王 巖， 趙 斌

（遠(yuǎn)程電纜股份有限公司，江蘇宜興214251）

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的制造技術(shù)

王 巖， 趙 斌

（遠(yuǎn)程電纜股份有限公司，江蘇宜興214251）

介紹了XLPE絕緣電力電纜制造技術(shù)的歷程和當(dāng)今對(duì)于關(guān)鍵工序的控制要求，并對(duì)我國(guó)的超高壓XLPE絕緣電力電纜的發(fā)展做出了展望。

XLPE絕緣電力電纜；制造工藝；過(guò)程控制

0 引 言

聚乙烯優(yōu)異的電氣性能和機(jī)械物理性能，使得其成為重要的電纜絕緣材料。自從上世紀(jì)50年代末人們開(kāi)發(fā)出化學(xué)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣材料以來(lái)，由于XLPE克服了聚乙烯的易開(kāi)裂特性，提高了聚乙烯的耐熱性能，使XLPE絕緣電力電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)XLPE電纜）得到了廣泛的應(yīng)用。在本世紀(jì)初前后，XLPE電纜開(kāi)始用于500kV的交流電力系統(tǒng)中，國(guó)外使用超高壓XLPE電纜的工程情況見(jiàn)表1［1］。

表1 國(guó)外超高壓XLPE電纜典型工程

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)XLPE電纜的制造能力有了迅速提高，XLPE電纜陸續(xù)投入到了220kV及以下的交流電力系統(tǒng)中。日前，國(guó)產(chǎn) 500 kV XLPE電纜及附件也在北京的輸電線路上投入運(yùn)行。本文將對(duì)XLPE電纜制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程作簡(jiǎn)要回顧，并介紹高壓和超高壓XLPE電纜質(zhì)量控制的要點(diǎn)。

1 XLPE電纜工藝

1.1 基本歷程

最初的絕緣層制造方法是采用濕法交聯(lián)，內(nèi)、外屏蔽層采用繞包方式。此方法生產(chǎn)的中壓XLPE電纜在運(yùn)行10余年后，因絕緣性能降低引起絕緣擊穿的事故頻發(fā)，其主要原因：絕緣層內(nèi)存在微孔和雜質(zhì)，絕緣層和屏蔽層之間界面突起，絕緣層內(nèi)存在的微量水分（交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中蒸汽的侵入或電纜長(zhǎng)期浸泡在水中運(yùn)行時(shí)從外部的滲入）在電場(chǎng)的作用下引發(fā)電蝕破壞造成的電氣劣化等。為了解決這一問(wèn)題，在上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出了多種干法交聯(lián)技術(shù)，并在同一時(shí)期實(shí)現(xiàn)了66 kV XLPE電纜絕緣線芯生產(chǎn)方式由濕法交聯(lián)向干法交聯(lián)的轉(zhuǎn)變，而后35 kV及以下電壓等級(jí)的XLPE電纜的生產(chǎn)方式也由濕法交聯(lián)轉(zhuǎn)為干法交聯(lián)。到了上世紀(jì)80年代中期，濕法交聯(lián)生產(chǎn)工藝完全退出了中高壓XLPE電纜的制造領(lǐng)域。最初開(kāi)發(fā)出的干法交聯(lián)技術(shù)有熱輻射（RCP）法、長(zhǎng)承線模（MDCV）法、循環(huán)氣體交聯(lián)法、硅油加熱和冷卻（FZCV）法、高頻感應(yīng)加熱（SK）法、高溫輻射（TAXX）法及加壓熔鹽（PLCV）法［2-3］。目前還在使用的有RCP法、FZCV法、MDCV法等。

在交聯(lián)方法不斷改進(jìn)的同時(shí)，又開(kāi)發(fā)出了導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠技術(shù)替代了包帶工藝。

我國(guó)在上世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)的XLPE電纜生產(chǎn)設(shè)備均為干法交聯(lián)的設(shè)備，屏蔽結(jié)構(gòu)多為（1+ 2）式，即：導(dǎo)體屏蔽單獨(dú)擠出，絕緣與絕緣屏蔽同時(shí)擠出。到了本世紀(jì)初期，基本完成了三層共擠的改造。

