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【值得收藏】​交联电缆的生产工艺大全

电缆人2019-01-09 14:27:46
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一、交联电缆用铜铝导体的生产

1.1电工用铜、铝杆生产

电力电缆是铜铝导体的最大用户之一。电工用铜铝导体一般都在连铸连轧装置上生产。也有两家企业的生产是采用了从美国引进的浸涂法无氧铜杆生产线,但设备投资巨大,其产品更适合于电磁线和通信电缆用导体。在90年代后,上引法铜杆技术问世,生产发展就非常迅速,后又有从芬兰NOKIA引进上引法铜杆生产线,并考虑加装铜杆的压辊装置,铜杆结晶细密,拉断强度高,铜杆导电率IACS为101—102%,含氧量在1.5—27ppM及以下,色泽光亮,就更适合于电力电缆用铜导体了。

1.2退火工艺

为便于电力电缆弯曲,铜铝导体应当柔软,对铜导体用单线应符合GB3953—83中TR型软铜单线标准,铝导体用单线应符合GB3955—83中H4或H6状态的硬铝线标准,铝线的抗拉强度对H4和H6状态分别为95----125和125---,162N/蛐午范围内,对铜单线应具备一套完整的退火工艺,完全符合TR型软铜单线的要求,对铝单线均不进行退火,但亦能达到战状态要求,因交联电缆在生产过程中,导体挤包绝缘后,即进入380,'--4000C的硫化管内交联,这就是一种自动退火的方式,但仅能达到H6状态,如采用铝导体退火工艺,产品才可达到H4状态。对于架空电缆导体的拉力应大于150N/mm2即要高于凰状态,一定要采用硬拉铝导体,要防止铝导体在硫化管内退火变软。铜导体必须事先退火。现在一般均对铜导体采用了大拉机连续退火装置,该装置可节省大量能源,保证铜单线的退火均匀性,完全摆脱了以往作坊式的缶式退火工艺。

1.3导体的紧压

1.3.1导体紧压的好处(1)导体圆整性好,在交联生产时,不会被挤出机模芯卡住。

(2)表面光滑且凸棱较小,内半导电层厚度可薄一些,且半导电料不会嵌到导体缝隙中去。

(3)导体外径结构尺寸缩小,可节省大量电缆料,以8.7/10kV95ram2和240mm2为例,可分别节省电缆料为6%和8%左右,有较大的经济价值。

(4)统一了电缀导体结构尺寸,便于电缆的安装和导体连接。

上述优点是非常明显的,但自70年代后电缆在运行中水树问题愈来愈来严重了,经大量研究试验和分析。电缆导体进水是产生水树,引发电树最后导致电缆击穿的最根本原因,而紧压导体不易使电缆进水,对电缆老化寿命起着极为重要的作用。

1.3.2导体内空隙体积计算

以截面240ram2电缆为例,其紧压外径为18.4mm.

即:v_兀D2(1..r1)/4=261/kin

其中:v.一紧压导体内空隙体积1/km

EL.截面为240mm2紧压导体的外径

9一紧压系数取0.9

从上式可见;即使紧压得很好的导体(240mm2),每公里电缆导体内约有26立升的空气体积,电缆在运行中潮气不断渗透到电缆中去,直达饱和状态,如果电缆突然从电网中切除(即停电),饱和的蒸汽即凝露成极为细小的水滴,这些水滴积聚后,就会对电缆造成危害。

1.3.3导体内细微水滴的集聚

电缆导体内细微水滴会不断的集聚,将对电缆产生一定的危害,由于导体紧压,使电缆导体内的毛细作用破坏,电缆中的水滴就不可能积聚。因此紧压导体可以卡断导体内空隙的毛细作用通道,为此法国NFC.33—209架空电缆标准明确规定,为考核电缆导体的紧密程度、应进行毛细吸水试验,在试验中电缆一端插入水中,在大气下另一端应无水分吸出才算通过试验。为此紧压导体可以卡断毛细通道,细微的水滴就不会集聚到电缆最低的水平位置上去了,电缆继续通电后,凝结的小水滴仍变成饱和湿气,水树就难以形成。为此紧压导体对防止水分在导体内迁移和结聚,阻止水树形成,提高电缆的运行寿命,起到了一定作用。

1.4大截面分割导体的生产

直流电可以在导体中作均匀分布,并在导体外建立了均匀分布的电磁场,在交流情况下.电流则集中在导体表面流动,导体中心电流密度很小,称集肤效应,如图1.1所示。

12

——;;——一

(a)/xI————》△I(b)

图1.1

从图l-!(a)中可见,△I左向增量时,磁通用X表示,为阻止磁通增大,就建立了反向电流Il,该电流使导体表面电流增大,导体中心电流减小,在图l-I(b)中,△I右向增量,为阻止磁通变化建立了反向电流12,该电流仍使导体表面电流增大,导体中心电流减小,对小截面电缆集肤效应并不严重,对大截面电缆就一定要采用分割导体结构了。表I-!为普通绞线结构的集肤效应损耗。

导体截面

蛐f

600

800、

1000

1200

14001.1集肤效应损耗(占铜损的%比)铜损铝损0.09O.14O.21O.28|O.04O.06O.09O.12O.16

从表l。l可见;铜导体在1000mm2及以上铝导体在1400mm2及以上,其集肤效应已使交流电阻分别提高到20%和16%,故大截面电缆应采用分割导体结构。一般用5分割或7分割,.日本古河最大截面采已可生产4500mm2的电缆。采用导体分割后,可在导体当中嵌入一层半导电纤维带再包上一层半导电带扎紧,对更大截面的电缆可采用涂漆单线并采用7分割结构,为了防止分割导体在盘绞时回弹,可在绞线机上加装予扭装置,国内已可供应带予扭装置的框绞机,并带有集中上盘子装置。以优惠的价格和进口设备竞争。,以前有一些电缆用户,需用800.1200衄一及以上大截面电缆,而有些电缆生产厂又不能生产大截面分割导体电缆,就建议采用2-3根400mlTl2电缆并联运行,并采用A、B和C相分组等平衡电缆电感等措施,电缆运行若干年后,如其中有一根电缆和母线压接处松动时,接触电阻稍微增加了很少的一点(如O.1Q),而电缆的导体电阻只有0.047Q/km,稍为松动的一根电缆上电流大部分都流到另一根电缆上去了,另一根电缆将造成发热和击穿。为此采用电缆的并联方式是不可靠边的,一定要采用大截面分割导体结构的电缆。

