CCV交联工艺生产高压电力电缆的特点及其绝缘偏心的控制

　引　言

高压交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆(以下简称交联电缆)应用CCV制造工艺,其技术可行性与产品质量可靠性至今仍是部分高压电力电缆用户关心的问题。实际上,自该产品问世以来,人们一直在不断研究用DCP这种过氧化物交联聚乙烯高分子材料的各种工艺方式,无论是立式(VCV)化学交联工艺,还是悬链式(CCV)化学交联工艺,都得到了长足的技术进步。尽管VCV在制造高压尤其是超高压交联电缆比CCV更为简便,绝缘偏心易于保证,但悬链式交联工艺制造高压乃至超高压交联电缆更能体现其具有更高的技术水平,不仅生产效率提高,而且投资成本降低。尤其是近年来,悬链式交联工艺其生产线自动控制技术更为完善,悬垂控制更加可靠,机头流道设计更加科学,并且,采用了导体预热,在线精确测量,无摩擦重力落料,大张力双旋转牵引.交联管温度依据聚合物交联特性采用计算机软件自动控制等,这些都极大地提升了CCV交联工艺制造高压与超高压交联电缆的技术先进性。用CCV工艺生产的高压交联电缆投入运行的历史还可追溯至立式交联工艺之前,而且电缆安全运行至今,这些均说明其产品质量是可靠的。

本文通过对远东控股集团引进德国Troester公司最新的500 kV悬链式交联电缆生产线的技术特点、控制绝缘偏心的研究来进一步说明高压交联聚乙烯绝缘电力电缆应用CCV交联工艺是完全可行的,其技术是先进的,绝缘偏心控制水平甚至要好于VCV交联工艺。

1　500 kV悬链式交联生产线的技术特点

1. 1　生产线的自动控制技术

最新的500 kV悬链式交联电缆生产线的主要

技术参数:

(1) 导体截面240～2500 mm2 ,导体直径16～

65 mm,适合于圆形紧压导体、分割导体;

(2) 导体屏蔽0. 4～2. 5 mm,绝缘厚度8. 0～

35 mm,绝缘屏蔽0. 4～2. 5 mm;

(3) 三层共挤电缆最大外径145 mm,悬链控制

电缆最大重量35 kg/m;

(4) 生产线设计最大速度30 m /min,全干式氮

气保护连续交联;

(5) 交联管长度167 m,其中悬链段55 m,加热

段45. 6 m,冷却段112 m;

(6) 收线处导体最高温度55 ℃。

整条生产线的电气与操作分别由TILC23与Si2emens S72400PLC智能控制。内屏、绝缘、外屏挤出机根据生产线同步控制特性可自动跟踪调节。放线架的速度由储线器或TUR2500 张力转向轮控制。生产速度由上旋转计米履带牵引机控制,下旋转履带牵引机依据生产速度控制电缆位置。辅助牵引机依据TRU4000张力转向轮控制收线。交联管温度依据聚合物挤出量和生产速度由PLC中央处理器自动控制。电缆经交联管加热段进入预冷段后采用

循环氮气冷却。

1. 2　机头流道改进设计

该公司三层共挤机头流道不同于传统的圆柱体流道,而是采用了圆锥体流道(见图1) 。这种流道即便连续使用较长时间,也不会在流道壁上产生预交联的残留物,因为物料在流动过程中挤压力逐渐增加,所有物料均被向前推进,并使熔融的物料到达模口处更密实。

图1　机头流道结构

1. 3　重力落料系统

内屏蔽、绝缘、外屏蔽料均采用重力落料系统,屏蔽料落料还配有除湿干燥功能,重力落料使粒料之间以及管壁对粒料的相互摩擦极小,是一种以低速、稠密、粒料排队的输送方式进入挤出机,极大地减少了传统吸料工艺产生的粉尘和细末,也大大减少了与管壁摩擦产生的细微杂质,且整个输送过程为全封闭,使粒料不受污染。此外,为保持重力落料场所的洁净要求,落料间为千级洁净加料间,即每立方米空气中大于5 μm尘埃数小于250个,而大于0. 5 μm的尘埃数小于35 ×1000个。

1. 4　在线厚度与偏心测量

该生产线配置了由瑞士ZUMBACH电子公司设计制造的RAYEX220型X射线偏心厚度在线测量仪,测量范围最大160 mm,测量半导体屏蔽最小厚度为0. 3 mm, XLPE绝缘最大厚度为40 mm,测量精度0. 03 mm,分辨率±0. 01 mm。

