气相聚合三种。近年来,世界合成橡胶生产能力增长变缓,乙丙橡胶生产量和使用量虽有一定的增长,但增长速度不大,年均增长4%左右。目前全球乙丙橡胶的总生产能力约为150万t/a,2004年总消费量约为90万t,2006年总消费量约为100万t,2008年约为115万t。2006年我国需求总量约10.5万t,而产量仅为2万t。2008年消耗量约比2006年增加9%,而国内产量并未大幅增长,由此看出乙丙橡胶进口量很大,用于电缆绝缘的乙丙橡胶基本上都采用进口料。我国三元乙丙橡胶(EPDM)主要由吉化公司生产。在合成橡胶中,乙丙橡胶价格属于中等,约为25000元/吨,但有一些牌号的价格还要高些。汽车工业耗用量占乙丙橡胶的大部分,乙丙橡胶主要用于汽车的密封条和轮胎。以500万辆汽车计算,乙丙橡胶的消耗量约为3.3万t。我国电缆行业乙丙橡胶的用量逐年增加,已超过1万t。1.2电缆当事人具有运动和耐水分析性能电缆绝缘用乙丙橡胶典型的物理、机械性能参见表1。乙丙橡胶具有如下性能优点:(1)低密度、高填充性。EPDM生胶的密度可低至0.86g/cm3,是目前工业化生产的合成橡胶中密度最小的一种,可大量填充油料或其他填充剂,因而可降低电缆的成本。(2)耐热性、耐气候性和颜色稳定性好。乙丙橡胶绝缘电缆在120℃下可长期使用,在150～200℃下可短暂或间歇使用。考虑到电缆的使用寿命在40年以上,并确保降低导体电阻引起的损耗,乙丙橡胶绝缘电缆的长期使用温度规定为85～90℃,短时使用温度为130℃,短路时温度为250℃。(3)耐臭氧。经过氧化物交联的EPDM可在更苛刻的条件下使用,在臭氧浓度为5×10-5、拉伸长度30%的条件下,150h不产生龟裂。(4)耐腐蚀。乙丙橡胶对各种极性化学品,如醇、酸、碱、氧化剂、制冷剂、洗涤剂、动植物油以及酮等,均有较好的耐腐蚀性,但在脂属和芳属溶剂(如汽油、苯等)及矿物油中稳定性较差,在浓酸长期作用下性能也会下降。(5)耐水蒸气和耐过热水。乙丙橡胶有优异的耐水蒸气性能,在230℃过热蒸气中放置100h后外观无变化,而氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶在同样条件下,即使经历较短时间,外观也会明显劣化。乙丙橡胶耐过热水性能也较好,但与其生产时所用的硫化系统密切相关。以二硫代二吗啡啉、二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)为硫化系统的乙丙橡胶,在125℃过热水中浸泡15个月后,力学性能变化很小,体积膨胀率仅为0.3%。从表面上看,耐水蒸气和耐过热水性能与电缆绝缘直接关系不大,但对于核电站用1E级K1类电缆、发电成套设备中过热水泵用绕组电缆等特殊电缆却极为关键。(6)阻燃性好。低密度EPDM本身不属于阻燃材料,其氧指数约为20%,但通过配方可以调整其极限氧指数。例如采用聚磷酸铵和季戊四醇膨胀阻燃体系的EPDM,同时再添加20份阻燃剂笼形八苯基硅倍半氧烷,则EPDM的阻燃性能和力学性能均有提高,其极限氧指数由20.6%提高到24.2%。(7)柔软性好。由于乙丙橡胶分子结构中不含极性取代基,分子内聚能低,分子链可在较宽范围内保持柔顺性,因此其柔软性仅次于天然橡胶和顺丁橡胶,即使在低温下也能保持一定的柔软性,在-60℃时不会变脆。(8)绝缘电阻对温度变化的敏感性较小。由于直流电缆的电场分布与各点的绝缘电阻有关,因此绝缘电阻的稳定性能对直流电缆极为有利。但多数高分子材料的绝缘电阻对温度变化的敏感性较大,如从20℃到90℃,聚氯乙烯体积电阻率变化接近4个数量级。而乙丙橡胶的绝缘电阻对温度变化的敏感性较小,同等条件下其降低量仅约50%,具体的数据参见表2。