二、内外屏蔽层-一

交联电缆运行后如发生瞬时击穿,据国外文献统计,主要是由于内外屏蔽不良所引起,因为;5

(1)内半导电层挤出工艺不良。有塑化不好的颗粒,并混有烧焦粒子,内半导电层表面有凸出的尖角,甚至发生漏包和表面露铜现象。

(2)内半导电层挤包后,在进入绝缘主机时,被主机模口擦伤或由于内半导电层在大气中冷却时,被灰尘油污所污染,使其和绝缘层粘合不好,产生了分层和缝隙。

(3)挤包的外半导电层厚度太薄,被铜带刮伤或被铜丝卡破。如半导电层表面质量不很理想,有塑化不透的颗粒,可能是由于挤出机未很好预热或温度控制太低,如半导电层表面有烧焦的粒子,主要是螺杆未抽出清理;有些厂尽管有螺杆清理制度,但也没有及时清理和记录,采用交联型半导电料生产,在停机下班前,必须进行劳动强度较大的螺杆和机头清理工作,如采用热塑性内半导电料,就不存在这个问题了,有些厂多年来采用热塑性内半导电料生产,取得了较成功的经验(进口料牌号有Neste的DHDS---7710等)。上海电缆所曾对该电缆进行短路电流试验。效果非常理想,由于内半导电层外面为厚厚的交联型绝缘层所复盖,对产品的机械性能也没有影响。

一‘内半导电层挤出后,在空气中经过4"--'5米的冷却距离即进入主机绝缘,一般均采用防尘罩盖,以防止内半导电层在空气中污染,如果主机平台己进行除尘通风和环境空调等控制后,只要不用手去触摸内半导电层,可省掉防尘罩盖,以便于电缆生产和操作。在电缆型号规格生产规范改变时,如何控制上牵引轮的上下或左右移动不很清楚,控制上轮的移动方向是防止内半导电层在绝缘模口擦伤的重要措施,生产工艺技术人员不仅应凭经验调整,而且应会计算上牵引轮已调整和移动的距离,计算好后进行调整。再用肉眼看一下就可以了,内半导电层擦伤是电缆生产中的隐患,有些电缆在使用中击穿,也是主要的原因之一。如果采用三层共挤出机头,就完全可以克服上述问题。对于大截面电缆的内半导电层应先包一层半导电尼龙带,是由0.1"-'0.2mm厚的尼龙绸,涂上一层半导电橡胶制成,要求厚度薄,但带子拉力强,再挤包一层半导电层,这样可防止挤包的半导电料嵌到导体中去,同时又可扎紧紧压导体,防止导体松开。对10kV等级电缆外半导电层应采用可剥离交联料,如对外半导电层设计的厚度不够,容易被铜带刮破和铜丝压伤,使电缆在出厂试验时局部放电指标通不过,适当增加半导电层厚度,局放指标就全部通过了,对35kV等级电缆应采用剥离力较高的电缆料,范围约在20"-.-40N之内,也可采用不可剥离电缆料生产。还有要经常注意半导电料的电阻率不能太高,如电缆的外半导电料电阻率太高,电阻率比规定值500Q-m高出很多倍时,就起不到半导电屏蔽作用了,电缆的局部放电值会大大地增加,电缆的出厂试验就不合格了。在购进半导电料时要注意控制原材料的电阻值。。

金属屏蔽也是保证电缆质量的一项关键工艺,由于国内用户均采用消弧线圈接地系统,接地故障电流较小,一般采用铜带屏蔽,对铜丝屏蔽要求并不迫切,出口电缆一般均要求铜丝屏蔽,一方面使用方便,且可通过较大的接地故障电流。对铜带原材料的采购,‘各电缆厂均采购硬铜带,经切带加工,并自行退火软化,带宽以30"---'35mm为宜。如果超过40mm时包带易发皱,且不易包好,铜带退火软化最好控制铜带的伸长约20%左右,拉力约200"---"250N/m.1112较适中,铜带太硬会切破外半导电屏蔽层,太软也容易发皱,铜带绕包时应注意张力均匀,在绕包时电缆芯应支撑好,不要引起缆芯作上下或左右摆动,目前有些电缆厂的铜丝铜带联合屏蔽机为进口设备,性能较好,其他各厂均为国内制造。

目前有一些35kV等级单芯大截面电缆经常在运行中击穿,是由于铜带断裂造成的,在消弧线圈接地系统中,电缆一端接地,另一端绝缘,断裂的铜带,电位升高,铜带

尖端放电,外半导电料在高温下电阻变得很大,电缆局部过热,最后造成电缆的热击穿。如截面为400IIlIll2的电缆,按国标规定;可采用铜带屏蔽,这种电缆由于电缆的机械性能很差,铜带经常容易拉断,在运行中事故较为频繁。故对35kV等级单芯大截面电缆产品最好采用铜丝屏蔽结构。

三、绝缘工艺

3.1对交联绝缘料的要求

交联电缆绝缘料的配方中除含有100%纯净的PE基料外,还含有近2%的交联剂和0.4%的抗氧剂,尽量少加其他材料,以免引入外来杂质,抗氧剂一般采用300#抗氧剂,学名4.4’.硫化双(3.甲基一6叔丁基)苯酚,商标名Santonox,溶点为1650c,故应和PE基料预混挤塑造粒,最近采用熔点较低的另一种抗氧系统,抗氧剂商标名Irgonox,但还不及Santonox普遍,挤出造粒后用渗析法将交联剂(DCP)吸入PE粒子中,吸入深度约l'~2mm。DCP学名过氧化二异丙苯,室温时为白色菱形晶体,熔点仅38.50C,超过该温度即成液态,故可渗吸到PE粒料中去。但在温度较低时又易析出,呈白色粉末,粒料析出后DCP含量不足,产品在工艺生产中容易使交联度不合格。进口电缆料要比国产交联料好得多,目前国产交联料仍存在下列一些问题。