干法交聯(lián)技術(shù)是采用輻射、傳導(dǎo)向絕緣材料提供交聯(lián)反應(yīng)能量的技術(shù)。干法交聯(lián)與濕法交聯(lián)生產(chǎn)的XLPE電纜內(nèi)在質(zhì)量相比：絕緣層內(nèi)的初期含水量從數(shù)千ppm降到了數(shù)百ppm；絕緣層內(nèi)的微孔數(shù)量下降到了1/100；絕緣層內(nèi)的微孔直徑下降到了1/10，達(dá)到了μm級(jí)的水平；絕緣層內(nèi)晶相組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化。

電子顯微鏡下濕法交聯(lián)和干法交聯(lián)的絕緣層的組織結(jié)構(gòu)照片如圖1所示［4］。

干法交聯(lián)生產(chǎn)的XLPE電纜的原始工頻破壞和沖擊破壞電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)比濕法交聯(lián)的分別高出了50%～70%和20%～70%。

三層共擠技術(shù)使絕緣層與屏蔽層之間的接觸更加平整和緊密，電纜使用過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)、外導(dǎo)樹(shù)枝現(xiàn)象也隨之消失。日本經(jīng)過(guò)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的XLPE電纜調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：

圖1 不同交聯(lián)工藝的絕緣層內(nèi)晶相組織結(jié)構(gòu)

（1）采用濕法交聯(lián)，繞包內(nèi)、外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內(nèi)有內(nèi)導(dǎo)樹(shù)枝（在內(nèi)屏蔽層上發(fā)生，向外屏蔽層擴(kuò)展的樹(shù)枝）、外導(dǎo)樹(shù)枝（在外屏蔽層上發(fā)生，向內(nèi)屏蔽層擴(kuò)展的樹(shù)枝）、蝴蝶樹(shù)枝（在絕緣層內(nèi)的微孔、異物上發(fā)生，向內(nèi)、外屏蔽層擴(kuò)展的樹(shù)枝）；

（2）采用濕法交聯(lián)，擠出內(nèi)屏蔽層、繞包外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內(nèi)有外導(dǎo)樹(shù)枝、蝴蝶樹(shù)枝；

（3）采用干法交聯(lián)，擠出內(nèi)屏蔽層、繞包外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內(nèi)有外導(dǎo)樹(shù)枝（但與濕法交聯(lián)相比顯著減少）、蝴蝶樹(shù)枝；

3.2.1 導(dǎo)尿管 導(dǎo)尿管的材質(zhì)主要有乳膠、硅膠和聚四氯乙烯3種，并有鍍銀、呋喃西林及水凝膠等不同涂層［1］。乳膠和硅膠的導(dǎo)尿管相比，對(duì)于預(yù)防UTI的效果無(wú)顯著差異，而鍍銀的聚四氯乙烯乳膠導(dǎo)尿管則能夠降低UTI的發(fā)生率。此外，鍍銀的導(dǎo)尿管和硅膠涂層的導(dǎo)尿管相比，前者仍然表現(xiàn)出更好的預(yù)防UTI效果。因此，使用鍍銀的導(dǎo)尿管可以降低導(dǎo)尿管相關(guān)性菌尿癥的發(fā)生率(B級(jí)推薦)［4］。但鍍銀導(dǎo)尿管成本較高，影響其推廣應(yīng)用，對(duì)于其適用的患者類(lèi)型及其應(yīng)用的成本效益分析方面目前尚無(wú)進(jìn)一步的研究。

（4）采用干法交聯(lián)，三層共擠方式制造的XLPE電纜絕緣層內(nèi)僅有蝴蝶樹(shù)枝。

通過(guò)采用干法交聯(lián)、三層共擠、金屬擋水層等技術(shù)，XLPE電纜的質(zhì)量有了明顯的提高，表現(xiàn)在絕緣層的厚度有了明顯的減薄和運(yùn)行故障率顯著下降。表2為日本各電壓等級(jí)XLPE電纜絕緣層減薄的過(guò)程。表3為日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省統(tǒng)計(jì)的地下電纜事故率。

此外，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍有絕緣屏蔽采用包帶方式的XLPE電纜，用于環(huán)境良好的配電線路中。

表2 日本XLPE電纜絕緣層的變化

表3 日本的地下電纜事故率統(tǒng)計(jì)表 （單位：件/100 km回路·年）

1.3 交聯(lián)生產(chǎn)線

目前RCP法交聯(lián)生產(chǎn)線為主流的交聯(lián)設(shè)備，其布置方式有立式（VCV）和懸鏈?zhǔn)剑–CV）。

CCV安裝高度一般為12 m左右，為保持線芯的圓整度和同心度，在生產(chǎn)高壓和超高壓XLPE電纜絕緣線芯時(shí)一般采用上、下?tīng)恳叫D(zhuǎn)，適合制造小截面導(dǎo)體的電纜。

