汪傳斌，李 林

(遠東電纜有限公司，江蘇 宜興214257)

0 引言

高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜因其性能優(yōu)異、安裝敷設(shè)維護方便、運行安全可靠而得到廣泛應(yīng)用，隨著制造技術(shù)與材料的不斷進步，目前其運行壽命比早期已有極大的提升。有關(guān)電纜電老化壽命指數(shù)由當初n=9經(jīng)過大量的試驗驗證提升至n=12，對此已有較多的文獻論述。無論是設(shè)計制造者還是使用維護者對高壓XLPE絕緣電力電纜的產(chǎn)品標準、制造工藝與敷設(shè)維護都有了深入的了解，甚至有非常深入的研究。本文通過有關(guān)試驗驗證與分析，提出了高壓XLPE絕緣電力電纜的交聯(lián)均勻性、交聯(lián)副產(chǎn)物釋放和屏蔽層與絕緣層界面光滑圓整性控制及其改善措施。

1 絕緣層交聯(lián)均勻性的試驗與分析

高壓XLPE絕緣電力電纜因其絕緣厚度相對較厚，故絕緣層交聯(lián)的不均勻性對電纜的長期運行會有潛在的影響。目前，產(chǎn)品標準對絕緣交聯(lián)性能的考核在 GB/T 11017.1—2002 標準［1］中規(guī)定為XLPE絕緣的熱延伸試驗:“……試片取自所用交聯(lián)工藝中通常交聯(lián)度最低的絕緣內(nèi)層、中層或外層”;在 GB/Z 18890.1—2002標準［2］中規(guī)定為 XLPE 絕緣的熱延伸試驗:“……應(yīng)按所采用的交聯(lián)工藝，在認為交聯(lián)度最低的絕緣部分制取試片”。試驗條件:空氣溫度為200℃，溫度偏差為±3℃，負荷時間為15 min，機械應(yīng)力為20 N/cm2。試驗結(jié)果的要求:負載下最大伸長率≤175%，冷卻后最大永久伸長率≤15%。

國內(nèi)高壓XLPE絕緣電力電纜的屏蔽與絕緣的三層共擠工藝，絕大多數(shù)都是從國外進口的立式和懸鏈式三層共擠生產(chǎn)線，并根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)備配置及交聯(lián)管加熱與冷卻段的參數(shù)等相關(guān)因素配有相應(yīng)的工藝計算軟件。運用工藝軟件進行工藝參數(shù)的設(shè)定與計算，可指導(dǎo)高壓交聯(lián)電纜屏蔽與絕緣三層共擠工藝的生產(chǎn)。但工藝軟件計算出的工藝參數(shù)還需經(jīng)過實際驗證，否則也會出現(xiàn)非最優(yōu)化的參數(shù)生產(chǎn)出性能非最優(yōu)的產(chǎn)品。下面取不同工藝生產(chǎn)的兩種規(guī)格高壓電纜樣品，分別將樣品電纜絕緣層由外至內(nèi)每2mm制取一試片進行負載下熱延伸測試。圖1、圖2分別為處于不同部位的各層絕緣試樣負載下熱延伸率和冷卻后永久變形率的測試結(jié)果。

由圖1、圖2可以看出，雖然絕緣的交聯(lián)性能(考核負載下的熱延伸率與冷卻后永久變形率)均符合產(chǎn)品標準規(guī)定的要求，負載下熱延伸率最大未超過175%，冷卻后永久變形最大也未超過15%，但圖1中YJ 64/110 kV 500mm2XLPE電纜絕緣無論交聯(lián)均勻性還是充分性均十分不好，靠近導(dǎo)體屏蔽側(cè)的內(nèi)層絕緣負載下熱延伸率已達到130%～170%，中部絕緣也處在75% ～130%，近外層的絕緣為50%～75%，且中內(nèi)層絕緣其冷卻后永久變形率處在0% ～15%之間;而圖3中YJ 127/220 kV 1200mm2XLPE電纜絕緣的交聯(lián)均勻性及充分性就較好，絕緣從內(nèi)層至外層負載下熱延伸率均處在75% ～50%之間，冷卻后無變形。

圖1 YJ 64/110 kV 500mm2XLPE電纜不同部位的各層絕緣試樣的測試結(jié)果

圖2 YJ 127/220 kV 1200mm2XLPE電纜不同部位的各層絕緣試樣的測試結(jié)果

1.1 XLPE厚絕緣交聯(lián)不均勻性及不充分性對電纜運行的影響

當電纜絕緣交聯(lián)不均勻及不充分時將會發(fā)生以下幾種情況:(1)電纜彎曲敷設(shè)時絕緣必然會受到拉伸、擠壓和側(cè)壓力作用，導(dǎo)體會偏移中心位置;(2)絕緣中殘留的未參與交聯(lián)的“雜質(zhì)”會影響絕緣的電氣性能;(3)交聯(lián)不均勻與不充分還會影響絕緣的長期熱老化性能;(4)導(dǎo)體在工作溫度下也會使未交聯(lián)的XLPE分子再吸熱運動而產(chǎn)生應(yīng)力等，從而影響電纜的運行壽命。