(1)绝缘基料供应不统一

我国绝缘基料的供包・暴有上海金山、燕山石化、齐鲁石化和大庆等多种供应渠道,基料的分子量分布范围很广,基料的熔融指数应取用2左右,有些绝缘料厂采用生产护套料的基料生产绝缘料,制成绝缘料后,各电缆厂一般均用同一的挤出工艺生产,造成电缆绝缘塑化不透现象,从而使电缆的局部放电水平提不高,在欧洲各国10kV交联电缆均在3pC及以下,甚至可达lpC及以下,国产电缆的水平则相差较大。直到最近几年由于绝缘料厂采用了北京燕山石化的基料,造成很多电缆厂生产的电缆出试验不合格。

(2)绝缘基料的包装不规范

国内各电缆料厂均采用小纸盒包装基料,使绝缘基料受到污染,而国外的公司均采用槽车和管道输送,基料不见阳光,并用清洁的气体填充。

(3)在国产交联电缆料规范中对杂质控制不严格,很多绝缘料厂就没有杂质检测设备,表3-1为世界各国绝缘料杂质控制水平。

材料牌号

国产YJ-10国产YJ-35

120~250Ilm

100"-'200I/m

3.1

杂质控制指标杂质数(不大于)

样带重kg

10

Cl-3Cl-0

0OO0

C2—4C2-1

lkgikgikgikgIkgikgikg

北欧化工   北欧化工  北欧化工

UCCHFDE4201一SCUCCHFDJ4201一SUCCUSCV一4301

210~500Um

>50pm

100~250pm

>i00Um>50|lm

从表3-I可见,由于国产普通料YJ.10不进行杂质控制,大大地影响了电缆绝缘的介电性

(4)要改进绝缘料的抗氧剂系统

国产交联料抗氧化系统均采用300#抗氧剂,商标名称为Santonox—R因其溶点高

达165Oc,且容易从绝缘料中析出,其主要缺点是:

a.挤出温度比抗氧剂熔点低,在挤出工艺中抗氧剂和绝缘料相溶性较差,起不

到抗氧化作用,容易产生预交联和焦烧现象,降低了电缆绝缘耐水树水平和产生树枝放电的作用。

b.电缆绝缘经交联后,抗氧剂开始溶化分解,形成了绝缘空隙。

,.

c.抗氧剂容易析出,即使在电缆成品表面,还会附有析出的白霜。d.电缆在运行中,其长期耐压和稳定形较差。

目前各供料商开发了一种熔点仅为80--一900C的抗氧剂,完全克服了上述缺点,产

品名lrganox,两种产品的析出曲线详见图3.1所示。


1一HFDB-4201—180C;2--HFDB-.4201+180C;3--HFDB-4201+100C;4一HFDB-4201+50c

5一HFDB-4201.50el6一以Irgaaox抗氧系统的绝缘料(室温下)

图3-1交联结缘料在不同温度下析出曲线(抗氧剂和交联剂)

从图3-1中可见,绝缘料厂应开发Irsanox抗氧剂的绝缘料,可提高电缆料的绝缘

吾质。绝缘料中不仅抗氧剂,而且交联剂也会析出,且贮存环境温度对析出有很大影句,目前很多电缆厂都考虑料的贮存温度应在100C及以上,且加装了上料间及上料送砘系统,英国HFDM-4201料向用户提供了电缆料的贮存期限和温度关系见表3-2。表3—2

(5)绝缘料的贮存和输送环境的考虑

而我国有些绝缘料厂还没有考虑这些问题,同时在长途运输中如何考虑上述因素也是重要的,电缆料在风送过程中要注意管路的光滑性,如粒料在粗糙的管壁中输送,经和管壁撞击摩擦也会使交联剂和抗氧剂析出。如果抗氧剂粉末析出集中和浓缩在绝缘中,将会带来很大的危害。

(6)应提供交联反应的必要参数

绝缘料厂除一般规范中规定的参数要保证提供外还应提供用流变仪检测的流变特性曲线,如在Monsado流变仪上测试的数值用英制标准:为40英寸一磅,如采用公制标准为0.75N.m,国内绝大多数厂均不能提供。还有一些表示交联料交联特性很重要的一些交联反应参数,国内还没有一家绝缘料厂能够提供,这些参数是表示交联料活性程度的基本参数,电缆料厂可从不同的配方中求得电缆料的活性程度,对中低压电缆料的活性程度希望高一些,可提高产品的经济效益,对中高压电缆,要求交联反应更稳定些,以求得较高的绝缘品质。

3.2绝缘对生产环境的要求

3.2.1贮料

从上面的图5-1中已看到;交联料在正负50C时极易析出,但温度低于一180C或高于+lOoC时,DCP和抗氧剂的析出曲线就较为平稳。但电缆料在出厂2个月内,不管环境温度变化如何,一般均不会析出,故要求工厂贮料问的温度控制在100C以上,一般希电缆绝缘料在3个月内用掉,如超过6个月,应对电缆料重新进行检验,合格后才能应用,由于DCP渗吸在粒料表面,且300#抗氧剂也很易析出,除由于上述温度变化因素外,PE粒料如作急速运动时,受到较大的摩擦阻力或撞击力,也会析出。故交联PE料的生产工艺流程的安排要求合理输送管道要求光滑,管道弯头力求减少到最少,否则电缆绝缘料在出厂前就已大量析出了,用肉眼可看到大量析出粉末,如用热分析仪(DSC)进行扫描分析,绝缘料物理参数如活化能和反应速度常数等就有较大的变化。

3.2.2上料

绝缘料一般采用真空吸入料斗,绝缘料四周的空气即自动填入料箱。为此要求上料间内空气应经过过滤,并维持一定正压力,一般要求空气的清洁程度在1万级以下,

即每立方米空气中的杂质粒子数(灰尘)应低于0.33x106。Nr/m3(Nr表示粒子数目),如能更低则更好,上料间的空气正压力要求达12.5N/m2(N为牛顿),才能保证绝缘料上料时的清洁程度。

.3.2.3主机平台环境的控制√、..,.