1. 5　导体预热

该生产线配置了在线中频感应加热导体预热装置,其功率为100 kW。导体预热装置温度设定后可与生产线速度同步跟踪,以确保导体预热效果。对于高压交联电缆导体预热并不完全为了提高生产效率,而在于改善交联电缆绝缘的热应力,降低了交联管的交联温度,从而降低电缆在交联加热段的温度,避免了高温交联,使电缆绝缘内外温差减小,避免绝缘向导体过于收缩、向外部过于膨胀。采用导体预热也有利于抑制XLPE绝缘的融熔变形。

图2为64 /110 kV　240 mm2 规格交联电缆在导体温度20 ℃与80 ℃时交联管设定温度与电缆绝缘线芯表面温度的差异。

　图2为64 /110 kV　240 mm2 电缆导体温度为20 ℃和80 ℃时交联管设定温度与绝缘线芯表面温度的差异(图中横座标SPB、HO1、HO2⋯⋯HO8分别为交联加热管自机头的连接管( SPB) 、第1段、第2段⋯⋯第8段)—◆—交联管设定的温度　—■—绝缘线芯表面温度—▲—绝缘线芯外径变化(mm)

1. 6　双旋转牵引控制绝缘偏心

该条生产线配置了同步双旋转履带牵引,上牵引为RAGG90 /29计米旋转牵引,即通过导体直径可达90 mm,皮带接触长度为2900 mm,牵引张力为70000 N;下牵引为RAGG150 /38张力旋转牵引,即通过电缆直径可达150 mm,皮带接触长度为3800

1.7

mm,牵引张力为81600 N,设计最大速度为35 m /min;牵引旋转速度依据电缆规格、绝缘厚度、生产速度自动跟踪调节。

2　控制绝缘偏心的研究

高压交联聚乙烯电力电缆的绝缘厚度相对于中压电缆要厚得多,尤其是导体直径愈小,导体表面场强愈高,要求绝缘厚度愈厚。悬链式交联工艺,由于绝缘挤出后在融熔状态未交联固化之前将受到重力作用而产生下垂引起绝缘偏心,这种下垂现象与绝缘聚合物的熔体流动性(熔融指数、温度) 、挤出压力、交联管加热温度密切相关,分析研究表明下垂现象还与导体直径、绝缘厚度存在联系。

电缆旋转控制绝缘偏心的厚理是: XLPE绝缘层中每一个微小单元受重力作用,连续的按自身作圆周改变重力方向,而电缆旋转使绝缘中每一微小单元的运动速度以维持其重力方向的改变而不发生位移为适宜。

图3 为绝缘中微小单元受重力作用与运动轨迹。

　　通过分析可知,绝缘中的每一微小单元即随着电缆做顺时针方向匀速旋转,同时自身受重力作用在一个圆周上其受力方向做逆时针旋转,如果旋转速度与每一微小单元自转维持平衡,则聚合物材料就不会发生位移,随着分子链间化学交联健的形成使绝缘由塑性变为固性。

通过试验还发现:对于相同直径的导体,其绝缘厚度愈厚,则要求旋转的速度要快;对于绝缘厚度相同,而导体直径愈大,则要求旋转的速度相对要慢。通过试验和分析,可以得出在保证聚合物设计厚度的条件下,生产线速度、导体直径与绝缘聚合物厚度、牵引旋转速度参数之间的

一些相互关系(见图4～图6) 。 图5　绝缘厚度/导体(铜)直径的比值与导体(铜)规格的关系

图6　牵引转速与导体(铜)规格的关系

　　我们在该条生产线上生产64 /110 kV 和试制127 /220 kV电缆均选择熔体指数与立式工艺相同的超净绝缘材料———DOW 化学HFDE24201SC。挤出机的温控精度能保持绝缘料熔融温度稳定,机头锥形流道和模具的配置能稳定较高挤出压力,采用导体预热能有效降低交联管的交联温度和电缆表面温度,通过壁厚测量正确的校正偏心,并通过上下牵引同步旋转电缆能保证绝缘偏心控制在5%以内,甚至好于3%。

3　结束语

最新的500 kV CCV 悬链式交联电缆生产线,由于其提高了自动控制技术,并采用了重力落料、导体预热、壁厚偏心在线测量、圆锥体流道机头、双旋转牵引等多项新技术,使得高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的绝缘偏心得到了可靠的控制。经远东电缆有限公司实际生产验证,其电缆绝缘偏心度指标达到了较高水平,完全可以控制在5%以内,精确调整

可以好于3%。