1.2 XLPE厚絕緣交聯(lián)不均勻及不充分的產(chǎn)生原因與討論

XLPE厚絕緣交聯(lián)是否充分及均勻與導(dǎo)體預(yù)熱溫度、交聯(lián)管加熱溫度、加熱長度和時間有關(guān)。圖1顯示的熱延伸率與永久變形率的曲線可以認為:(1)導(dǎo)體未預(yù)熱或預(yù)熱溫度過低;(2)交聯(lián)管加熱溫度偏高;(3)絕緣層內(nèi)外部溫度的溫差過大;(4)交聯(lián)加熱段偏短等。交聯(lián)過程中若加熱溫度過高會導(dǎo)致厚絕緣外層與內(nèi)層線性分子吸熱在時間上有較大差異，其結(jié)果是絕緣外層在加熱段已充分交聯(lián)，而內(nèi)層尚未開始交聯(lián)。圖2顯示的絕緣厚度是圖1絕緣厚度的1.5倍左右。由于采取了導(dǎo)體預(yù)熱，較長的交聯(lián)加熱段使得交聯(lián)管加熱溫度與導(dǎo)體溫度的溫差縮小，絕緣層內(nèi)外部線性分子吸熱在時間上差異縮短，內(nèi)外層絕緣交聯(lián)均勻性得到極大改善，同時也避免了絕緣內(nèi)外部過高的溫差使絕緣過度向?qū)w收縮或向外部膨脹。因此生產(chǎn)高壓交聯(lián)電纜其工藝條件設(shè)定及工藝軟件計算的驗證也是很重要的。

1.3 XLPE厚絕緣交聯(lián)均勻及充分性的改善措施

從上述試驗比較、分析與討論可以看出，我們不僅需使高壓交聯(lián)電纜的絕緣交聯(lián)性能符合產(chǎn)品標準規(guī)定的要求，還應(yīng)著力于改進工藝條件、驗證工藝參數(shù)，以改善厚絕緣交聯(lián)的均勻和充分性。如采取導(dǎo)體在線預(yù)熱措施，建議其預(yù)熱溫度不應(yīng)低于聚乙烯分子的結(jié)晶溫度;盡量避免交聯(lián)管加熱溫度過高，以降低絕緣內(nèi)外部溫差;配有較長的交聯(lián)加熱段和冷卻段，或確定適宜的生產(chǎn)線速。過高的交聯(lián)溫度或較短的交聯(lián)加熱及冷卻段對XLPE厚絕緣的交聯(lián)及應(yīng)力改善是不利的，建議XLPE厚絕緣交聯(lián)應(yīng)采用導(dǎo)線在線預(yù)熱，并在交聯(lián)管整個加熱段控制電纜表面溫度不高于250℃，此乃是改善交聯(lián)均勻和充分性的有效措施。

2 絕緣層交聯(lián)副產(chǎn)物的試驗與分析

高壓XLPE絕緣電力電纜，其厚絕緣在交聯(lián)過程中不可避免產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物殘留在絕緣層中，主要成份為:甲烷約0.08%、苯乙酮約0.6%、二甲基芐醇(Cumylalcohol)約1.2%等，重量比例最多占約1.9%［3］，因此需要相應(yīng)的措施予以釋放，否則，不僅會影響電纜絕緣的局部放電性能，而且影響電纜的安裝敷設(shè)和正常運行。然而在產(chǎn)品標準中對此并無相應(yīng)的規(guī)定予以考核，這是因為交聯(lián)副產(chǎn)物產(chǎn)生多少與所使用的XLPE絕緣基料的線性分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)交聯(lián)劑的有效成份以及厚度等因素密切相關(guān)，因此也就難以統(tǒng)一定論。我們通過對北歐化工LE4201S超凈絕緣料制造的高壓交聯(lián)電纜試驗驗證發(fā)現(xiàn)，在不同的處理溫度條件下，要使交聯(lián)副產(chǎn)物釋放達到同樣的效果，所耗用的時間差異較大。這項試驗驗證對于控制交聯(lián)副產(chǎn)物量的釋放、保證產(chǎn)品質(zhì)量以及正確的制訂工藝是可以借鑒與參考的。