由于绝缘主机平台上装有各种控制仪表和可控硅开关等,要求对四周环境温度控制,才不致使仪表误动作,如能将环境温度控制到20-x-90C就可以了,要求并不严格,特别是我国南方,夏天温度高,由于主机平台温度过高,会使悬链控制器(Sikora)拒动,以致产品报废受损,另一方面目前国外进口的可剥离料要求存放温度不超过290C,否则就容易结块,这种可剥离料(如I-IFDA--0691)又不要求干燥,也可直接从主机平台上料,当然主机平台温度过高时,操作工作也难以正常工作,温度过低时可控硅等电子仪表在低温下也极易损坏。主机平台应有通风过滤装置,以保持室内环境清洁,并可将交联付产品排掉,在车间内应通过屋顶排放,但也有一部分泄漏在平台内,在主机控制平台内应有通风过滤装置,这些气体虽无毒,但对人体器官有较强的刺激性和较浓的气味。

3.3绝缘对生产工艺的要求

3.3.1对导体的清洁要求

铜铝导体除应光亮柔软,紧压不松股等要求外,在导体线盘上应有防尘防水遮盖,如在导体上滴入雨水,水分渗入导体后进入主机绝缘,因螺杆压力达30Mpa,致使水汽凝缩成极小的微孔,当电缆进入交联管后,温度上升约3倍,压力下降达数十倍,极小的微孔扩大数十倍,从而在电缆绝缘内形成一圈雾状的晕环(haloRing),成盘电缆的局放试验即不合格,采用定位检测,找到故障点,将其切除后,就合格了,将带有晕环的短电缆,置烘箱内干燥,晕环内水分即消失,电缆恢复原状,再浸入水中晕环又可生成,采用防水遮盖,也可防止导体上集有灰尘油污,如果用刷子将导体表面金属屑清除或用溶剂(酒精)将导体擦干净,并经热风吹后,将导体温热有助于导体和内半导电料的粘合,防止挤筒内半导电料的污粘,并可适当提高生产线速度,特别在冬季提高较大。

3.3.2绝缘料和半导电料的干燥问题

绝缘料为憎水型材料,如果绝缘料未受潮,在开箱使用时,一般不要求干燥,半导电料含有大量碳黑为亲水性材料,一定要进行干燥处理,Davis生产线中设有绝缘料

干燥装置,如对料亦进行干燥,也未尝不可,但半导电料在生产批量大,由于设备容量小而缩短干燥时问是不允许的,生产批量大,采用附加干燥房对大批半导电料进行干燥,才能保证产品质量,如果对半导电料不进行干燥,将水分带入绝缘结构中,也会出现充水微孔和上述的晕环等现象,最终产品通不过出厂试验而报废。由于可剥离料在分子结构上的特殊性,不要求进行预干燥,且存放温度不能超过规定的290C,否则粒料就要结块,巳于上述。

3.3.3主机温控精度要求

绝缘料的加工温度范围约在115~1300C近150C左右范围内变化,加工工艺范围是宽的,但考虑到绝缘料在主机内停留及其某些不正常生产等综合因素,不致使绝缘料在主机内产生先期硫化,在验收规范中,对lOkV电缆的温控精度取为±50C,对35kV电缆的温控精度为正负20C是安全的,但从电缆的出胶量要求和从控制电缆外径尺寸变化考虑,温控精度要求则更高,温度稍加波动后由于出胶量变化较大,电缆的结构尺寸就难以控制了,电缆料在挤包过程中,如温控不好;不能保持料的拉伸状态,也会产生“狗牙齿”现象,如生产小规格电缆,出胶量小,电缆绝缘料在主机内停留时问较长,为避免绝缘料先期硫化,应注意控制机筒温度,在停车时应加入开车料,并将交联料顶出来,开车料为热塑性料,且价格便宜,使用开车料可避免在螺杆内残留烧焦的粒子,保证电缆绝缘的质量,采用开车料还可使操作工有充分的时间校正绝缘的偏芯度,绝缘正公差和偏度小的电缆厂,电缆材料消耗量可减到最少,必然会带来很高的技术经济效果。目前NOKIA和TROESTER生产线的温控精度均可达到4-loC,Davis生产线一般达到正负2℃,均达到了较高的控制水平。

3.4三层共挤和导体预热装置

1994年国家建设部公布了GB50217m94交联电缆选用标准中,建议在重要的线路中采用干法交联和三层共挤装置。在当时,对中低压电缆采用三层共挤装置的要求就过于严格了,但也促使了各电缆厂引进了很多三层共挤装置,近年来,国内外电缆行业已普遍地采用三层共挤装置了,完全避免了导体内半导电层在绝缘模口碰伤的可能,保证了产品的质量,采用三层共挤还一大优点就是可以同时采用导体予热装置,采用导体予热不但可以提高产量约30,~40%,而且可以改进交联绝缘的品质,改善绝缘的热机械应力。在国内采用三层共挤设备的电缆企业,也有加装导体予热的,对中低压

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电缆采用导体短路加热方式,对高压电缆则采用感应加热方式;短路加热较经济,但不适合大截面电缆的生产。一般采用1+2挤出的生产线,是不能加装导体予热装置的,因带有内半导电层并进行过加热的导体是无法进入绝缘挤出机的。同时国产交联电缆生产数量不是主要问题,已供大于求,导体予热装置也就不及国外普遍。

3.5绝缘偏芯检测和杂质检测

近年来由于交联电缆市场竞争剧烈,用户对产品的要求愈来愈高,各电缆厂都采用了绝缘偏芯检测装置,以西德的SIKORA公司的X--Ray8000商品占绝大多数,国内已有30---40%的生产线加装了偏芯装置,在CCV生产线上生产的电缆,均可将偏芯度控制在12%以内,以VCV上生产的高压电缆则可控制在8%以内。加装偏芯检测装置作一次投资后,可在一年内绝缘材料的节约中回收,看来这项投资还是值得的。

