CCV交联工艺生产高压电力电缆的特点及其绝缘偏心的控制.pdf

2 0 0 9年第 2期 No ． 2 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 0 9年 4月 Ap r ．， 20 0 9 C C V交联工艺生产高压电力电缆的特点 及其绝缘偏心的控制 汪 传 斌 ( 远东电缆有 限公司 ， 江苏 宜兴 2 1 4 2 5 7 ) 摘要 ： 通过对远 东控股集团引进德 国 T r o e s t e r 公司最新 的 5 0 0 k V悬链式 交联 电缆生产线的技术特 点、 控制绝 缘偏心的研 究 ， 进一步说明高压交联 聚乙烯绝缘电力电缆应 用悬链 式( C C V) 交联 工艺是完全 可行 的， 其绝缘 偏心控制水平甚至要好 于立式( V C V) 交联 工艺。 关键词 ： 交联 聚乙烯绝缘 电力电缆； C C V交联 工艺； 技 术特点 ； 绝缘偏 心控制 中图分类号 ： T M 2 4 7 ． 1 ； T M 2 0 5 ． 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 — 6 9 0 1 ( 2 0 0 9 ) 0 2 - 0 0 1 6 - 0 3 Ch a r a c t e r i s t i c s o f t he Pr o d uc t i o n o f HV Po we r Ca bl e s b y t h e CCV Li n e a n d i t s Co nt r o l o f I ns u l a t i o n Ec c e n t r i c i t y W ANG Ch u a n ． bi n ( F a r — E a s t C a b l e C o ．，L t d ． ，Yi x i n g 2 1 4 2 5 7，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n v e s t i g a t i o n o f t h e t e c h n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e 5 0 0 k V c a t e n a r y c o n t i n u o u s v u l c a n i z a t i o n ( CC V)l i n e i mp o se d f r o m TROES TER，Ge r ma n y b y Fa r — Ea s t Ho l di n g Gr o u p a nd i t s c o n t r o l o f i n s u l a t i o n e c c e n t r i c i t y de mo n s t r a - t e d f u r t h e r t h a t pr o du c t i o n o f HV XL PE p o we r c a b l e s b y t h e CCV l i ne was c o mpl e t e l y f e a s i b l e a n d t h a t t he CCV c r o s s l i n k i n g e v e n h a d b e t t e r c o n t r o l o f i n s u l a t i o n e c c e n t r i c i t y t h a n t h e v e rt i c a l c o n t i n u o u s v u l c a n i z a t i o n ( VC V) c r o s s l i nk i ng ． Ke y wo r ds ：XLPE po we r c a bl e；CCV c r o s s l i n k i n g；t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ；c o n t r o l o f i n s u l a t i o n e c c e n t r i c i t y 0 引 言 高压 交联 聚 乙烯 ( X L P E) 绝 缘 电力 电 缆 ( 以 下 简称交联电缆) 应用 C C V制造工艺 ， 其技术可行性 与产品质量可靠性至今仍是部分高压电力电缆用户 关心的问题。