試驗方法:將生產(chǎn)過程中的高壓交聯(lián)電纜(三層共擠)纜芯經(jīng)常溫停放約24 h后，分別制取質(zhì)量盡可能相等的試樣15件(可除去導(dǎo)體)，分成三組，分別編號稱重，稱量精確至0.1 mg，然后分組置于溫度為60、65、70℃具有自動換氣的三個恒溫烘箱，再分別經(jīng)過120、168、216、264、312 h 釋放交聯(lián)副產(chǎn)物后，取出并冷卻至常溫下稱重，檢測每一試件經(jīng)處理后的質(zhì)量損失。試驗結(jié)果見圖3。

圖3 電纜絕緣熱失重試驗

從圖3可以看出，XLPE在不同溫度條件下，經(jīng)過相同的處理時間，其質(zhì)量損失是不同的，溫度較高其質(zhì)量損失相對較快，說明交聯(lián)副產(chǎn)物在較高溫度下釋放較快。換言之，在不同溫度條件下，要達到釋放等量的副產(chǎn)物，所耗用的處理時間不同，溫度較低其耗用的時間就很長。誠然，當處理溫度較高時將會對電纜產(chǎn)生其它的質(zhì)量影響，而溫度低則處理時間就要延長，將會影響生產(chǎn)效率。從圖3還可看出，無論哪種溫度，隨處理時間的延長，質(zhì)量損失仍呈上升的趨勢。這說明在上述溫度條件下處理時間還不足以完全釋放全部的副產(chǎn)物。那么在制造過程中質(zhì)量損失應(yīng)該控制多少比較恰當呢?這種驗證方法得出的質(zhì)量損失是否都屬于應(yīng)釋放的“交聯(lián)副產(chǎn)物”值得討論。按理說，交聯(lián)副產(chǎn)物釋放愈凈，則絕緣本體愈純，其絕緣質(zhì)量愈好。

以往的實踐告訴我們，無論是高壓交聯(lián)電纜還是中壓交聯(lián)電纜，無論是進口絕緣料還是國產(chǎn)絕緣料，只要經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)過程，其副產(chǎn)物必然產(chǎn)生;交聯(lián)副產(chǎn)物如果不及時釋放，對電纜的安裝敷設(shè)及運行會帶來不安全的隱患，尤其是單芯電纜，哪怕是10 kV或是35 kV電纜，同樣會產(chǎn)生端頭(或接頭附件)處有氣體存在，甚至護套松空等嚴重質(zhì)量問題。因此，交聯(lián)副產(chǎn)物的妥善釋放是非常重要的工藝過程。

北歐化工針對交聯(lián)副產(chǎn)物釋放時間過長、釋放速率較低而影響生產(chǎn)效率這一現(xiàn)象，專門推出了一種交聯(lián)副產(chǎn)物較少、脫氣較快的LS4201S超凈絕緣料，用于高壓電纜以改善生產(chǎn)效率。借此也期望國內(nèi)化學(xué)交聯(lián)絕緣料制造商能研究開發(fā)交聯(lián)反應(yīng)副產(chǎn)物相對較低的中壓電纜用化學(xué)交聯(lián)絕緣料，以減少纜芯停放時間，提高生產(chǎn)效率，避免因副產(chǎn)物釋放不夠而產(chǎn)生質(zhì)量問題。

3 屏蔽層與絕緣交界面光滑圓整性的檢查

高壓XLPE絕緣電力電纜不僅應(yīng)使用超凈絕緣料，而且應(yīng)使用超光滑屏蔽料。其目的之一，是要使屏蔽層與絕緣交界面無凸起、無氣孔、光滑、圓整，改善電場分布和局部放電性能。目前，產(chǎn)品標準對交界面凸起、氣孔檢測，規(guī)定采用切薄片并在數(shù)十倍測量顯微鏡下測量考核交界面屏蔽凸起與凹陷及氣孔的大小，以此來判定是否符合要求。然而對交界面上光滑、圓整的連續(xù)性在標準中并未有明確規(guī)定。

在 GB/T 11017.2—2002 標準［4］中對導(dǎo)體屏蔽:“……6.3.2.2擠包的半導(dǎo)電層應(yīng)厚度均勻，并與絕緣層牢固地粘結(jié)，半導(dǎo)電層與絕緣層的界面應(yīng)光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒及擦傷的痕跡。”對絕緣屏蔽:“……6.3.3.2半導(dǎo)電層應(yīng)均勻地擠包在絕緣上，并與絕緣層牢固地粘結(jié)，半導(dǎo)電層與絕緣層的界面應(yīng)光滑，無明顯尖角、顆粒、燒焦及擦傷的痕跡。”

在 GB/Z 18890.2—2002 標準［5］中對導(dǎo)體屏蔽:“7.3.1……擠包的半導(dǎo)電層應(yīng)均勻地包覆在半導(dǎo)電包帶外，并牢固地粘在絕緣層上，在與絕緣層的交界面上應(yīng)光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒及擦傷的痕跡?！睂^緣屏蔽:“7.3.2……絕緣屏蔽應(yīng)均勻地包覆在絕緣表面，并牢固地粘附在絕緣層上，在絕緣屏蔽表面以及與絕緣層的交界面上應(yīng)光滑，無尖角、顆粒、燒焦及擦傷的痕跡?！?/p>

