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交联电缆交联工艺、及三种常见生产工艺各自的优缺点

发布时间:2019-05-03作者:来源:浏览次数:1266

一、 交联电缆用的原材料和半成品

1. 导体

交联电缆的导体绝大多数为圆形铜、铝绞线。也有实芯导体,1kV以下可采用扇形导体。

圆单线质量要求:表面光滑、无油污、无变黑、无碰伤、无划伤等。

交联电缆导体必须采用紧压线芯。这是为避免在交联管道中的高温、高压下将屏蔽料和绝缘料压入绞线间隙而造成废品;同时还可以阻止水分沿导体方向渗入,从而防止水树枝的产生与发展。可见,紧压工艺是保证电缆运行可靠性的一项关键措施。

2. 绝缘料

交联电缆用的绝缘料是:交联聚乙烯。

交联聚乙烯的大致组成为:聚乙烯:抗氧剂:交联剂=100:0.3~0.5:1.5~2.5。

为保证绝缘料的清洁(生产的产品合格),包装物必须保证完整无损,凡有包装损坏的绝缘料不得使用。

35kV及以上的交联电缆,要求使用超净料。

3. 内半导电料

内屏蔽料用于交联电缆的导体屏蔽,长期工作温度为90℃,20℃时体积电阻系数不大于1×103(Ω·cm)。

内屏蔽料有交联型和非交联型两种,交联型可避免过载或短路时内屏蔽料变形或向导体间隙流动,非交联型材料加工和挤出都十分方便。

4. 外半导电料

外屏蔽料用于绝缘屏蔽,耐温等级与绝缘料相一致。

外屏蔽料分为易剥离型(剥离强度为8~20牛顿/10毫米)、可剥离型(剥离强度为20~40牛顿/10毫米)和不可剥离型三种。26/35kV及以下的交联电缆,为施工方便而要求采用易剥离型或可剥离型外屏蔽料,26/35kV以上的交联电缆,应采用不可剥离型外屏蔽料。

5. 护套料

交联电缆的外护套一般应采用耐温90℃的聚氯乙烯电缆护套料,与电缆的工作温度相一致。

6. 屏蔽铜带

额定电压大于0.6/1kV的电缆应有金属屏蔽层。金属屏蔽层一般采用铜带(多见)或铜丝(少见)。金属屏蔽层除了可保证绝缘屏蔽为地电位(中性点)外,还可使接地故障电流通过。

7. 铠装钢带/钢丝

交联电缆的铠装层一般采用钢带或钢丝。钢带铠装层可承受径向压力,钢丝铠装层可承受轴向拉力。

交联电缆的铠装钢带有涂漆钢带和镀锌钢带两种。

8. 内衬层

内衬层主要起成缆时的扎紧作用。其材料要求为不易吸湿且与绝缘层具有相匹配的耐温等级。可采用聚氯乙烯带、聚酯带、无纺布带等。

9. 隔离套

隔离层是为了防止金属屏蔽层(铜)和外面的铠装层(钢)形成原电池而加速腐蚀。因此,铠装交联电缆的隔离层必须是不透湿的挤包隔离护套。一般采用与护套相同的聚氯乙烯护套料。

10. 填充

填充是为了使电缆成缆后圆整。其材料要求为不易吸湿且与绝缘层具有相匹配的耐温等级。A级阻燃电缆采用石棉绳,其它电缆采用普通填充绳。


二、 交联机组(简介)