实际上 ， 自该产品问世以来 ， 人们一直 在不断研究用 D C P这种过氧化物交联聚乙烯高分 子材料的各种工艺方式 ， 无论是立式( V C V ) 化学交 联 工艺 ， 还是 悬 链 式 ( C C V) 化 学 交 联 工 艺 ， 都 得 到 了长足的技术进步。尽 管 V C V在制造高压尤其是 超高压交联电缆 比 C C V更为简便， 绝缘偏心易于保 证 ， 但悬链式交联工艺制造高压乃至超高压交联电 缆更能体现其具有更高 的技术水平 ， 不仅生产效率 提高 ， 而且投资成本降低。尤其是近年来 ， 悬链式交 联工艺其生产线 自动控制技术更为完善， 悬垂控制 更加可靠， 机头流道设计更加科学， 并且 ， 采用 了导 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 1 -01 作者简 介 ： 汪 传斌 ( 1 9 5 6一) ， 男 ， 教 授级 高工 ， 总工 程 师． 作者地址 ： 江苏宜兴市高塍镇 远东路 8号 [ 2 1 4 2 5 7 ] ． 体预热 ， 在线精确测量 ， 无摩擦重力落料 ， 大张力双 旋转牵引， 交联管温度依据 聚合物交联特性采用计 算 机软 件 自动控 制等 ， 这些都 极大 地提 升 了 C C V交 联工艺制造高压与超高压交联电缆的技术先进性。 用 C C V工艺生产的高压交联 电缆投入运行 的历史 还可追溯至立式交联工艺之前 ， 而且 电缆安全运行 至今 ， 这些均说明其产品质量是可靠的。 本 文通过对 远 东控 股集 团引进 德 国 T r o e s t e r 公 司最新 的 5 0 0 k V 悬链 式交 联 电缆 生 产线 的技 术 特 点、 控制绝缘偏心的研究来进一步说 明高压交联聚 乙烯绝 缘 电力 电缆应 用 C C V交 联 工 艺 是完 全 可 行 的， 其技术是先进的， 绝缘偏心控制水平甚至要好于 V C V交联 工艺 。 1 5 0 0 k V悬链式交联生产线 的技术特点 1 ． 1 生 产线 的 自动控 制技术 最新的5 0 0 k V悬链式交联 电缆生产线 的主要 技术参数 ： ( 1 )导体截面 2 4 0— 2 5 0 0 m m ， 导体直径 l 6— 6 5 m m， 适合于圆形紧压导体、 分割导体； ( 2 )导体屏蔽 0 ． 4～ 2 ． 5 mm， 绝缘厚度 8 ． 0一 2 0 0 9年第 2期 No． 2 2 0 0 9 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca bl e 2 0 0 9年 4月 Ap r ．， 2 0 09 3 5 m m， 绝缘 屏蔽 0 ． 4～ 2 ． 5 m m； ( 3 )三层共 挤 电缆 最 大外径 1 4 5 mm， 悬 链控 制 电缆 最大 重量 3 5 k g ／ m； ( 4 )生产线 设计最 大 速度 3 0 m ／ m i n ， 全 干式 氮 气保 护连续 交联 ； ( 5 )交联 管长 度 1 6 7 m， 其 中悬链 段 5 5 m， 加热 段 4 5 ． 6 m， 冷 却段 1 1 2 m； ( 6 )收线处导体最高温度 5 5℃。 整 条生产 线 的电气 与操 作 分别 由 T I L C ． 3与 S i ． e m e n s $ 7 - 4 0 0 P L C智能 控 制 。 内屏 、 绝 缘 、 外 屏 挤 出 机 根据 生产线 同步控 制特 性可 自动 跟踪调 节 。放 线 架 的速 度 由储 线 器 或 T U R 2 5 0 0张 力 转 向轮 控 制 。 生 产速度 由上旋 转 计米 履 带 牵 引 机控 制 ， 下 旋 转 履 带牵引机依据生产速度控制电缆位置。辅助牵引机 依据 T R U 4 0 0 0张 力转 向 轮控 制 收线 。 