总之;对10kV及以上等级的电缆绝缘工艺以成为决定绝缘品质的关键工艺,绝缘工艺中的任何一点缺陷,如杂质、焦烧、绝缘的塑化不良、绝缘中含有水分以及绝缘挤包的不密实等等都有造成电缆在运中的短时击穿,即时电缆没有在短时间击穿,也会在电缆的长期运行中由于水树老化最后引发电树击穿。

四、交联工艺

4.1交联管

Davis生产线用交关管是由德国Seholz公司配套,为电热和蒸汽加热两用管,传热效率慢,但结构厚实不易损坏。NOKIA新推出一种交联管,采用管壁短路加热方式,即用管壁作为加热变压器的二次回路,加热效率特别高,在数分钟内即可到达额定温度近4000C高温,其缺点是管壁太薄,容易烧穿,使用时应当小心。

在交联反应中产生的付产品可在高温下直接排出管外,如碰到处于温度较低处的管壁,容易凝结,时间久了就形成较厚的污垢,如加热管当中的装有悬链控制器长约1.3m管子附近,以及与冷却水交界面处的管子都容易使付产品凝结,如果年久不清理,甚至可使管子堵塞或擦伤电缆外半导电层,应重视清理工作,在加热管当中,因为管壁温度高,管子不会结垢,故清理时只要在上述两个地方拆开后,用机械方法清除即可。

交联电缆在交联生产过程中,如加热管内氮气纯度不够,混入了一部分空气,则绝缘会氧化变色,严重时会使绝缘表面硬化影响到电缆热延伸值,产生了氧化老化,最终使热老化系数k1,k2值不合格,其实工业用氧气的纯度可达99.5%左右,对电缆生产完全是绰绰有余。可是由于交联管充氮的方式是用氮气赶掉管内的残余空气,要求有足够的充氮容量,才能使交联管内氮气纯度提高,同时由于管子的连接,密封泄漏等,也会降低氮气的纯度,一般要求氮气的容量应大于10m3fa,选用一台KLN--20y小型压缩机组就足够了,氮气发生量可达20讹液氮,即133/h气态氮。国内很多NOKIA生产线均配套这一装置,为了能在不正常状态下应用自如,应充分加大供氮容量,处于大城市附近的电缆厂采取租用液态氮的方式供氮,液氮罐达lm3,供氮方便且价格便宜。电缆厂也可采用2m3液氮罐,同时供给几条线生产,还有电缆厂采用5A分子筛氮气发生装置,供氮容量亦较大,只有少数厂仍采用一种较老的方式供氮,即采用钢瓶组供给,供氮容量小,且钢瓶运输费用大,还较难应付生产不正常情况的发生。近年来,美国凯德公司推出的采用过沪膜制氮系统,有着更好的技术经济效果,巳在电缆行业中推广使用。

4.2交联工艺计算机软件

NOKIA生产线还带有计算机工艺计算软件,管壁温度和交联生产线速度均由计算机软件给出,具有NOKIA生产线的电缆厂均使用计算机软件。因此生产工艺稳定,不管电缆生产规格如何变化,热延伸值均可固定在80一100%左右,Davis生产线因开发得较迟,还不具备计算机工艺生产软件,全凭操作工人的经验生产,以往交联生产规格少,还可应付,现在生产规格扩大了。为此在给定的管壁温度下,尽可能使生产速度慢些,才能保证热延伸合格,如生产任务不足,产量低些,实质上降低生产速度,除经济效益受损外,产品质量也不好,因电缆在生产中就加速老化了,生产中的欠交联(不熟)和过交联(老化或烧焦)都不好,都会使热延伸值变得不稳定,有些DaviS生产线生产的电缆的热延伸都过分的小,且绝对伸长都呈负值,最近国产计算机工艺软件已经开发,其价格还不到进口软件的十分之一。

广应用。国产计算机软件已逐步在国内推

在上一个世纪末;人们对电缆绝缘内的热应力有了一定的认识,由于交联绝缘的热膨胀要比铜导体大20倍左右,如果不具备计算机工艺生产软件生产,电缆的交联温度

太高和和生产速度过快时,在绝缘内就要形成热应力,在电缆弯曲时,电缆绝缘在机械力作用下应力开裂和分层,在直流电压下吸收空间电荷,电缆绝缘会在很低的直流电压下击穿。早年沈阳电缆厂向首钢提供的9根llOkV交联电缆中,其中有一根电缆在竣工试验时,在较低的直流电压下击穿。除因电缆热应力外,电缆弯曲过甚造成了机械损伤,这也是原因之一。首钢在上述llOkV交联电缆竣工试验中击穿后,加装了一只连接盒,投运不久电缆和连接盒界面接合处击穿。这种界面击穿还发生在武汉和上海供电局的llOkV电缆连接盒也发生了两次界面击穿(在包带应力锥和电缆界面上)。其主要原因可归咎于电缆内的热应力。电缆在运行中因热应力收缩变形,在应力锥和电缆界面上产生很大的裂缝,结构性能再好的界面和粘接力再高,也有可能拉开。除应增加电缆连接盒的界面接触性能外,还应消除电缆的热应力,这是最为重要的条件。现在我国各电缆厂在高压电缆的生产中均采用消除热应力的措施,对于中压电缆应在交联工艺中注意温度不能过高速度不能过快,同时供电部门也要注意电缆安装时电缆不能弯曲过甚,对高压电缆可采用一些新的竣工试验方法,如变频试验装置等新的试验设备。

4.3中压交联电缆在生产工艺中发生的问题

中压交联电缆在生产工艺中发生的问题,完全可从电缆的例行试验中检验出耒,现综合如下;

交联电缆的局部放电:

前几年,交联电缆在出厂时,局部放电经常不合格,主要有:

1)电缆半导电屏蔽上的焦烧和绝缘杂质。焦烧是因主机温控不好,绝缘杂质是滤网装置不确当或滤网破裂所造成。’’

2)绝缘中含有水分,在充水微空中形成局部放电。主要是绝缘料中含水或绞合导体进水和导体不清洁。_'

3)外屏蔽铜带将半导电层割破。这是由于铜带太硬或因铜带绕包装置不良。4)绝缘料塑化不好,绝缘内有分层。绝缘料厂应选用绝缘分子量固定的基料,基料要有一定的绝缘熔体指数(MI=2左右),电缆厂和电缆料厂应有—个固定的协作关系。

5)挤出工艺不好。内外半导电料和绝缘料交叉成犬牙状,这种产品的局放是不会合格的,在半导电料挤出时,应使半导电料的料流保持一定的拉伸状态,使绝缘和半导电料的界面光滑接触。

上述问题目前巳基本上解决了,最近几年来又出现了一些新的问题,现介绍如下。1)电缆绝缘的热机械应力。如电缆在交联生产过程中温度过高,生产速度过快,绝缘向绝缘中心收缩,绝缘内产生热应力,电缆绕在收线盘上冷却后产生绝缘机械应力,有一电缆厂将绝缘样品切片,在光照下,在绝缘中心能见到一层淡淡的圆环。电缆的局放水平可达20.100pC左右,如将这盘电缆放置数日,局放又可恢复到5.10pC左右,电缆就成为合产品了,也可以将电缆置烘房内加热,电缆就更容易恢复到5.10pC左右。

2)电缆导体的内半导电层破损露铜,有些企业将成盘电缆中的某一段电缆剥开时,发现电缆导体露铜,再检查该盘电缆的局部放电记录时,局部放电水平为10pC,电缆仍为合格产品,这是因为电缆采用了紧压导体,导体表面仍较光滑的原因。

3)成盘电缆局放有时非常高,可达100—200pC,进行局放定位后,放电部位在电缆的端部,将电缆割断约10.12m,短电缆和长电缆的局放水平分别仍为100.200pC,这种情况去年曾同时在4-5家企业发生,所有企业都认为;电缆局放不合格,应归咎于绝缘材料厂,有一个电缆厂生产了50km的lOkV交联电缆,电缆在制品处于报废状态,产值损失近100万元,。由于这5家电缆厂的绝缘料同为国内两家规模最大技术水平最高的电缆绝缘料厂提供,不可能两家绝缘材料同时都出问题,经过了多次的研讨和论证,终于找到了毛病,是由于电缆的外半导电料电阻率太高,电缆表面外半导电的电阻率比规定值500Q—m高出20—200倍,巳起不到半导电屏蔽作用了,但半导电料厂认为;半导电料都有出厂检验报告,而有些电缆厂在对第一批料检验后,就不再检验了,今后电缆厂在采购半导电屏蔽料时,每枇料都要经过进厂检验,为了进一步证明局放不合格是外半导电料造成的,我们进行了一次验证试验,将不合格电缆样品的铜带剥掉,在电缆外半导电层上增绕一层由3M公司生产的半导电绕包带,再将铜带重新包上,局部放电马上就由100.200pC下降到5pC左右了。

交联电缆的电压试验:,

电缆局部放电的检测灵敏度并不太高,但在目前这是对挤包型干绝缘电缆最有效的无损检验方法,在上述局放较严重的电缆都是有可能引起电缆击穿的,.但是在有些情况下,在生产中造成绝缘强度下降的各种因素,局放是难以检测的,最近就发现了一些新的情况;

1)电缆出厂检验时,局放在10pC以下,但电缆在较低的电压下就击穿了,经检查;电缆绝缘当中有一些金属导电杂质,且杂质形状较为圆整,在这种情况下,局部放电是难以检测出耒的,由于绝缘强度大为下降,电缆容易击穿。

2)绝缘内有热应力的电缆,存放几天后或对电缆适当加热,局放就合格了,巳于上述;这是电缆绝缘由于分子热运动使绝缘内分子间的应力松驰愈合。由于分子问存在着较大的热应力,分子间的距离拉得过大,绝缘强度明显下降,成盘电缆也会在电压试验中击穿。

3)两年末成盘电缆在出厂试验中击穿,主要有;电缆内半导电层处的焦烧、尖角、因滤网破裂绝缘内有:kit的杂质和纤维、绝缘塑化不良产生绝缘夹层和铜带刺破外半导电层等。这些电缆击穿,主要是因绝缘内电场的高度集中和绝缘品质的明显下降所致。

五、llOkV及以上高压和超高压电缆的生产

根据电缆行业“九五?’规划的统计和预测,我国llOkV高压电力电缆在95年的年需求量还不到lOOkm。高压交联电缆约有o}以上为进12产品,到97--98年间,进口高压电缆逐步减少,年总需求量约为500knV年,99年因城市电网改造,一跃而达mOknV年,今后月・年将稳定在1000knV辙。详见电缆行业?‘十五’'j魄划项目‘81。可是“十五‘‘规划公布的数量大大地落后于实际使用量。就拿llOkV高压交联电缆这一产品耒说,“十五‘期恻中公布的年需求量为1000km/生lz,可2002年的年产量就达2000km/年,2003的年g-tjt巳超过3000kIIl/年,去年全国v(N立塔生产线的产量巳经满产。为此浙江万马电缆公司出资并组织了对全国电力电缆的需求进行了调研和统计,并请电缆行业的—些专家进行了咨询和论证【l】。详见表5—1。

表5一l

20032004

3750

1000

260200546871250350200658951562420200773241952500200891552440630llOkV交联电缆220kV交联电缆500kV交联电缆300080040

表5.2为我国VCV立塔生产线的分布情况,表5—3为我国正在规划和筹建的VCV立塔生产线的分布情况。

表5.2

东北华北山东江苏

沈古(3条)宝丰(2条)、新华

汉河(2条)、山东(2条)阳谷宝胜(2条)

浙江上海其它

华新(2条)上海(2条)