上述要求在標準規(guī)定的試驗項目中并未涉及，在實際制造過程中對上述要求應(yīng)進行抽樣檢查，以證明制造的電纜屏蔽與絕緣交界面是光滑和圓整的。然而怎樣檢查和如何判定交界面是光滑、圓整的?借用檢測絕緣中微孔、雜質(zhì)的試驗方法來檢測交界面的光滑與圓整性值得商榷，嚴格地說目前尚無更好的、統(tǒng)一的檢測方法。對此，我們通過多種試驗驗證比較后認為，下述的方法對于檢測高壓交聯(lián)電纜屏蔽與絕緣交界面是否光滑和圓整還是較為合適的。

試樣制取:在三層共擠制造工藝過程中隨機在不同的半成品段長上截取纜芯試樣，試樣長度為50～60mm各三件，試樣端面應(yīng)處理平整、光滑，導(dǎo)體可除去，但不應(yīng)損傷半導(dǎo)電帶及屏蔽(試樣見圖4)。試驗設(shè)備:200±2℃恒溫烘箱。試驗過程:將三件試樣置于130±2℃烘箱中約120 min，待絕緣體完全透明后進行觀測(最好是透過烘箱視窗直接觀測)，必要時可用透射光放大觀測，但不應(yīng)使試樣有任何變形，直觀判定導(dǎo)體屏蔽與絕緣、絕緣與絕緣屏蔽交界面的光滑與圓整的連續(xù)性，僅當三件試樣均無異常方可判定為滿足標準要求。

圖4 檢查屏蔽層與絕緣交界面光滑圓整性試樣照片圖

由圖4可以直接觀測屏蔽與絕緣交界面是否光滑和圓整的連續(xù)性，用來判定工藝過程控制是否符合要求。該方法較為直觀，試樣處理過程不受到任何損傷或變形，能真實反映屏蔽與絕緣交界面的狀況，比起其它方法可信度更高。

屏蔽與絕緣交界面的光滑和圓整性對電纜的質(zhì)量非常重要。這不僅要求采取相應(yīng)的凈化措施，使用超凈絕緣料與超光滑屏蔽料，更應(yīng)該從導(dǎo)體絞制、緊壓使其圓整、光滑，還需要從機頭、模具配合及光潔方面使其保證屏蔽與絕緣有足夠的擠出壓力、交界面粘結(jié)牢固、光滑、圓整，對此錐形流道機頭是有益的。

4 結(jié)束語

本文就高壓XLPE絕緣電纜的絕緣交聯(lián)均勻性控制、交聯(lián)副產(chǎn)物的釋放以及屏蔽與絕緣交界面的光滑與圓整性檢查，從三個不同角度通過試驗驗證與分析，有以下幾點值得啟迪和深入探討:

(1)高壓電力電纜XLPE厚絕緣的交聯(lián)性能雖然滿足產(chǎn)品標準要求，但倘若絕緣交聯(lián)不均勻或不夠充分則對電纜運行壽命有多大影響，還需深入試驗和研究。

(2)控制XLPE厚絕緣交聯(lián)均勻和充分性，需要從導(dǎo)體在線預(yù)熱、交聯(lián)溫度參數(shù)設(shè)定、絕緣在交聯(lián)過程中內(nèi)外部溫差控制以及受熱時間等因素優(yōu)化工藝。

(3)避免高溫交聯(lián)，使用較長的交聯(lián)加熱段和冷卻段對厚絕緣交聯(lián)均勻性是有幫助的，且能較好地降低并消除厚絕緣中的熱應(yīng)力。

(4)厚絕緣交聯(lián)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物，應(yīng)在合適的溫度條件下，經(jīng)過足夠的處理時間，使交聯(lián)副產(chǎn)物盡可能較多釋放，使電纜絕緣體更加純凈。期望有交聯(lián)副產(chǎn)物較低或釋放較快的絕緣料得到應(yīng)用。

(5)屏蔽與絕緣交界面的光滑與圓整檢查雖然產(chǎn)品標準上未明確規(guī)定，但高壓電纜制造過程質(zhì)量控制其中間檢查還是非常重要的，本文所述的試驗方法是較為適用的。

［1］GB/T 11017.1—2002額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分［S］.

［2］GB/Z 18890.1—2002額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分［S］.

［3］Andrews T，Smedberg A，Waschk V，et al.The role of degassing in XLPE power cable manufacture［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2006(12):5-16.

［4］GB/T 11017.2—2002額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第2部分［S］.

［5］GB/Z 18890.2—2002額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第2部分［S］.