1. 收放线

为保证生产的连续性,最好采用双收、双放,当然储线器(一般可储100米以上)是必不可少的。收放线多采用龙门式的,也有采用地轴式的。

2. 上牵引

上牵引要求摩擦力大、牵引稳定、转速均匀、不“打滑”,以确保悬垂度控制的稳定。

国内大多采用单牵引轮,直径在1500mm以上,调速范围在1.2~20米/分,有的为了增加摩擦力而在牵引轮外附加皮带压紧导线。

3. 挤出机

挤出机由机筒、螺杆、机头、传动部分组成。

机筒采用硬质合金制造,材料硬度要求达到洛氏75~76,机筒加热以油加热为好——温控比电加热稳定,但加热系统复杂,热量损失较多。

螺杆采用不锈钢或氮化钢制造,硬度略低于机筒硬度,一般为洛氏65左右。

机身和螺杆应具有强制冷却能力,机身可风冷,螺杆可水冷。

由于挤出粘度较大(尤其外屏蔽料),所以挤出负荷较大,最好采用压力表监视挤出压力。

⑴ 内屏蔽挤出机

由于内屏蔽的结构用量小,一般采用Φ65机。

内屏蔽料中的填料成分比较多,挤出过程中的摩擦热较大,因此螺杆不宜过长,一般长径比选20∶1,压缩比选3∶1,转速范围在10~60转/分左右。

另外,最好配套安装自动加料和预先干燥装置。

⑵ 绝缘挤出机

由于绝缘层的结构用量较大,普遍采用Φ150机。

螺杆长径比一般为25∶1,压缩比为2.5∶1~3∶1,转速范围在9~45转/分左右,出胶量应达到200公斤/小时以上。

另外,最好配套安装自动加料和预先干燥装置。

⑶ 外屏蔽挤出机

外屏蔽的结构用量比内屏蔽略大,一般采用Φ90机。

一般长径比选20∶1,压缩比选3∶1,转速范围在14~41转/分左右。

⑷ 机头

1+1+1机头:太落后已被淘汰。1+2机头:现在比较多见。0+3机头:较少,先进。

采用1+2机头或0+3机头,使层间接触紧密,消除了气隙,避免了层间污染,从而提高了电缆的电性能。

4. 交联管

由于交联管承受高温、高压(力),应选用无缝钢管,最好是不锈钢管,管径为200~300mm。

交联管可分为悬链式和垂直式两种。长度分别约为120米和100米,垂直式的偏正芯容易控制,但费用较高。

交联管的加热多为变压器加热(干法),以交联管壁作为变压器的二次回路,其热效率很好。

5. 下牵引

为了确保牵引稳定运行,下牵引最好采用两个牵引。第一个为牵引轮,第二个为履带式牵引。

6. 水气与电气控制部分

水、气控制可分为自动和手动,一般安装在机头附近,由机长负责指挥调控。

电气控制部分分为集中控制(总控台)和分散控制(各控制屏)。

7. 仪表操作维护规程(随设备不同而差异较大)——略


三、 交联工艺

1. 交联基本原理

为了使聚乙烯提高耐温等级,我们可以采用化学或物理的方法使其变成体型分子结构,这就叫交联。

化学法交联就是在聚乙烯中加入一定量的交联剂(常用过氧化二异丙苯——DCP),在加热到一定温度时迅速分解生成游离基,游离基不稳定,它夺取聚乙烯分子中的氢,使聚乙烯分子变成大分子游离基,它们的相互结合就形成了体型分子结构。

2. 交联度与工艺参数

交联度是电缆热性能的一个重要指标。一般采用热延伸法测量(200℃下承载20牛顿/厘米,15分钟时的伸长率)。

⑴ 温度

交联过程是在硫化管的加热段内完成的,硫化管的温度越高,交联度也越高(其它因素不变时)。一般来讲,考虑到各种因素,干法交联的硫化管温度在290~310℃左右为宜。

⑵ 线速度

很显然,线速度越高,生产效率也越高,但交联度会变低(其它因素不变时)。一般来讲,线速度受以下几个因素控制:

① 额定电压:电压越高,绝缘越厚,交联速度越慢,因此线速度越受限制。

② 电缆规格:截面越大,要求挤出机的出胶量越大,因此线速度不能太快。

③ 冷却水温和水位:冷却水温低、水位高,对冷却有利,但对交联度不利。

④ 硫化管:温度越高、管路越长,线速度越可加快。

⑶ 挤出温度

挤出温度主要取决于原材料的配方。要求挤出的材料既充分塑化又没有先期交联。

3. 屏蔽与绝缘层的挤包

⑴ 内屏蔽层的挤出

l 挤出温度

内屏蔽料分为交联型和非交联型两种。前者温度控制要求更高。由于材料、设备的不同,挤出温度也有差异。但挤出温度的选择原则是:

① 总原则:要求挤出的材料既充分塑化又没有先期交联。

② 加料段:温度不宜过高。以免料粒过早软化或粘连,造成出胶量减少或不均。

③ 导胶管:温度不宜过低。否则机身压力过大,易损坏设备。

内屏蔽挤出参考温度(±5℃)

挤出机部位

机    身

导 胶 管

机 头

1

2

3

4

1

2

1

温度范围

(℃)

95

105

110

115

115

115

115~120

由于内屏蔽料伸长率较小,挤包要求紧密,表面要求圆整,故采用挤压式模具。

内屏蔽层应均匀,表面光滑、无明显绞线凸纹,不应有尖角、颗粒、烧焦、擦伤痕迹。厚度以工艺性良好,经济合理为准,一般取0.5~0.8mm。

l 模具选择(挤压式)

内屏蔽层模芯孔径D1 = 导体直径d +(0.3~0.6)

孔径过大,易造成偏心;孔径过小,易产生竹节。

内屏蔽层模套孔径D2 = 导体直径d + 2 × 内屏蔽层厚度t1

⑵ 绝缘层的挤出

l 挤出温度

绝缘料为交联聚乙烯。由于材料、设备的不同,挤出温度也有差异。挤出温度的选择原则与内屏蔽层相同。

绝缘挤出参考温度(±5℃)

挤出机部位

机    身

导 胶 管

机 头

1

2

3

4

5

1

2

1

温度范围

(℃)

95

100

105

110

113

115

115

115~120

绝缘层要求无气泡、杂质等;厚度六点平均值不小于标称值,最薄点不小于标称值的90%-0.1。

l 模具选择(挤压式)

绝缘层模芯孔径D3 = 内屏蔽后直径D2 +(0.5~0.8)

孔径过大,绝缘易形成“耳朵”;孔径过小,易刮伤内屏蔽层。

绝缘层模套孔径D4 = 内屏蔽后直径D2 + 2×绝缘层厚度t2 + 2×模芯嘴厚度δ

对于三层共挤设备:

绝缘层模芯孔径D3 = 内屏蔽层模套孔径D2

绝缘层模套孔径D4 = 内屏蔽后直径D2 + 2×绝缘层厚度t2 + 2×模芯嘴厚度δ

⑶ 外屏蔽层的挤出

l 挤出温度

外屏蔽层采用半导电绝缘屏蔽料。由于材料、设备的不同,挤出温度也有差异。挤出温度的选择原则与内屏蔽层相同。

绝缘屏蔽挤出参考温度(±5℃)

挤出机部位

机    身

导 胶 管

机 头

1

2

3

4

5

1

2

1

温度范围

(℃)

90

100

105

110

110

115

115

115~120

外屏蔽层应均匀,表面光滑、无明显绞线凸纹,不应有尖角、颗粒、烧焦、擦伤痕迹。厚度以工艺性良好,经济合理为准,一般取0.5~0.8mm。

l 模具选择(挤压式)

外屏蔽层模芯孔径D5 = 绝缘后直径D4 +(0.5~0.8)

孔径过大,易造成偏心;孔径过小,易产生竹节。

外屏蔽层模套孔径D6 = 绝缘后直径D4 + 2×外屏蔽层厚度t2 + 2×模芯嘴厚度δ

对于三层共挤设备:

外屏蔽层模芯孔径D5 = 绝缘层模套孔径D4

外屏蔽层模套孔径D6 = 绝缘后直径D4 + 2×外屏蔽层厚度t2 + 2×模芯嘴厚度δ

4. 交联工艺(干法)

干法交联设备与湿法交联设备基本相同,只有交联管路的加热方式不同,干法交联是采用电热辐射加热。

干法交联管道温度与线速度、管道加热段长度、冷却段长度、电缆规格等密切相关。

    交联管加热段温度控制范围参考表(±10℃)

管道区域

1

2

3

4

5

6

温度范围(℃)