岭南、郑州、红旗、重庆共计2l条

表5-3

东北华北山东江苏

南通中天、新远东

天津、任丘

浙江上海其它

焦作、陕西银河、明星晨光、万马、富春江

共计10条

在高压电缆生产中,国内都采用的生产技术为;

a)分割导体结构;大截面导体如采用普通绞线结构有很大的集肤效应损耗,

应采用分割导体结构。最好用5分割或7分割,日本古河最大截面已可生产4500mm2的电缆,巳于前述。

b)采用超光滑内半导电料;超光滑料的凸起(粗糙度)很小,凸起高度与其

占地宽度相比,超50%的凸起宽度叫做粒结。用W50表示。见表5_4。

表54

粒结个数个

粒结尺寸

超光滑料

W50>200|l

111

普通料

≤80≤2

≤15≤1

W50>500pm

尺寸1.5mm一2.5rata

c)绝缘杂质在线检测系统,在生产过程中进入机头的绝缘料用Sikora的CSS2进行,检测并计数,AEIC对各类电缆的杂质、微孔和突起指标规定见表5—5中。

目前国内有CSS2系统的共三家电缆厂,沈古、山东和宝丰。

d)绝缘热应力消除系统;交联电缆绝缘热膨胀系数是铜导体的20倍,将冷却后电缆绝缘重新加热到105---1100C左右,称Relexation热松驰装置,可消除电缆绝缘内热应力。目前国内有沈古、山东、上海、岭南电缆厂安装了该系统。也有采用工艺控制的,日本日立公司采用烘房加热的方法,110kV电缆烘34天,220kV电缆烘7天,500kV电缆要烘14天,温度在70—75UC范围内。

e)交联管内导体预热系统和交联度在线显示系统在生产线中,将导体预热到1600C,提高了生产效率且是防止热应力最有效措施,在生产过程中,交联度可以显示。

f)交联电缆的金属防水层;直埋或穿管直埋的电缆应采用铝护套,水底电缆应采用铅护套,埋设于电缆沟内桥架上的电缆可用阻水型的综合防水护层,用于户内的电缆可以采用YJV型无防水结构的电缆。

表5.5

‘110kV电缆220kV电缆

项目尺寸IIm数量仰16.4cm3‘尺寸pm数量个,loom3

25—503025—5018

微孔

>50|>50l

50—1251050—1256

杂质

>125|>125|

半透明物>250|>160|

微孔>50|>50l

半导

内半导电层突起>125|>80|

介面

外半导电层突起>125|>80.|注:宰16.4cm3=l立方英寸

随着焊接技术的发展,绉纹焊接铝套电缆使用的可靠性巳愈耒愈多地为人们所认识,在不久的将耒,有取代挤包铝套电缆的趋势,其主要原因为:

1)挤包电缆要在6000C左右的高温下挤出,绝缘有可能炀伤,世界上最为严格的AEICCS7—93美国电缆标准中就建议采用绉纹焊接铝套,或焊接的铜和钢套电缆。

2)为了减少挤包铝套电缆炀伤的可能,一般采用铜丝编织的巾布在铝套和绝缘间挡住在加工过程中的热源,但又要给绝缘的膨胀留有余地,铝套和绝缘之间存在着很大的空隙,一旦电缆进水,电缆绝缘将完全浸泡在水中,给供电线路带耒很大的损失,去年夏天,我国浙江地区的一根110kV电缆,由于电缆铝包破裂,对电缆线路供电造成了很大的困难,这种故障是非常难于处理的。

3)在国内焊接铝包的机械性能和密封性能巳很可靠,各电缆企业采用先进的氩弧焊接枝术,并装有超声波等在线检测装置,保证了焊接的密封性,为了检验是否还有漏焊,生产厂又加了一项中问检验装置,将整盘焊接后的电缆进行浸水气密性试验,且进行百分之百的检验。在近几年耒的生产实践中,还没有发现电缆密封性有什么问题。

4)从焊接铝套的机械强度试验【101,发现焊缝的抗拉强度(78N/mm2)略高于焊缝周围金属铝的抗拉强度(76N/mm2),且又略高于铝套本身的抗拉强度(75N/mm2),经和西安交大金相专家们研讨和座谈,这种现象是合理的,并采用空心铝套进行侧压力试验,分别在焊缝上,和焊缝相隔90度以及相隔180度进行侧压力试验,其负荷变形曲线基本一致,保证铝套各个方向材料的均匀性。

5)绉纹焊接铝套电缆的温度较低,在焊缝处温度到达7000(2时,用热电偶分别测量铝套内阻水层上分别相隔90度的三点温度为69、43、370C,在阻水层下则分别为34、26、270C,这是因为铝套是一点受热焊接,温度虽高,但能量不大,铝的散热又很快,所以电缆绝缘上的温度很低,同时,西安交大绝缘研究室【1l】又进行了电缆铝护套的焊接温度场的数值计算,在绝缘层附近的温度基本上是40012左右。

6)由于绉纹焊接铝套电缆的温度很低,不存在炀伤绝缘或绝缘上的阻水层的可能,铝套和电缆之间缝隙非常小,故可采用电缆的阻水结构,同时电缆的阻水层又可用作电缆的缓冲层,不难通过设计和计算,国产220kV电缆的绝缘半径方向的膨胀量约1.Srnm左右,完全可以为阻水层所吸收,这样电缆的结构就非常紧凑合理,万一铝套有些损伤,由于阻水层的作用,电缆也不会进水。

高压电缆的最新生产工艺技术【9】巳完全成熟,其关键项目可归纳为:

1)带预扭的框绞机和盘绞机,用以生产分割导体电缆。

2)应采用超光滑内半导电屏蔽料。

3)应采用超净绝缘料,并具有相应的杂质在线检测装置;最近美国UCC公司和北欧化工都巳推出了500kV交联电缆绝缘料,UCC公司的500kV交联电缆绝缘料的杂质含量为没有大于50pm的杂质,型号为USCV-4301。

