新技術(shù)在高壓電纜VCV生產(chǎn)線的應(yīng)用

劉召見， 馬蘭杰

(特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271200)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市電網(wǎng)的改造加劇，高壓電纜的用量正在以每年近25%速度增長，龐大的市場需求刺激各電纜企業(yè)，在建、已建高壓電纜VCV生產(chǎn)線已達92條。同時，由于城市用電量激增，更高電壓等級(≥220 kV)、更大導(dǎo)體截面(≥1 600 mm2)的高壓電纜產(chǎn)品需求量大增，也給電纜制造供應(yīng)商提出了更高技術(shù)要求，加大了制造工藝難度［1］。為了保證高端電纜產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，各企業(yè)的高壓電纜生產(chǎn)線逐步引入了導(dǎo)體預(yù)熱、潔凈度掃描、進口端熱處理、在線應(yīng)力松弛等新技術(shù)，并實現(xiàn)了卓有成效的應(yīng)用。本文主要介紹了近幾年應(yīng)用于高壓電纜立式連續(xù)硫化(VCV)生產(chǎn)線的新技術(shù)，并針對新技術(shù)應(yīng)用對高壓電纜VCV生產(chǎn)線生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的影響做了簡要分析。

1 導(dǎo)體前置預(yù)熱、后置加熱

導(dǎo)體前置預(yù)熱是一種成熟的應(yīng)用技術(shù)，目前已在國內(nèi)多數(shù)高壓交聯(lián)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。導(dǎo)體前置預(yù)熱在機頭上方2 m左右，原理是利用高頻感應(yīng)加熱，將導(dǎo)體加熱到80～100℃(最高120℃)，然后再進行內(nèi)屏蔽、絕緣、外屏蔽三層共擠，可以有效驅(qū)除導(dǎo)體內(nèi)潮氣，使導(dǎo)體溫度更接近于擠出溫度，擠包在導(dǎo)體表面的材料流動性會達到最佳效果，同時也可縮短電纜的交聯(lián)時間，提高生產(chǎn)效率。

后置加熱和導(dǎo)體前置預(yù)熱有相同的加熱機理，但加熱位置和作用不同。后置加熱系統(tǒng)安裝在十字機頭后(如圖1所示)，保證了絕緣線芯在進入交聯(lián)管前，將導(dǎo)體材料加熱到一定溫度(最高可加熱到180℃)。交聯(lián)過程中，熱量從絕緣線芯外部、內(nèi)部同時傳遞，改善屏蔽層及絕緣層交聯(lián)過程的均一性，可有效地抑制絕緣層因溫度分布不均衡而產(chǎn)生熱機械應(yīng)力。采用后置預(yù)熱系統(tǒng)，生產(chǎn)線速度得到明顯提高，以1 000 mm2132 kV產(chǎn)品為例，試驗證明生產(chǎn)線采用后置預(yù)熱裝置，其生產(chǎn)線速度比無后置預(yù)熱系統(tǒng)時提高了48%。后置預(yù)熱是近幾年芬蘭Maillefer、德國TROESTER在中國推廣的一種技術(shù)，首先由沈陽古河使用。除日資企業(yè)外，2004年特變電工魯纜公司500 kV生產(chǎn)線第一次使用該技術(shù)。從近幾年的使用情況看，加熱系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能夠提高絕緣層品質(zhì)，提高生產(chǎn)線速度。

圖1 導(dǎo)體后置預(yù)熱器

2 純凈度掃描檢測系統(tǒng)

絕緣料純凈度檢測掃描系統(tǒng)CSS2(Cleanliness Scanning System)是由SIKORA公司開發(fā)的絕緣料純凈度在線檢測系統(tǒng)。其工作原理是:絕緣料流過聯(lián)接器的掃描腔，掃描器的掃描光通過掃描窗穿過帶狀絕緣料，被安裝在另一窗口的掃描器攝像系統(tǒng)成像，攝像系統(tǒng)所得到的有關(guān)材料的雜質(zhì)信息，通過數(shù)據(jù)處理顯示在顯示器上，系統(tǒng)可分辨20 μm的吸收光線的雜質(zhì)顆粒。該系統(tǒng)界面如圖2所示，在線實時監(jiān)測絕緣料中雜質(zhì)顆粒大小及數(shù)量，并可對雜質(zhì)進行準(zhǔn)確定位。該系統(tǒng)的應(yīng)用，一方面可以研究雜質(zhì)大小對電纜局放、耐壓的影響，另一方面也可以保證生產(chǎn)絕緣線芯的質(zhì)量。

