交联聚乙烯绝缘阻水电力电缆结构设计及制造工艺.pdf

2013 年第 2 期 No．22013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 4 月 Apr．， 2013 交联聚乙烯绝缘阻水电力电缆结构设计及制造工艺 卫建良 ( 湖北龙腾红旗电缆( 集团) 有限公司， 湖北 宜昌 443004) 摘要: 介绍交联聚乙烯绝缘阻水电力电缆的结构设计和制造工艺， 对制造过程中各道工序的工艺要求作详细 阐述， 对质量提出控制方法。 关键词: 交联聚乙烯绝缘电力电缆;阻水结构设计;制造工艺;质量控制 中图分类号: TM247．1文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2013) 02- 0015- 03 XLPE Insulation Water- Resisting Cable Structure Design and Manufacturing Process WEI Jian- liang ( HuBei LT HongQi Cables Group Co．， Ltd．， Yichang 443004， China) Abstract:Introduction of the XLPE insulation waterproof power cable structure design，manufacturing process，the manufacturing process of each procedure in the process requirements of detail， to quality of the proposed control meth- od． Key words:XLPE insulated power cable;water resistance structure design;manufacturing process;quality control 收稿日期: 2012- 09- 24 作者简介: 卫建良( 1962 － ) ， 男， 工程师． 作者地址: 湖北宜昌市点军区李家河工业区［ 443004］ ． 0引言 国内交联聚乙烯( XLPE) 绝缘电力电缆的应用 已有三十几年的历史， 因其良好的电气和机械物理 性能， 且具有生产工艺简单、 结构轻便、 传输容量大、 安装敷设及维护保养方便、 不受落差限制等优点， 在 电力系统中得到广泛的应用。 上世纪 90 年代， 专家曾对国内某大型钢铁公司 进行调研， 发现 80 年代敷设的交联电缆， 由于没有 采用阻水结构， 电缆已无法运行， 电缆使用寿命没有 达到设计要求的 30 年。经对故障电缆解剖分析， 其 主要原因是 XLPE 电缆在敷设和运行期间， 外力造 成电缆护套及绝缘损伤或接头损坏时， 潮气或水分 会沿着电缆纵向和径向间隙渗入， 致使 XLPE 绝缘 在运行电压下生成水树枝。水树枝生长到一定长度 即会在水树枝尖端引发永久性电树枝缺陷， 最终导 致电缆绝缘击穿。 据统计， 国内电网 10 ～35 kV 电力系统中， 地下 直埋 XLPE 绝缘电缆基本上没有采用阻水结构， 普 遍在运行 8 ～12 年后生长出大量水树， 发生击穿事 故， 严重影响电网的安全运行。因此， 电缆阻水技术 对于保证 XLPE 电缆的可靠性与寿命都具有非常重 要的意义。 1阻水电缆结构设计 阻水型电力电缆通常应用于较为苛刻的运行环 境， 如长期浸在水中或排水不畅的环境， 以及雨水频 繁的热带或亚热带地区， 特别是用于江湖、 沼泽等水 下敷设环境。为此对电缆阻水结构采用径向与纵向 相结合的阻水设计。 国内径向阻水大都采用金属套， 虽然效果很好， 但影响电缆的弯曲性且增加本体重量。我们采用铝 塑复合综合护层作为径向阻水层， 通过纵包的铝塑 复合带和挤包的聚乙烯外护套共同作用达到阻水目 的。其阻水机理为: 当挤包聚乙烯护套时， 由于聚乙 烯融体高温和压力的作用， 铝塑复合带表面的聚乙 烯薄膜与聚乙烯护套的内表面得以很好地粘结， 同 时铝塑复合带纵包之间的搭盖也获得良好的粘结。 从而阻止了水分的渗入， 达到良好的阻水效果。 纵向阻水结构采用导体阻水材料填充， 绝缘线 芯表面绕包半导电阻水带， 成缆时用阻水绳填充， 铠 装缆芯外绕包阻水带。 我们为用户设计的阻水电缆型号规格为 FS- YJY33 8. 7/10 kV 3 300， 电缆的结构如图 1 所示， 结构尺寸参数见表 1。 