4)具有超净料的自动下料装置(消除环境污染)。

5)导体预热装置(提高产量并可改善热机械应力)在交联管内进行导体预热,预热温度可达1600C左右,交联热源可分别从导体和绝缘表面双向传入,降低了绝缘表面温度,提高了传热效率,并大大地降低了绝缘的热应力。这种方法又称后置加热方法,经有关各厂使用,发现如加热温度过高,在高压电缆绝缘中心会形成一个黑圈,这可能是绝缘中过交联的一种标记,故预热温度不能超过1600C。

6)控温精度高且螺杆压力大的挤出机(要求挤出温度低,为1150(2,温控精度高达正负loC,螺杆压力大于50MPa)。

7)高效滤网装置(可过滤高于30um的杂质)o

8)x射线绝缘偏芯在线检测装置。

9)全干式交联生产线(可减小微孔数及尺寸),如能采用高压力硅油或MDCV生产线则更好(微孔尺寸可小于1Itm)。

lo)三层共挤出装置(防止在1+2挤出时,内半导电层擦伤),TROSTER公司的锥形三层共挤出挤头比传统的直形的好,流路畅通,预交联料不会在机头停留。

11)在高压交联电缆挤出生产线中,在绝缘机头处加装了一套绝缘料杂质计数系统,可将进入电缆绝缘内的杂质大小和个数以及距电缆端头的位置和距离全部纪录下来,并作为交货电缆的档案资料提供给用户(该项技术已由西德SIKORA公司提供)。

12)为防止绝缘偏芯、德国TROESTER公司提供了上下牵引同步旋转的交联生产线,以补偿因重力产生的偏芯,并防止绝缘扭伤。

13)NOKIA公司已向国内提供了可以生产220一-500kV交联电缆的CCV绝缘生产线,并保持很小的绝缘偏芯度。

14)全国已在4条VCV交联生产线中加装了Relexation松弛装置,用以消除厚绝缘热应力。

15)交联度和热延伸的在线显示装置,交联电缆经过交联管时,可随时自动显示交联度或热延伸,不必进行现场检测。

16)采用烘房收线(用于去气和部份消除热应力)。

17)要有防水护层,110"-'-220kV超高压电缆埋设在地下时应具有金属防水护层18)采用1+1护套挤出机,用以同时挤包导电层。

对220kV超高压电缆除具备上述各项新技术外,还应开展电缆及附件的基础研究工作;如v-一电压寿命特性、采用威布尔分布统计研究寿命指数N值、高电场热循环研究、绝缘缺陷(杂质、微孔等)研究。除此以外还应具有红外光谱,Monsendo流变特性、DSC热扫描、卡费休水份检测、杂质微孔检测、局放检测装置以及全套高压试验室装置,才能有供应高质量220kV超高压交联电缆的可能。

六、提高交联电缆工艺的稳定性

提高交联电缆工艺的稳定性,降低交联电缆绝缘的热应力是提高产品质量的主要措施(将于电缆的工艺理论中详细介绍),实质上交联度和热应力是相互影响而不可分割的内容,要提高交联工艺的稳定性,均匀交联度,就不会形成较大的热应力。在中低压电缆生产时,由于交联管传热不一致,就要影响交联度,但在长期生产过程中,管壁上积累了一层污垢后,管壁传热就不均匀,应定期将污垢清除,同时要充分利用交联工艺计算机软件生产电缆,建立一套合理的交联工艺制度,不能随便改动,还应注意环境温度的变化,冬天和夏天因室温不同、交联工艺也有区别,要用计算机计算并将其结果输入并贮存在计算机内,才能使生产工艺保持稳定。我有幸曾访问过北欧几家大的电缆企业、该企业生产的所有产品品种规格和生产工艺都贮存在计算机内,并记录生产环境和各项参数,电缆上有生产年月印刷标志,产品在使用中如有任何问题,可随时调用存在计算机内某年月生产的工艺档案资料。对于高压电缆,要求则更高,已按工种项目编号将电缆所有参数送入档案,每根高压电缆均有产品结构、生产工艺、运输按装、附件配套、以及运行试验等工程档案。在80年代末欧洲早就广泛地应用计算机进行生产和管理了,并利用出厂试验时对有工艺缺陷的产品进行局部放电定位检测,再将测量结果返回到工艺部门,进一步进行研究和改进,经常会发现下列几个问题:

(1)导体不光滑又未很好紧压,或紧压后留有边翅,使内半导电层刺破。

(2)内半导电料因挤出温度控制不好形成预交联等焦烧粒子,或因塑化不好半导电层不能均匀地挤包在导体上,甚至出现脱包和露铜等现象。

(3)半导电料未按规定烘干和绝缘料受潮、使电缆内残留水分,形成不规则的微孔。

.(4)由于绝缘料中分子量变化较大,在更换电缆料牌号时,又未经过工艺试验,

使绝缘料塑化不好,形成夹层等塑化不良现象,日本六大公司均采用企业自行混料,如采用外购料时,也不能轻易改变供料渠道。

(5)交联工艺不稳定,交联度不均匀,绝缘冷却过快或冷却水温过低等均可造成绝缘热应力,如局放不合格,将电缆放置数天后,局放将有所好转,这就是交联工艺不好的证明,如绝缘中在交联剂析出,交联温度又较高,绝缘在高温下流趟,形成凹坑,使产品报废。

(6)生产速度不稳定,走线颤动,或由于电缆生产中规格变化较大使电缆悬链常数变化较大,又未移动上牵引轮距离,内半导电层挤出后,会在双机头处擦伤,造成局放不合格。.、

(7)铜带绕包质量不好,或铜带过硬压伤了外半导电层,造成局放不合格。

(8)铝芯35tara2小截面电缆在交联管内拉细:由于收线设备陈旧,传动配合不灵敏,使小截面铝芯电缆导体局部拉细。

上述种种现象,都可从局放定位中找到,再改进生产工艺,北欧一家电缆厂保存有3~5年出厂试验记录,在这几年内局放均稳定在3pC以下,获得了国家技术监督中心免检的证明,如用户使用中一旦发现问题,可很快的取得索赔或更换。



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