2不一定低压中、小规格电解电缆的生产技术乙丙橡胶电缆的硫化(交联)工艺共有以下四种:(1)高压蒸汽连续硫化法和低压蒸汽硫化法。无论是三层共挤或单层挤出绝缘均已证实采用蒸汽硫化不影响电缆的使用寿命。高压蒸汽硫化法是中、低压电力电缆最常用的连续硫化工艺;低压蒸汽硫化法需要硫化缸,不属于连续硫化工艺,该方法基本上已淘汰,但对于小型电线厂制造低压中、小规格电线,仍是比较经济的硫化方法。(2)盐浴槽硫化法。对于中、低压电力电缆,盐浴槽硫化法的硫化效果很好。虽然该方法总的设备投资比悬链线式硫化法低得多,但对于小规格电线生产并不合适,也不一定经济。(3)硅烷交联法。硅烷交联乙丙橡胶是一种比较新型的材料,其具体的生产工艺有两种:a.浸入60～70℃热水中进行交联;b.暴露在约15kPa低压水蒸气中进行交联。交联时间由电缆的绝缘厚度而定,绝缘厚度0.7～1.2mm的电缆,交联时间需要4～8h;绝缘厚度3.4mm的电缆,在60℃水中交联时间需100h;绝缘厚度8mm的电缆,在60℃水中交联时间需300h。绝缘厚度较厚的电缆虽然在理论上也可以完成交联,但因其所需的交联时间太长,大多数生产厂家不愿意采用。此外,中压电缆用的硅烷交联屏蔽料的交联度很低,与蒸汽交联相比,硅烷交联屏蔽料的热延伸性能未达到标准要求。(4)辐照交联法。辐照交联乙丙橡胶目前正在开发,这对于小规格线缆绝缘芯的生产十分有利。3橡胶乙二醇电缆的性能和实验3.1对乙丙橡胶进行加速寿命试验20世纪80年代,美国为证实乙丙橡胶用于电力电缆绝缘的可靠性,试制了线电压为13.8kV的中性接地系统乙丙橡胶电力电缆。三根电缆(单芯)的截面积分别为1000MCM(507mm2)总长4.4km、500MCM(253mm2)总长9.3km、AWG4/0(107mm2)总长2.6km;绝缘厚度为0.175英寸(4.45mm)。这三种规格具有结构和工艺的代表性。系统24h连续运行,运行结果证明乙丙橡胶绝缘材料的质量很重要,优质乙丙橡胶绝缘电缆经过10a使用,在每隔几年进行的直流电压维护试验中均未发生击穿;然而另一些普通乙丙橡胶绝缘电缆,在同样条件下经8a使用后就发生了故障,或者在进行直流电压维护试验中被击穿。另一项研究工作是在严酷环境下进行的电缆加速寿命试验。试验结果同样证明,优质的乙丙橡胶绝缘的耐久性至少超过耐水树交联聚乙烯的4倍,也至少超过普通交联聚乙烯的12倍。加速寿命试验是选用全尺寸电缆,电缆由工厂生产设备制造,试验采用了有效的大样本,平均失效天数用韦伯统计分析获得,因此这样的试验方案可不必对试验结果进行修正。电缆加速寿命试验的试验条件和试验结果参见表3和表4。将该试验结果与多年的现场电缆运行情况对比,我们认为试验结论是可以接受的。对于高压电缆,材料介质损耗形成的传输功率损耗不可忽视。乙丙橡胶的介质损耗正切tanδ比交联聚乙烯大,因而在同样绝缘结构情况下,它的传输功率损耗要大一些。通过增加乙丙橡胶绝缘的厚度可以减小电缆的电容,降低传输功率损耗,但电缆的成本会相应提高。通常国际上认为乙丙绝缘电缆的电压等级限制在150kV左右为宜。3.2磁悬浮长转子电缆的简介敷设于磁悬浮列车轨道中的长定子绕组电缆(如图1所示)敷设时的弯曲半径很小,要求电缆非常柔软,同时对电缆的电性能要求也很高,因此选择了乙丙橡胶绝缘电缆。磁悬浮长定子绕组电缆的额定电压为10kV、1.75kV(考虑20kV),额定工作温度为90℃,铝导体的截面积为300mm2,并设计成紧压的异形结构。磁悬浮长定子绕组电缆的绝缘、导体屏蔽和绝缘屏蔽均以乙丙橡胶为基料,电缆无金属屏蔽层,护套为导电型氯丁橡胶。我国研发的磁悬浮长定子绕组电缆通过了型式试验和研究性试验,且试运行情况良好,为磁悬浮长定子绕组电缆的制造奠定了基础。磁悬浮