340

330

320

300

270

240

干法交联因为加热温度较高,高聚物会发生氧化降解,因此需要惰性气体加以保护。氮气由于来源丰富、价格便宜而被广泛采用。

交联型屏蔽料,特别是绝缘料中含有交联剂(过氧化二异丙苯),在高温下的分解产物及交联副产物等小分子会变成气体,如果没有压力的控制,就会形成较大的气泡,所以,交联反应一定要在压力下进行,一般在0.7~1.2MPa。

5. 开停车程序

⑴ 开车前准备

① 选择封闭垫及配模:按生产的电缆规格准备好上、下封闭垫和模具,并装机。

② 挤出机加热及保温:为使挤出机温度满足工艺要求,应提前3~4小时升温。

③ 穿牵引线:将牵引线从上牵引引至下密封,并绕在下牵引轮上,连接在收线盘上。

④ 导线接头:将导线与引线用接头钢管(最好是铜管)液压连接,放线盘升到位,张力适当,储线器储满导线。

⑤ 牵引与收线:按工艺要求选择上、下牵引,辅助牵引,收线的档位。

⑥ 屏蔽料干燥:屏蔽料应在使用前进行干燥,温度40~60℃,时间为4小时以上。

⑦ 收线:按计划长度选择收线盘,调好排线节距、限位、排线导轮的角度。

⑵ 开车

① 走线:调好上、下牵引,并使其同步。

② 张力调节:调节下牵引使导线张力适当,投入悬控器,当悬控器指示为零或摆动不大时,意味着张力调好。调好收放线张力。

③ 挤出机启动:走线后先启动内屏蔽机,调好后分别启动绝缘和外屏蔽机,当各层厚度、偏心度外观质量调好后,(待牵引线出下封后)将下封闭封好。

④ 水气工艺:开启水泵使冷却水进入冷却管道。

⑤ 封上封闭器:挤出机调整完毕后可封上封闭器。

⑥ 交联管加热:按给定工艺温度加热管道。

⑦ 供氮:按操作程序和工艺规定供氮。

⑧ 成品标记:当温度、压力符合工艺要求时,在下封闭处作出标记,X(60)米后为成品。

⑨ 启车完毕:将成品线收在线盘上,调好速度和排线节距,转入正常生产。

⑶ 停车

① 停止交联管加热电源。

② 分别将挤出机停止供料。

③ 把水位调到控制范围的最高位置。

④ 停止供氮,降低挤出机转速,减小电缆外径,释放氮气,氮气放完时全线停车。

⑤ 管道内压力为零时,打开连锁装置和上封闭器。

⑥ 作出成品标志,将带绝缘的废线走出管路。

⑦ 停水泵,放掉冷却水。

⑧ 挤出机按规定清理。

⑨ 关闭所有开关、阀门。


四、 质量缺陷的原因与排除方法

交联废品的种类及其原因和解决办法

废品种类

      

            

            

绝缘厚度不够

最薄点低于标准,

平均值低于标称值

线速快,

挤塑机出胶量不足,

配模不当。

降低线速,

挤塑机升速,

合理配模。

偏  芯

绝缘层厚度不均

模具没调正,

悬垂度控制变化

调正模具,

尽量将悬垂度控制稳定

杂  质

线面有疙瘩

原料不洁,加料时混入,

焦烧

选购好料,净化上料,控制好挤塑温度。

气  泡

绝缘切片上有气孔

挤塑不当,料潮,冷却不充分(同一圆周上)

合理配模,烘料,升高水位或降低冷却水温。

表面划伤

表面不光滑,

有划痕

在硫化管中擦壁,

模套外边缘有焦烧物。

调整好悬垂度,及时清理管道异物,防止模套过热,停车清洁模套。

    

外径大小不一。

牵引速度不稳定,

模芯太小,

导体外径不均匀。

检查机械、电气系统故障并排除,适当调整模芯的大小,控制绞线外径。

机械性能

不合格

热-机械性能差,

工作温度达不到。

配方不合理,

硫化工艺不当(气压低、线速快、冷却水位高等)。

调整配方,

查清具体原因,逐一排除。

电气性能

不合格

局放值过大,

绝缘击穿

结构不完善(导体、绝缘),绝缘层内含有杂质,外伤

令导体圆整、光滑,规范操作、净化上料,严防磕碰伤


五、 产品实验与检验

1. 例行试验

例行试验即出厂试验。即每根电缆均需进行的试验。它包括以下几项:

