淺談220kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣收縮率

查傳忠

(遠(yuǎn)東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

110 kV及以下電壓等級交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜國家標(biāo)準(zhǔn)都對XLPE絕緣收縮率作出了不大于4%的規(guī)定要求?，F(xiàn)行GB/T 18890—2002《額定電壓220 kV(Um=252 kV)XLPE絕緣電力電纜及其附件》和 IEC 62067《額定電壓 150 kV(Um=170 kV)以上至 500 kV(Um=550 kV)擠包絕緣電纜及其附件的電力電纜系統(tǒng)——試驗方法和要求》兩個標(biāo)準(zhǔn)對絕緣收縮率都未作出要求。其主要原因是隨著絕緣層越厚，要求收縮率不超過4%很難做到。

本文通過對德國Troester公司最新500 kV懸鏈?zhǔn)?以下簡稱HCVV)交聯(lián)電纜生產(chǎn)線工藝特點研究，利用HCCV生產(chǎn)線硫化管道長的特點，在生產(chǎn)線上有針對性的采用一些工藝技術(shù)措施，試驗證明220 kV XLPE絕緣收縮率是能夠達(dá)到不大于4%的要求。

1 高壓XLPE絕緣收縮

聚乙烯是相與非晶相(無定形相)兩相共存的聚合物，其結(jié)晶過程就是大分子或鏈段通過分子間的相互作用力重新排列，從無序變?yōu)橛行虻倪^程。聚乙烯絕緣擠出時，在熔融溫度下受到剪切和牽引拉伸作用，使得聚乙烯分子的晶粒沿拉伸方向(縱向)尺寸增大、橫向尺寸減小;聚乙烯分子發(fā)生取向，并能輕易誘導(dǎo)出許多晶胚，使晶核數(shù)量增加，結(jié)晶時間縮短，加速了結(jié)晶作用，結(jié)晶度增大。當(dāng)聚乙烯絕緣恢復(fù)至常溫，擠出時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力(收縮內(nèi)力)使得結(jié)晶的聚乙烯分子容易解取向(回縮)。因此，XLPE的熱收縮是經(jīng)過交聯(lián)的高分子聚合物固有特性，也稱為彈性記憶效應(yīng)。

相比于中低壓交聯(lián)電纜，高壓XLPE電纜由于絕緣厚度比較厚，聚乙烯交聯(lián)之后的降溫過程中，絕緣不同位置的溫度分布差異性更大。絕緣層表面(外層)冷卻快，而絕緣層內(nèi)部(靠近線芯部分)因未能及時降溫而處于膨脹狀態(tài)，很容易產(chǎn)生沿軸向和徑向的由于膨脹情況不同而導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，增大了絕緣的收縮。

2 HCVV生產(chǎn)線工藝技術(shù)特點

HCVV交聯(lián)電纜生產(chǎn)線是德國Troester公司制造，其生產(chǎn)制造電壓等級110～500 kV。該生產(chǎn)線采用獨特的雙旋轉(zhuǎn)牽引同步控制絕緣下垂(本文不作介紹)以及大長度交聯(lián)加熱、冷卻等先進(jìn)技術(shù)和工藝手段提升和改善高壓XLPE電纜絕緣品質(zhì)。

2.1 導(dǎo)體預(yù)熱

HCVV生產(chǎn)線配置了在線中頻感應(yīng)加熱導(dǎo)體預(yù)熱裝置，其功率100 kW，生產(chǎn)中導(dǎo)體預(yù)熱溫度可達(dá)80℃，使導(dǎo)體溫度接近于擠出溫度，讓擠包在導(dǎo)體表面的材料流動性達(dá)到最佳效果，并且在預(yù)熱溫度設(shè)定后可實現(xiàn)與生產(chǎn)線速度同步跟蹤，以確保導(dǎo)體預(yù)熱效果。導(dǎo)體預(yù)熱最主要目的是降低聚乙烯絕緣層內(nèi)外溫差，避免絕緣向?qū)w過于收縮、向外部過于膨脹，改善厚絕緣交聯(lián)的均勻性和充分性。

2.2 交聯(lián)加熱段和冷卻段長度長

聚乙烯從擠出機(jī)出來后，隨即將自動送進(jìn)充滿高溫保護(hù)性氣體的密封交聯(lián)管內(nèi)，聚乙烯在交聯(lián)管中經(jīng)歷從吸熱開始發(fā)生分子間交聯(lián)到冷卻段冷卻收縮的過程。