交 联 管 温 度 依据 聚合 物挤 出量 和 生 产 速 度 由 P L C中 央处 理 器 自动控制。电缆经交联管加热段进入预冷段后采用 循环氮气冷却 。 1 ． 2机头流道 改进 设计 该公司三层共挤机头流道不同于传统 的圆柱体 流道 ， 而是采用了圆锥体流道 ( 见图 1 ) 。这种流道 即便连续使用较长时间， 也不会在流道壁上产生预 交联 的残 留物 ， 因 为物 料 在 流动 过 程 中挤 压力 逐 渐 增加 ， 所有物料均被向前推进， 并使熔融的物料到达 模 口处更 密实 。 图 1机 头 流 遭 结 构 1 ． 3 重力 落料 系统 内屏蔽 、 绝缘 、 外屏蔽料均采用重力落料 系统 ， 屏蔽料落料还配有除湿干燥功能， 重力落料使粒料 之间以及管壁对粒料的相互摩擦极小 ， 是一种以低 速、 稠密、 粒料排队的输送方式进入挤出机， 极 大地 减少了传统吸料工艺产生的粉尘和细末 ， 也大大减 少了与管壁摩擦产生的细微杂质 ， 且整个输送 过程 为全封闭， 使粒料不受污染。 此外 ， 为保持重力落料场所的洁净要求 ， 落料间 为千级洁净加料 间， 即每立方米空气 中大于 5 m 尘 埃数 小 于 2 5 0个 ， 而 大 于 0 ． 5 m 的 尘 埃 数小 于 3 51 0 0 0个 。 1 ． 4 在 线厚度 与偏 心测 量 该生 产线 配置 了 由瑞 士 Z U MB A C H电子 公司设 计制造的 R A Y E X 2 2 0型 x射线偏心厚度在线测量 仪 ， 测量范围最大 1 6 0 m m， 测量半导体屏蔽最小厚 度为 0 ． 3 m m， X L P E绝缘最大厚度为 4 0 m m， 测量精 度 0 ． 0 3 m m， 分辨率 0 ． 0 1 m m。 1 ． 5导体预 热 该生产线配置了在线中频感应加热导体预热装 置 ， 其功率为 1 0 0 k W。导体预热装置温度设定后 可 与生产线速度 同步跟踪 ， 以确保导体预热效果。对 于高压交联电缆导体预热并不完全为了提高生产效 率 ， 而在于改善交联电缆绝缘的热应力， 降低了交联 管的交联温度 ， 从而降低电缆在交联加热段 的温度 ， 避免 了高温交联 ， 使电缆绝缘内外温差减小 ， 避免绝 缘向导体过于收缩 、 向外部过于膨胀 。采用导体预 热也 有利 于抑制 X L P E绝 缘 的融熔 变形 。 图 2为 6 4 ／ 1 1 0 k V 2 4 0 m m 规 格交 联 电缆 在 导体温度 2 0 c I = 与 8 0℃时交联管设定温度与电缆绝 缘 线芯 表面 温度 的差异 。 400 3 5 0 3 0 o 2 5 0 5 0 O ＼ 赠 3 5 0 3 0o 2 5 0 2 o o 1 50 l 0 o 5 O O a )导体温度为 2 O℃ b )导 体 温度 为 8 0 ℃ 图 2 6 4 ／ 1 1 0 k V 2 4 0 mm 电缆 导体温度 为 2 O℃和 8 O℃ 时交联 管设 定温度 与绝缘线芯 表面温度 的差 异( 图中 横座标 S P B 、 H O 1 、 H O 2 ⋯⋯H0 8分别 为交 联加热管 自 机头 的连接管 ( S P B ) 、 第 1 段 、 第 2段⋯⋯第 8段) +交联管设定的温度 +绝缘线芯表面温度 +绝缘线芯外径变化( mm) 1 ． 6双旋 转牵 引控 制绝缘 偏心 该条生产线配置了同步双旋转履带牵引 ， 上牵 引为 R A G G 9 0 ／ 2 9计米旋转 牵引 ， 即通 过导体直径 可达 9 0 m m， 皮带接触长度为 2 9 0 0 mm， 牵引张力为 7 0 0 0 0 N； 下牵引为 R A G G 1 5 0 ／ 3 8张力旋转牵引 ， 即 通过电缆直径可达 1 5 0 mm， 皮带接触长度为 3 8 0 0 l 7 2 0 0 9年第 2期 No． 2 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t ric Wi r e＆ Ca bl e 2 0 0 9年 4月 Ap r ．