⑴ 导体直流电阻试验

执行标准:GB/T 3956

⑵ 局部放电试验

执行标准:GB/T 3048.12 。每相在1.73U0下局部放电量应不超过10pC。

⑶ 交流电压试验

执行标准:GB/T 12706.2 。每相耐受工频电压5分钟不应击穿。

交流电压试验值

额定电压U0  kV

3.6

6

8.7

12

18

21

26

试验电压    kV

12.5

21

30.5

42

63

73.5

53

91

65

用三相变压器同时对三芯电缆进行电压试验时,电压应为表值的1.73倍。

2. 抽样试验

⑴ 结构尺寸检查

① 导体结构尺寸:应符合GB/T 3956的有关规定。

② 绝缘厚度:平均值不小于标称值,最小值不低于标称值的90%-0.1。

③ 护套厚度:平均值不小于标称值,最小值不低于标称值的85%-0.1 / 80%-0.2。

⑵ 四小时交流电压试验

本试验适用于3.6/6 kV以上的电缆 。试样长度不少于5米,在每相上施加试验电压4小时。试验电压如下:

四小时交流电压试验值

额定电压U0  kV

6

8.7

12

18

21

26

试验电压    kV

24

35

48

72

84

104


交联电缆的绝缘材料是XLPE,其基料是PE等成份,而交联工艺是通过将线性分子结构的聚乙烯(PE)材料通过特定的加工方式,使其形成体型网状分线结构的交联聚乙烯。


使得长期允许工作温度由70℃提高到90℃(或更高),短路允许温度由140℃提高到250℃(或更高),在保持其原有优良电气性能的前提下,大大地提高了实际使用性能。


交联电缆的交联方式


交联电缆的交联方法有多种,目前常用的交联方法有过氧化物化学交联(即DCP交联)、硅烷交联和辐照交联,其中硅烷交联根据材料的不同又分为温水交联和免水煮硅烷交联。不管通过哪种交联方式,交联的结果都是交联电缆热延伸符合国家标准中性能要求。


1、化学交联


DCP交联生产线采用悬链或立塔设备,设备、厂房造价高,而且需要消耗掉大量的水、电、气等,因而投资较大;由于生产线较长仅适合于大长度电缆的生产;对环境的要求高,需要专门的生产车间。


2、硅烷交联


硅烷交联生产线仅需普通挤塑机和加热装置(热水池或蒸汽室),投资少,对环境要求低,生产灵活适合于大长度或短段电缆的生产,可以根据客户的需求制造不同长度的电缆。


3、辐照交联


辐照交联,辐照交联就是利用电子加速器产生的高能量电子束流,轰击绝缘层及护套,将线性分子结构的聚乙烯(PE)材料高分子链打断,被打断的每一个断点成为自由基。自由基不稳定,相互之间要重新组合,重新组合后原来的链状分子结构变成三维网状的分子结构而形成交联。


另外辐照交联生产过程中所施加的辐照剂量距其破坏剂量留有很大安全余度。聚乙烯辐射破坏剂量为1000KGY,而加工剂量约为200KGY,加之特殊配方改进,在相当宽的范围内仍是受辐射交联状态,所以在较长的前期使用过程中受到辐射其性能会有所提高。辐照交联电缆的型号:YJ(F)-(辐照)交联聚乙烯绝缘,F:辐照。


三种交联方式的比较


交联电缆以其耐温等级高、抗过载能力强、物理机械性能好、使用寿命长等优点,已被广泛采用。


过氧化物的化学交联、电子束的辐照交联、硅烷的温水交联三种交联方式生产的线缆,在交联线缆市场上共存。


从上表可以看出,由于化学交联生产工艺的特殊性,在耐高压、大截面线缆上有其它交联方式不可替代的优势;中低压普通交联线缆,辐照交联、温水交联相互竞争已成现实;但在耐高温、阻燃和除聚乙烯材料外的其它聚合物交联上辐照交联有独特的优势。







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