圖2 純凈度掃描檢測系統(tǒng)

因該裝置價格較高，國內(nèi)多數(shù)生產(chǎn)線僅僅預(yù)留了安裝接口，目前并未安裝。1996年特變電工魯纜公司220 kV生產(chǎn)線已使用該技術(shù)。從近幾年的使用情況看，對制訂高壓電纜絕緣質(zhì)量提高的措施、分析研究雜質(zhì)對絕緣性能的影響起到較大的作用。

3 絕緣厚度測量系統(tǒng)

該裝置放在分離盒內(nèi)十字機頭之后聯(lián)機使用，利用X-Ray掃描，對擠出尺寸進行在線實時連續(xù)測量并迅速向計算機控制系統(tǒng)反饋測量信息，計算出電纜絕緣各層(內(nèi)屏蔽層、絕緣層、外屏蔽層)的厚度、線芯的同心度及外徑(如圖3所示)。X-Ray測量系統(tǒng)不僅測量準(zhǔn)確，精度高，顯示直觀，而且通過控制模塊與生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成反饋回路，自動調(diào)節(jié)每層的厚度和電纜外徑，對生產(chǎn)過程自動監(jiān)控，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。該裝置的使用進一步保證了電纜的圓整度和同心度，偏心度可控制在5%以內(nèi)(IEC 62067標(biāo)準(zhǔn)要求偏心度不大于8%［2］)，極大地改善了因絕緣線芯擠出厚度不均造成絕緣偏心或橢圓狀引起的電場畸變，滿足了高壓電纜對結(jié)構(gòu)尺寸的嚴(yán)格要求。

圖3 X-Ray在線測偏測厚儀

4 進線端熱處理(EHT)系統(tǒng)

EHT(entry heat treatment)裝置放置在十字機頭之后，伸縮密封管中，如圖4所示。

圖4 進線端熱處理(EHT)循環(huán)系統(tǒng)

絕緣線芯出機頭后，因?qū)w具有大的熱容，絕緣層熱量向?qū)w傳遞，導(dǎo)致絕緣內(nèi)層溫度降低，絕緣內(nèi)層物理狀態(tài)為固態(tài)。絕緣外層雖處于熔融狀態(tài)，分子間交聯(lián)使得絕緣外層穩(wěn)定不流延，固態(tài)及交聯(lián)態(tài)之間部分，絕緣層處于非交聯(lián)的熔融狀態(tài)，導(dǎo)致絕緣層下垂，絕緣線芯偏心、橢圓狀［3］。為了減少熔融狀態(tài)的未交聯(lián)絕緣層部分，EHT系統(tǒng)利用循環(huán)氮氣冷卻絕緣線芯表面，使絕緣層材料溫度處于臨界熔融溫度，避免了材料下垂流延，降低線芯的偏心度、橢圓度，改善線芯的外形。EHT裝置是解決CCV生產(chǎn)線生產(chǎn)厚絕緣中壓電纜而開發(fā)的一種技術(shù)，目前已擴展到VCV生產(chǎn)線生產(chǎn)高壓和超高壓電纜。世界上第一條VCV生產(chǎn)線使用EHT技術(shù)的是ABB公司。沈陽古河新投產(chǎn)的第五條VCV生產(chǎn)線在國內(nèi)首次使用該技術(shù)，特變電工魯纜公司目前新安裝的兩條500 kV VCV生產(chǎn)線中的一條也采用了該技術(shù)。關(guān)于EHT在VCV生產(chǎn)線的應(yīng)用沒見國內(nèi)外相關(guān)報道，該系統(tǒng)在CCV上的作用同樣適用于VCV生產(chǎn)線上，但效果不如CCV明顯(由于VCV本身的優(yōu)點)。

據(jù)麥拉菲爾工藝工程師舉例試車情況:以400 kV 2 500 mm2為例，使用EHT后最大外徑與最小外徑差0.5～0.7 mm;不使用EHT時，差距增大到1.0～1.3 mm。同時本公司此次新上的兩條500 kV生產(chǎn)線(除EHT系統(tǒng)外同配置)使用EHT的實際效果，我們將跟蹤介紹。為提高高壓電纜產(chǎn)品質(zhì)量，該技術(shù)的使用是VCV生產(chǎn)線配置的又一次升級。

5 在線應(yīng)力松弛和在線應(yīng)力減少系統(tǒng)