， 20 0 9 mm， 牵 引张力 为 8 1 6 0 0 N， 设计 最大速度为 3 5 m ／ mi n ； 牵引旋转速度依据电缆规格 、 绝缘厚度、 生产速 度 自动 跟踪调 节 。 2 控制绝缘偏心 的研究 高 压交联 聚 乙烯 电力 电缆 的绝 缘厚 度相对 于 中 压电缆要厚得多 ， 尤其是导体直径愈小 ， 导体表面场 强 愈高 ， 要求 绝缘厚 度愈 厚 。 悬链式交联工艺， 由于绝缘挤 出后在融熔状态 未交联 固化 之前将 受 到重力 作用 而产生 下垂 引起绝 缘偏心 ， 这种下垂现象与绝缘聚合物的熔体流动性 ( 熔融指 数 、 温度 ) 、 挤 出压力 、 交联 管 加 热温 度 密切 相关 ， 分析研究表明下垂现象还与导体直径、 绝缘厚 度存在联系。 电缆旋转控制绝缘偏心 的厚理是 ： X L P E绝缘 层中每一个微小单元受重力作用， 连续 的按 自身作 圆周改变重力方 向， 而电缆旋转使绝缘 中每一微小 单元 的运 动速度 以维持 其重 力方 向 的改变 而不发生 位移 为适宜 。 图 3为 绝缘 中微 小单 元 受 重力 作 用 与运 动 轨 迹 。 图 3绝 缘 中微 小 单 兀 受 力 与 运 动 轨 迹 通过分析可知 ， 绝缘 中的每一微小单元 即随着 电缆做顺 时针 方 向匀 速旋 转 ， 同 时 自身 受 重力 作 用 在一个圆周上其受力方向做逆时针旋转 ， 如果旋转 速度与每一微小单元 自转维持平衡 ， 则聚合物材料 就不会发生位移 ， 随着分子链间化学交联健 的形成 使绝缘由塑性变为固性。 通过试验还发现： 对于相同直径的导体 ， 其绝缘 厚度愈厚 ， 则要求旋转的速度要快 ； 对于绝缘厚度相 同， 而导体直径愈大， 则要求旋转的速度相对要慢。 通过试验和分析 ， 可 以得 出在保证聚合物设计 厚度的条件下， 生产线速度、 导体直径与绝缘聚合物 厚度、 牵引旋转速度参数之间的一些相 互关 系( 见 图 4～图 6 )。 i 2 ．5 县 2 ．0 0． 5 。 、1 ． 5 1 ． 0 鞋 0 ．5 o 2 4 3 0 4 O 5 O 6 3 8 0 1 O 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 5 0 导体规格 ／ mm 2 图 4 生产线速度与导体 ( 铜) 规格的关系 0 ．2 5 皇0 ．2 0 O． 1 5 黜 解0 2 4 3 0 4 0 5 O 6 3 8 0 1 0 0 l 2 0 1 4 0 1 6 0 l 8 0 2 0 0 2 2 0 2 5 0 导体规格 ／ mm 2 图 5 绝缘厚度／ 导体 ( 铜) 直径的 比值 与 导体 ( 铜 ) 规格 的关 系 2 4 3 0 4 0 5 0 6 3 8 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 2 0 0 2 2 0 2 5 0 导体规格 ／ mm2 图 6 牵引转速 与导体 ( 铜 ) 规格的关系 我 们 在 该 条 生 产 线 上 生 产 6 4 ／ 1 1 0 k V和 试 制 1 2 7 ／ 2 2 0 k V电缆均选择熔体指数 与立式工艺相同 的超净绝缘材料——D O w 化学 H F D E - 4 2 0 1 S C。挤 出机的温控精度能保持绝缘料熔融温度稳定 ， 机头 锥形流道和模具的配置能稳定较高挤 出压力， 采用 导体预热能有效降低交联管的交联温度和电缆表面 温度 ， 通过壁厚测量正确的校正偏心 ， 并通过上下牵 引同步旋转 电缆能保证绝缘偏心控制在 5 ％ 以内， 甚至好 于 3 ％ 。 3 结束语 最新的 5 0 0 k V C C V悬链式交联 电缆生 产线 ， 由于其提高了 自动控制技术 ， 并采用 了重力落料 、 导 体预热、 壁厚偏心在线测量、 圆锥体流道机头、 双旋 转牵引等多项新技术 ， 使得高压交联 聚乙烯绝缘电 力电缆的绝缘偏心得到了可靠的控制。经远东电缆 有限公司实际生产验证 ， 其 电缆绝缘偏心度指标达 到了较高水平 ， 完全可以控制在 5 ％以内， 精确调整 可 以好于 3 ％ 。