淺談220kV交聯聚乙烯電纜絕緣收縮率

查傳忠

(遠東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

110 kV及以下電壓等級交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜國家標準都對XLPE絕緣收縮率作出了不大于4%的規定要求。現行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——試驗方法和要求》兩個標準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懸鏈式(以下簡稱HCVV)交聯電纜生產線工藝特點研究，利用HCCV生產線硫化管道長的特點，在生產線上有針對性的采用一些工藝技術措施，試驗證明220 kV XLPE絕緣收縮率是能夠達到不大于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，從無序變為有序的過程。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;聚乙烯分子發生取向，并能輕易誘導出許多晶胚，使晶核數量增加，結晶時間縮短，加速了結晶作用，結晶度增大。當聚乙烯絕緣恢復至常溫，擠出時產生的內應力(收縮內力)使得結晶的聚乙烯分子容易解取向(回縮)。因此，XLPE的熱收縮是經過交聯的高分子聚合物固有特性，也稱為彈性記憶效應。

相比于中低壓交聯電纜，高壓XLPE電纜由于絕緣厚度比較厚，聚乙烯交聯之后的降溫過程中，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，而絕緣層內部(靠近線芯部分)因未能及時降溫而處于膨脹狀態，很容易產生沿軸向和徑向的由于膨脹情況不同而導致較大的熱應力，增大了絕緣的收縮。

2 HCVV生產線工藝技術特點

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

2.1 導體預熱

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

2.2 交聯加熱段和冷卻段長度長

聚乙烯從擠出機出來后，隨即將自動送進充滿高溫保護性氣體的密封交聯管內，聚乙烯在交聯管中經歷從吸熱開始發生分子間交聯到冷卻段冷卻收縮的過程。

加大交聯管加熱段長度，有利于聚乙烯在管道里獲得理想的加熱溫度;延長交聯管冷卻段，采用循環氮氣冷卻，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生應力。

HCVV交聯電纜生產線交聯管道總長176 m，其中懸鏈段55 m，加熱段八節，長45.6 m，冷卻段121 m。

2.3 低溫交聯

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

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

3 生產工藝和實測結果

表1～表3分別列出了我公司生產127/220 kV YJ 2500 mm2高壓電纜的結構尺寸、生產工藝參數和絕緣熱收縮試驗數據。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是我公司生產其它規格220 kV高壓交聯電纜絕緣熱收縮的試驗統計數據，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結構尺寸

表2 127/220kV YJ 2500 mm2生產工藝參數

表3 127/220kV YJ 2500 mm2絕緣熱延伸和熱收縮試驗

表4 其它規格220 kV絕緣熱收縮試驗

4 結束語

高壓XLPE電纜絕緣熱應力是客觀存在的，生產過程中應采用相應的工藝技術手段改善絕緣內熱應力，降低電纜絕緣收縮對XLPE絕緣性能的影響。本文通過對HCVV工藝技術的研究和分析，利用HCCV生產線硫化管道長的特點，選用低溫交聯和有效冷卻工藝，以及導體預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.小規格硅烷XLPE絕緣電纜的絕緣熱收縮［J］.光纖與電纜及其應用技術，2011(1):17-18.

［3］朱曉輝，杜伯學，高 宇，等.交聯工藝對XLPE結晶的影響［C］//中國2010電力電纜狀態檢修技術交流會議論文集.251-254.

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