VCV容易控制絕緣線芯的圓整度和同心度，但設(shè)備安裝高度大部分都在100 m左右。我們利用本公司引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備的隨機(jī)計(jì)算軟件，對(duì)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的絕緣結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算出的VCV（交聯(lián)區(qū)間約30 m，垂直冷卻區(qū)間約60 m，水平冷卻區(qū)間約50m）生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表4，可供設(shè)備選型時(shí)參考。

表4 交聯(lián)電纜生產(chǎn)線的生產(chǎn)參數(shù)

2 質(zhì)量控制

2.1 影響絕緣質(zhì)量的原因

絕緣層內(nèi)存在的雜質(zhì)、絕緣層與屏蔽層間突起、絕緣層內(nèi)的殘余應(yīng)力是影響XLPE電纜運(yùn)行壽命的主要原因。雜質(zhì)與突起所引發(fā)的樹(shù)枝現(xiàn)象見(jiàn)圖2。

圖2 絕緣層內(nèi)由雜質(zhì)和突起引發(fā)的樹(shù)枝

絕緣層內(nèi)的雜質(zhì)來(lái)源于絕緣材料、絕緣線芯制造過(guò)程中的外部混入和生產(chǎn)過(guò)程中局部焦化；絕緣層與屏蔽層間的突起與材料特性及加工用擠出機(jī)頭內(nèi)的流道設(shè)計(jì)、制作有密切關(guān)系；絕緣層內(nèi)的殘余應(yīng)力是絕緣線芯在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的，殘余應(yīng)力會(huì)使電纜導(dǎo)體與絕緣層脫離，加速絕緣層內(nèi)樹(shù)枝的產(chǎn)生與發(fā)展。表5為筆者采用不同的冷卻方式生產(chǎn)的同一規(guī)格絕緣線芯的殘余應(yīng)力的比較。

表5 不同冷卻方式的殘余應(yīng)力比較

2.2 工藝控制的要點(diǎn)

高壓和超高壓XLPE電纜絕緣線芯生產(chǎn)過(guò)程控制的主要要求為：選擇滿足要求的材料；對(duì)材料使用過(guò)程中雜質(zhì)的管理；擠出機(jī)頭的雜質(zhì)管理；凈化間的管理；擠出過(guò)程的雜質(zhì)過(guò)濾；擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)；擠出機(jī)頭流道的設(shè)計(jì)；三層共擠擠出、干法交聯(lián)和干法冷卻；絕緣線芯殘余應(yīng)力消除。

（1）去除雜質(zhì)

目前要求超高壓級(jí)絕緣料中存在的金屬雜質(zhì)直徑不大于50μm，非金屬雜質(zhì)直徑不大于70μm（更高的要求為不大于50μm）。對(duì)于電纜制造商來(lái)說(shuō)，保證材料在接收、使用過(guò)程中不被污染至關(guān)重要。材料的使用環(huán)境凈化等級(jí)要求在1 000級(jí)，絕緣材料一般均采用重力落料方式以減少傳輸過(guò)程中因摩擦而產(chǎn)生雜質(zhì)。

擠出機(jī)頭從裝配、搬運(yùn)到與生產(chǎn)線連接的整個(gè)過(guò)程都要在凈化的空間內(nèi)完成，以防止雜質(zhì)附著在擠出機(jī)頭上。環(huán)境凈化等級(jí)的要求也是1 000級(jí)。空間凈化管理的目的：一是控制空氣中的最大粉塵顆粒；二是控制由生產(chǎn)人員帶入的粉塵顆粒。當(dāng)凈化等級(jí)達(dá)到1 000級(jí)時(shí)，有可能將凈化間內(nèi)的最大粉塵顆粒直徑控制在5μm的水平。為防范人體自身帶入的粉塵，在凈化間內(nèi)工作的人員要著防塵服。

擠出時(shí)要采用滿足要求的凈化濾網(wǎng)，以提高對(duì)雜質(zhì)的過(guò)濾能力。國(guó)外對(duì)于絕緣層內(nèi)最大雜質(zhì)直徑的可接受的水平為：110 kV級(jí)為250μm；220 kV級(jí)為150μm；500 kV級(jí)為50μm。

（2）去除微孔

采用干法交聯(lián)方式和成熟的生產(chǎn)工藝進(jìn)行過(guò)程控制，微孔直徑目前可以降到μm級(jí)水平。國(guó)外對(duì)于絕緣層內(nèi)最大微孔直徑的可接受水平為：110 kV級(jí)為50μm；220 kV級(jí)為40μm。