2产品生产工艺流程 铜杆→拉丝( 连续退火)→导线绞合紧压( 阻水 材料填充)→导体屏蔽、 绝缘、 绝缘屏蔽三层共挤→ 半导电阻水带绕包→铜带屏蔽→成缆( 阻水绳填 充)→阻水带绕包→铝塑复合带纵包→低密度聚乙 烯内垫层挤制→钢丝铠装→阻水带绕包→高密度聚 乙烯外护套挤制→成品检验→包装入库。 3各道工序的工艺特点和质量要求 3． 1导体绞合 导体为符合 GB/T 3956 规定的退火裸铜线( 铜 的纯度≥99. 98%) 。导体绞制采用分层紧压成型， 保证了导体的紧密和结构稳定。紧压模为钻石涂层 纳米模， 紧压系数不小于 0. 9， 绞制后导体表面光 洁、 无油污， 无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、 锐边， 无凸起 或断裂的单线。绞制中导体层间采用半导电阻水带 绕包， 且不留有空隙， 其目的在于有效地抑制水分从 纵向渗入电缆导体内， 很好地起到了阻水的效果。 按 GB/T 3956—2008 的规定， 300 mm2铜导体 20℃ 时的直流电阻不大于 0. 0601 Ω/km， 由 60 根 直径 2. 62 mm 的单线同心绞合， 紧压后外径为 20. 6 mm。 图 1 FS- YJY33 8. 7/10 kV 3 300 结构 1 － 导体( 含阻水材料填充) 2 － 导体屏蔽3 － XLPE 绝缘4 － 绝缘屏蔽5 － 半导电阻水带加铜带绕包 6 － 阻水带绕包层7 － 铝塑复合带及内衬层 8 － 镀锌 钢丝铠装9 － 阻水带绕包层10 － 高密度聚乙烯护层 11 － 阻水绳填充 表 1电缆结构尺寸参数 ( 单位: mm) 项目名称数值 绞合铜导体直径20. 6 导体屏蔽直径22. 2 XLPE 绝缘直径 31. 2 绝缘屏蔽直径32. 8 半导电带绕包外径34. 3 铜带绕包屏蔽后外径34. 6 成缆后阻水带绕包层外径77. 5 铝塑复合综合护层后外径82. 2 镀锌钢丝铠装后外径88. 5 阻水带绕包后外径91. 5 高密度聚乙烯护层后外径99. 7 3． 2导体屏蔽 绝缘、 绝缘屏蔽三层共挤 3． 2． 1生产设备 选用青岛电工机械厂生产的交联绝缘三层共挤 生产线， 其中挤包导体屏蔽层为 65/25 挤出机， 挤 包 XLPE 绝缘层为 150/25 挤出机， 挤包绝缘屏蔽 层为 90/25 挤出机。配备德国 SIKORA 公司 X- RAY8000 型测偏仪。 3． 2． 2工序质量控制要点 ( 1)内、 外半导电屏蔽选用上海万益高分子材 料厂的材料， 其中外半导电屏蔽料采用可剥离的， 可 剥离 性 试 验 方 法 按 GB/T 12706. 2—2008 的 第 19. 21 条规定， 剥离力为 20N。 ( 2)绝缘采用万马高分子材料厂的抗水树 XLPE， 即 WTR- XLPE 绝缘材料。 ( 3)导体进机头前用铜刷除去毛刺和铜粉， 使 导体表面光滑， 保证屏蔽包覆质量。 ( 4)导体屏蔽及绝缘屏蔽的厚度控制在 0． 6 ～ 0. 8 mm。绝缘标称厚度为 4. 5 mm， 绝缘厚度平均 值不小于标称值， 任一点最小厚度不小于标称值的 90%。由于 XLPE 绝缘材料的热收缩性， 实际绝缘 厚度值选为 4． 5 1. 05 =4. 725 mm。 ( 5)按用户要求绝缘任一断面偏心度不大于 8%， 因此对模具尺寸要求特别严格， 模芯孔径比导 体直径大 0. 5 mm， 同时对模具装配的同心度、 装配 位置等严格规定; 对国内不同厂家的绝缘材料的流 动性作了详细对比分析， 选择低熔垂的绝缘料， 配备 在线测偏仪， 将绝缘偏心度控制在 5%以内。 ( 6)氮气纯度。在交联绝缘三层共挤生产过程 中， 如加热管中的氮气纯度不够， 混入了一部分空 气， 则绝缘会老化变色， 严重时会使绝缘表面硬化甚 至龟裂。我公司采用氮气自动供应装置， 以确保氮 气浓度在 99. 5% 以上。生产过程中定时排放废氮 及交联副产物， 确保绝缘表面外观质量。正常生产 时， 氮气压力保持在 1 MPa。 ( 7)硫化管清洁。清除硫化管内壁的碳化污 垢， 提高了硫化管温度控制精度， 硫化热源可有效地 传导到绝缘线芯中， 保证了绝缘的热延伸性能。 ( 8)空气净化室内加料。导体屏蔽料、 绝缘料、 绝缘屏蔽料均采用真空吸入料斗， 要求上料间内空 气必须过滤， 维持一定的正压力。我们建立了千级 净化室， 上料间的空气正压力控制在 l2． 5 N/m3，确 保加料室的清洁度。 ( 9)主机温度控制精度。绝缘料的挤出温度为 95 ～115 ℃。考虑到绝缘料在主机内停留及某些不 确定因素影响， 为不使绝缘料在主机内先期硫化， 主 61 2013 年第 2 期 No．22013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 4 月 Apr．