加大交聯(lián)管加熱段長度，有利于聚乙烯在管道里獲得理想的加熱溫度;延長交聯(lián)管冷卻段，采用循環(huán)氮氣冷卻，使得XLPE絕緣體溫度遞減形成一個緩慢梯度，避免溫度遞減過快在絕緣中產(chǎn)生應(yīng)力。

HCVV交聯(lián)電纜生產(chǎn)線交聯(lián)管道總長176 m，其中懸鏈段55 m，加熱段八節(jié)，長45.6 m，冷卻段121 m。

2.3 低溫交聯(lián)

影響聚乙烯交聯(lián)因素有三個方面:材料活性、交聯(lián)溫度和交聯(lián)時間。在聚乙烯原材料選定之后，生產(chǎn)中交聯(lián)溫度和交聯(lián)時間是決定XLPE絕緣品質(zhì)優(yōu)劣重要工藝參數(shù)。文獻(xiàn)［3］以不同溫度交聯(lián)和交聯(lián)時間形成的XLPE薄片為試樣，通過對試樣測試和解析，分析交聯(lián)溫度和交聯(lián)時間對結(jié)晶過程的影響。文獻(xiàn)［4］圍繞XLPE生產(chǎn)過程中溫差導(dǎo)致絕緣中殘存熱應(yīng)力，用有限元法求解熱應(yīng)力的平衡方程，求解得到熱應(yīng)力和生產(chǎn)條件之間的關(guān)系，提出了生產(chǎn)過程中控制環(huán)境參數(shù)消除熱應(yīng)力的解決方案。上述說明聚乙烯的交聯(lián)歷程和熱歷程的不同而產(chǎn)生XLPE結(jié)晶形態(tài)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)方面的差異最終都會對XLPE材料的絕緣性能產(chǎn)生影響，表明高溫下交聯(lián)必須慎重，特別是對于絕緣厚度較厚的高壓交聯(lián)電纜，如果以提高交聯(lián)溫度、縮短交聯(lián)時間的方法追求生產(chǎn)速度，將影響絕緣品質(zhì)。

HCVV生產(chǎn)線管道較長，使得聚乙烯不必受加熱管道短少的限制而選擇高溫交聯(lián)工藝，從而可以選擇理想的低溫交聯(lián)工藝和交聯(lián)所必需的時間，避免聚乙烯從過高溫度區(qū)迅速進(jìn)入到低溫區(qū)冷卻，以使聚乙烯交聯(lián)熱過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力最小。

3 生產(chǎn)工藝和實測結(jié)果

表1～表3分別列出了我公司生產(chǎn)127/220 kV YJ 2500 mm2高壓電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)工藝參數(shù)和絕緣熱收縮試驗數(shù)據(jù)。從表3可知，127/220 kV YJ 2500 mm2電纜絕緣熱收縮率為3.1%，小于4%。表4是我公司生產(chǎn)其它規(guī)格220 kV高壓交聯(lián)電纜絕緣熱收縮的試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可見220 kV XLPE絕緣熱收縮能夠做到不大于4%的要求。

表1 127/220kV YJ 2500 mm2結(jié)構(gòu)尺寸

表2 127/220kV YJ 2500 mm2生產(chǎn)工藝參數(shù)

表3 127/220kV YJ 2500 mm2絕緣熱延伸和熱收縮試驗

表4 其它規(guī)格220 kV絕緣熱收縮試驗

4 結(jié)束語

高壓XLPE電纜絕緣熱應(yīng)力是客觀存在的，生產(chǎn)過程中應(yīng)采用相應(yīng)的工藝技術(shù)手段改善絕緣內(nèi)熱應(yīng)力，降低電纜絕緣收縮對XLPE絕緣性能的影響。本文通過對HCVV工藝技術(shù)的研究和分析，利用HCCV生產(chǎn)線硫化管道長的特點，選用低溫交聯(lián)和有效冷卻工藝，以及導(dǎo)體預(yù)熱和絕緣脫氣工藝手段，實踐證明220 kV XLPE電纜絕緣的收縮率是能夠做到不大于4%的要求的。

［1］GB/T 18890.1—2002 額定電壓220 kV(Um=252 kV)XLPE絕緣電力電纜及其附件第1部分［S］.

［2］陸正榮.小規(guī)格硅烷XLPE絕緣電纜的絕緣熱收縮［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2011(1):17-18.

［3］朱曉輝，杜伯學(xué)，高 宇，等.交聯(lián)工藝對XLPE結(jié)晶的影響［C］//中國2010電力電纜狀態(tài)檢修技術(shù)交流會議論文集.251-254.

［4］王 瑛，施 磊，曹曉瓏，等.XLPE電纜生產(chǎn)過程中熱應(yīng)力的計算［J］.電線電纜，2001(3):14-16.