（3）去除突起

使用光滑的屏蔽材料，采用三層共擠方式以保證絕緣和屏蔽層緊密、光滑地連接。對(duì)于擠出機(jī)機(jī)頭的設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)：避免在流道中產(chǎn)生存膠且各部位流速的均一。國(guó)外對(duì)于絕緣線芯內(nèi)最大導(dǎo)電性突起的可接受水平為：110 kV級(jí)為100μm；220 kV級(jí)為90μm。

3 XLPE電纜的絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

XLPE電纜設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)水平主要表現(xiàn)在電纜絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。確定絕緣場(chǎng)強(qiáng)的方法有最高場(chǎng)強(qiáng)法和平均場(chǎng)強(qiáng)法。兩種方法都基于同一理論基礎(chǔ)，使用的參數(shù)來(lái)自同樣的對(duì)模擬件進(jìn)行擊穿試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，只是表述方式不同而已。表6為超高壓XLPE電纜的電場(chǎng)典型設(shè)計(jì)應(yīng)力值，其中日本的數(shù)據(jù)為從平均場(chǎng)強(qiáng)法轉(zhuǎn)換為最高場(chǎng)強(qiáng)法的結(jié)果。

表6 超高壓電纜的電場(chǎng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度比較

對(duì)于220 kV和110 kV的XLPE電纜，歐洲某一知名企業(yè)的電場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)力值與國(guó)標(biāo)的比較見(jiàn)表7。

表7 電纜的電場(chǎng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度比較

綜合來(lái)看，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)XLPE電纜的設(shè)計(jì)最大場(chǎng)強(qiáng)要求：110 kV等級(jí)的略低于歐洲，220 kV等級(jí)的與歐洲基本相當(dāng)，500 kV等級(jí)的則要略高于歐洲。

4 結(jié)束語(yǔ)

XLPE電纜因其優(yōu)異的電氣和物理性能而成為當(dāng)今電力電纜類(lèi)產(chǎn)品中的主角。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，XLPE電纜仍將是電力電纜中最重要的產(chǎn)品。

控制制造過(guò)程使其符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量是至關(guān)重要的，因?yàn)楝F(xiàn)有的例行檢測(cè)手段還無(wú)法完全檢測(cè)出電纜內(nèi)部存在的可能影響電纜運(yùn)行壽命的缺陷；制定高壓和超高壓XLPE電纜的設(shè)計(jì)規(guī)范，鼓勵(lì)企業(yè)開(kāi)展新產(chǎn)品的研究，豐富現(xiàn)有產(chǎn)品的型號(hào)和規(guī)格；開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程控制新技術(shù)，以不斷減少絕緣層內(nèi)殘存應(yīng)力和雜質(zhì)含量；提高制造與檢測(cè)裝備水平，提供大長(zhǎng)度的產(chǎn)品，以減少線路中間接頭、降低建設(shè)成本和運(yùn)行故障風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ Benata R，Paolucci A著.徐 政譯.超高壓交流地下電力系統(tǒng)的性能和規(guī)劃［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.6-7.

［2］ 電力中央研究所，電力技術(shù)研究所.66 kV級(jí)XLPEヶーブルの長(zhǎng)期絶縁性能［R］.電力中央研究所報(bào)告［181039］，1983.

［3］ 樓爾康.現(xiàn)代電纜工程［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989.120.

［4］ TAKAHASHIK，IKEDA C，MULAKIK，et al.275kVガス架橋ポリエチレンヶーブルの開(kāi)発［J］.日立評(píng)論，1975，57（5）：451.

［5］ GB/T 22078 額定電壓500 kV（Um=550kV）XLPE絕緣電力電纜及其附件［S］.

M anufacturing Technology of XLPE Cable

WANG Yan，ZHAO Bin
（Yuancheng Cable Co.，Ltd.，Yixing 214251，China）

Themanufacturing technology history of XLPE insulated power cable has been introduced.Current requirements for key process control and the development of domestic extra-high voltage XLPE power cable products have been prospected.

XLPE insulated power cable；manufacturing process；procedure control

TM247.1

A

1672-6901（2014）05-0013-04

2014-03-07

王 巖（1962-），男，高級(jí)工程師.

作者地址：江蘇宜興市官林鎮(zhèn)遠(yuǎn)程路8號(hào)［214251］.