導(dǎo)體三層共擠(內(nèi)屏蔽、絕緣、外屏蔽)后，進入交聯(lián)階段，在高溫、高壓氮氣中完成交聯(lián)，此時絕緣料的溫度在200℃以上(一般外屏蔽溫度控制在275℃以下)。進入冷卻段后絕緣芯被循環(huán)壓力氮氣冷卻，絕緣芯內(nèi)外層冷卻不同步，導(dǎo)致絕緣芯層冷卻結(jié)晶、變硬后在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生徑向機械應(yīng)力(如圖5所示)。徑向應(yīng)力降低了導(dǎo)體和導(dǎo)體屏蔽間的壓力，而增加絕緣的收縮，同時應(yīng)力也增加了在絕緣內(nèi)形成微小裂紋和微孔的危險性。故在生產(chǎn)線上宜采用相應(yīng)的技術(shù)，以改善絕緣芯徑向機械應(yīng)力，降低電纜絕緣收縮、絕緣內(nèi)的微孔及微小裂紋對XLPE絕緣的性能所引起的危害。

圖5 絕緣層徑向機械應(yīng)力示意圖

為解決高壓電纜絕緣內(nèi)的機械應(yīng)力，芬蘭Maillefer與德國TROESTER分別采用兩種不同的方案，前者采用在線松弛系統(tǒng)，后者采用在線應(yīng)力減小系統(tǒng)。在線應(yīng)力松弛系統(tǒng)是在交聯(lián)生產(chǎn)線的冷卻管中部增加兩段加熱區(qū)(每段約6 m)，在加熱區(qū)絕緣表面被重新加熱到220～260℃，在絕緣內(nèi)部收縮力和外部壓力的作用下，電纜絕緣壓向?qū)w，提高導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽間的壓力，消除絕緣內(nèi)由收縮而引起的機械應(yīng)力。在線應(yīng)力減小系統(tǒng)是在生產(chǎn)線交聯(lián)段末端增加冷卻保溫段(約5～16 m)，使交聯(lián)后溫度很高的電纜絕緣通過冷卻保溫段，使絕緣外部和內(nèi)部都降低到一個不阻礙絕緣收縮的溫度(110～120℃)。由于此時的電纜溫度已較低，進一步冷卻后的收縮量不大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，可減少機械應(yīng)力產(chǎn)生。

在線應(yīng)力松弛及在線應(yīng)力減少系統(tǒng)在國內(nèi)外均已被采用，而且已積累了相當(dāng)豐富的使用經(jīng)驗。Kouti T.K等研究［4］已證實VCV生產(chǎn)線采用在線應(yīng)力松弛裝置可有效減小絕緣芯層內(nèi)部機械應(yīng)力及絕緣收縮，但國內(nèi)尚無在線系統(tǒng)裝置的研究報道。從國內(nèi)外電纜廠家多條VCV生產(chǎn)線上采用了在線應(yīng)力消減裝置看，在線應(yīng)力消減裝置對降低機械應(yīng)力已產(chǎn)生了積極的作用。當(dāng)然，對于L型生產(chǎn)線，將在線應(yīng)力消減裝置放在水平段時，如不采用有效措施，會產(chǎn)生劃傷電纜的現(xiàn)象。這也是該技術(shù)存在爭議的方面。

6 結(jié)束語

為了提高電纜工藝性能，除高壓及特高壓電纜的基礎(chǔ)理論研究外，高壓、超高壓交聯(lián)電纜的發(fā)展經(jīng)驗證實設(shè)備技術(shù)的革新及應(yīng)用極大地提升了電纜產(chǎn)品的質(zhì)量。本文討論的高壓交聯(lián)生產(chǎn)線的技術(shù)革新、設(shè)備配置的提升，為生產(chǎn)高品質(zhì)高壓超高壓電纜產(chǎn)品提供了技術(shù)保障，而隨著輸配電網(wǎng)電壓等級不斷提升，可以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對高壓超高壓電纜產(chǎn)品質(zhì)量提出的愈發(fā)苛刻的要求。

［1］王 偉.交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版杜，1998.

［2］IEC 62067:2006 Power cables with extruded insulation and their accessonies for rated voltages above 150 kV(Um=170 kV)up to 500 kV(Um=550 kV)［S］.

［3］Pekka Huotari，Matti Sistola.Production of XLPE insulated high and extra high voltage cable corres in catenary CV line［J］.Wire Industry，1997(6):366-368.

［4］Kuoti T.K，Karppo J，Huotari P，Hongisto A.Experience in on-line relaxation of XLPE insulated high voltage cables［J］.Jicable95(A.2.3).