， 2013 机温度控制精度取为 3℃。 ( 10)导电线芯在换盘续接时， 采用铜管压接连 接。交联线生产速度约为 6. 4 m/min， 完全可以在 10 min 内完成导体连接操作。铜管连接安全可靠、 强度高， 不会在硫化管内拉断。 ( 11)绝缘线芯生产后， 在自然环境下存放 2 天， 其目的是去气， 同时也消除了绝缘内应力。 3． 3半导电阻水带绕包 绝缘线芯外绕包一层 0. 5 mm 半导电阻水带， 包带重叠率控制在带宽的 18% ～20%。 3． 4金属屏蔽 金属屏蔽是保证电缆质量的关键。由于电力系 统对电缆安全性要求很高， 电缆采用消弧线圈接地 系统， 接地故障电流较大。因此要求采用一层厚 0. 1 mm、 宽 40 mm 的铜带重叠绕包， 重叠率不小于 带宽的 15%。绕包时铜带易发皱， 且不易包好， 因 此调整绕包角度和绕包张力显得尤其重要， 否则铜 带易擦伤绝缘线芯或铜带不服帖。另外， 为了克服 缆芯的摆动， 在包带前后加置定位模作支撑， 模具的 孔径比绝缘线芯的外径大 1. 5 ～2. 0 mm。 3． 5成缆及填充 成缆节径比控制在 25 ～ 30， 成缆绞向为右向。 成缆时中心及边缘均应用阻水绳填充密实， 缆芯外 绕包二层 0. 5 mm 阻水带， 阻水带重叠绕包， 重叠率 控制在带宽的 10% ～ 30%。成缆后电缆不圆度不 大于 10%。 3． 6铝塑复合带及内衬层 采用 YLY 型聚乙烯型双面铝塑复合带， 厚0. 32 mm， 铝带标称厚度为 0. 20 mm， 纵向包覆， 搭盖宽度 应大于 6. 0 mm， 热风枪焊接， 温度控制在 180 ～ 190 ℃。 内衬层选用低密度聚乙烯材料。内衬层的标称 厚度为 2. 0 mm， 其任一点的最小厚度不小于标称厚 度的 80% －0. 2 mm。挤出机各段挤出温度控制在 130 ～175 ℃， 挤出温度以塑化良好且断面无气孔为 准。螺杆转速控制在 25 r/min 以内。 3． 7钢丝铠装 铠装采用 78 根标称直径 3. 15 mm 的钢丝， 钢 丝绞向为左向， 节径比为 9 ～12， 总间隙不得超过一 根钢丝的直径。钢丝不应出现跳浜等现象， 钢丝接 头应对焊， 粗糙表面应修理平整， 接头处的钢丝直径 应与原直径基本相等。 钢丝外绕包二层 0. 5 mm 阻水带， 阻水带重叠 绕包， 重叠率控制在带宽的 10% ～30%。绕包后包 带应平整、 不起皱。 3． 8电缆外护套 电缆外护套采用高密度聚乙烯材料。标称厚度 4. 1 mm， 其任一点的最小厚度不小于标称厚度的 80% －0. 2 mm。挤出机各段加工温度控制在 130 ～ 175 ℃， 挤出温度以塑化良好且断面无气孔为准。 螺杆转速控制在 25 r/min 以内。护套挤出后的电 缆外径为 99. 7 mm。 4检测结果 将 FS- YJY33 8． 7/10 kV 3 300 电缆委托相关 部门进行性能检测， 试验结果见表 2。 表 2产品性能检测结果 项目名称标准值 测试结果 黄绿红 20℃导体直流 电阻/( Ω/km) ≤0. 06010. 05980. 597 0. 0598 局部放电量 ( 1. 73U0) /pC ≤10 2. 62. 52. 5 耐压试验 ( 3. 5U0、 5 min) 未击穿未击穿未击穿未击穿 绝缘偏心度/%≤104. 2 4. 34. 3 电缆径向 阻水试验 电缆两端露出水 面， 常温， 浸水 72 h， 绝缘表面应干 燥无水分 绝缘表面干燥无水分 电缆纵向 阻水试验 试验方法按 GB / T 12706. 2—2008 附录 F 电缆两端无水分渗出 5结束语 阻水型电力电缆经工艺试制， 电气及机械物理 性能符合 GB /T 12706. 2—2008 标准要求， 径向及 纵向阻水性能符合相关标准要求。产品已批量生 产， 可应用于内河及水位较高的沿海地区， 以及雨季 频繁的热带或亚热带地区。 参考文献: ［1］王春江， 吴荣美． 阻水型电缆的发展历程［J］． 电线电缆， 2009( 3) : 5- 8． ［2］吴倩， 刘毅刚． 高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技 术述评［J］． 广东电力， 2003( 4) : 1- 6． ［3］卓金玉． 电力电缆设计原理［M］． 北京: 机械工业出版社， 1999． 71 2013 年第 2 期 No．22013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 4 月 Apr．， 2013