中压交联聚乙烯电缆论文（共7篇）
中压交联聚乙烯电缆论文 篇1
10 kV交联聚乙烯(XPLE)电缆的接头主要有绕包式、模塑式和预制式等7种类型,其中绕包式接头目前在上海地区普遍使用,施工和运行经验较为丰富,但作业所需时间较长,标准化难度较高。近年来,预制式接头(简称2336型接头)因施工时间短,操作方便等优点,已逐步取代绕包式接头。但在实际的应用中,发现预制式接头由于结构设计上的原因,在防水性能上存在缺陷,出现了不少因水分渗透而引起电缆故障的案例。本文对一些典型的预制式接头故障进行分析,研究了提高预制式接头防水性能的施工工艺。
1 预制式接头的施工优势
1) 尺寸标准化。
预制式接头由于附件本身在工厂中制作,其屏蔽层和绝缘层的尺寸完全采用标准化生产。而绕包式接头的绝缘要在现场采用手工绕包方式制作,其绕包质量直接影响了反应力锥和绝缘层的质量。因此,预制式接头因尺寸标准化而减小了现场的施工强度,同时也有利于施工质量的控制。
2) 缩短施工时间,易进行质量控制。
在绕包式接头的设计中,需要制作反应力锥以控制电缆本体绝缘和增绕绝缘之间的界面应力。以一根三芯电缆为例,制作一套绕包式接头需要制作6个反应力锥,单人操作平均耗时达1.5 h。此外,绕包式接头需要使用绝缘带材以增绕绝缘,按照目前的工艺标准,10 kV XPLE电缆绕包式接头增绕绝缘后的绝缘外径比电缆本体绝缘外径要增加16 mm。与绕包式接头相比,预制式接头省去了制作反应力锥和增绕绝缘等施工步骤,不仅简化了施工过程,大大缩短了施工时间,而且便于进行施工质量的控制。
2 预制式接头的结构和安装过程
2.1 预制式接头的结构
10 kV XPLE电缆预制式接头的基本结构如图1所示。其中的预制件是预制式中间接头最重要的部件,由工厂严格按照设计标准制造,出厂前均经过严格测试。
2.2 预制式接头的安装过程
预制式中间接头的安装过程主要包括以下6个步骤。
1) 剥切电缆。
依次剥切外护层、铠装层、内衬层、金属屏蔽层、半导电层和绝缘层。
2) 预装预制件。
在电缆清洁后,将预制件套入,暂时固定。
3) 采用压接方法进行导体连接。
一般规定,6～35 kV XPLE电缆的导体为紧压圆形,应选用紧压型连接管。
4) 预制件定位。
将预制件按照标定尺寸推至指定位置并固定。
5) 恢复屏蔽层。
在预制件外绕包铜网以恢复电缆屏蔽层。
6) 缩紧热缩套管和进行防水密封。
将套在电缆外层的热缩套管缩紧,并在预制件两端用绕包防水绝缘带对其进行防水密封。
根据以往的施工和运行经验,在预制式接头的施工中,除半导电层处理外,在预制件两端用绕包防绝缘水带作为防水密封措施,确保预制件内部在施工和运行过程中始终保持干燥,是保证接头质量的关键所在。
3 预制式接头的典型故障分析
3.1 典型故障现象
根据预制式接头投入使用后的运行情况看,其材料电气性能稳定,在各种敷设环境下一般均能可靠运行。但随着使用数量的增多,有一定数量的预制式接头出现了运行故障,除外力破坏因素外,预制件内渗水是发生故障的重要因素。
2007年6月,某10 kV预制式接头发生故障,解剖后发现其中一相预制件击穿,预制件内有水分存在,接管上有铜锈,绝缘表面爬电现象严重。从接管上有铜锈的情况说明,电缆在运行过程中,预制件内发生了渗水。渗水降低了电缆绝缘强度并诱发生成水树枝,在运行一段时间之后造成绝缘击穿。故障原因为由于线芯弯曲导致预制件与电缆不能完全贴合,水分侵入后引发故障。
通过对多起该类型电缆接头故障的分析,发现除施工人员未严格按照施工工艺标准施工造成预制式接头质量较低以外,接头发生故障后的预制件内均发现有水分存在。
通过对发生故障的电缆线路上未损环的该型号电缆预制式接头进行解剖,发现防水绝缘带和电缆本体结合较为紧密,而与预制件之间结合不够紧密,存在一定的渗水现象。这说明目前使用的防水绝缘带材料和预制件之间的黏合性能不好,防水能力受到影响。
3.2 故障原因的试验性分析
通过对电缆预制式接头故障的分析,认为预制件内渗水应是发生故障的主要原因。为进一步确认电缆预制式接头预制件渗水和预制件材料特性、相关施工工艺之间的关系,采用绝缘直径为33.6 mm的10 kV XPLE电缆开展了以下试验。
1) 试验1。
该试验用来模拟施工过程中施工人员对半导电层的处理不佳,断口不平整的情况。将电缆半导电层断口削成锯齿形状,外部全包防水绝缘带,采用内孔直径为31 mm的预制件制作电缆预制式接头,并浸泡于水箱中进行工频耐压45 kV、55 kV/5 min、75 kV/5 min试验。
该试验说明断口的锯齿现象对预制式接头质量产生一定影响,主要是造成局部放电,预制件内部并未发现渗水现象。
2) 试验2。
该试验主要针对施工过程中半导电层打磨不到位,防水不严密的情况。故意不打磨电缆半导电层,两端粗略包防水绝缘带,采用内孔直径为31 mm的预制件制作预制式接头,并浸泡于水箱中进行工频耐压45 kV、55 kV/5 min、75 kV/5 min试验。
在试验中,当调至工频39 kV时发生电缆击穿现象,解剖发现预制件内部渗水严重。该试验说明运行过程中预制件两端若不有效防水,由于预制件和电缆本体间的纵向阻水能力不佳,易造成水分渗入接管部位,从而引起击穿放电。
3) 试验3。
该试验主要针对施工过程中,电缆接头部位不直,存在有弯曲度的情况。弯曲电缆,两端包防水绝缘带,采用内孔直径为31 mm预制件制作预制式接头,并浸泡于水箱中进行工频耐压45 kV、55 kV/5 min、75 kV/5 min试验。
在试验中,发现电缆局部放电超标,预制件两端防水绝缘带和预制件接触部位发现少量水分。
该试验说明运行过程中预制件两端正常绕包防水绝缘带,由于防水绝缘带和预制件之间的黏合性能不佳,易造成水分渗入。
4) 试验4。
该试验主要尝试加大预制件和电缆本体间的过盈配合,即加大预制件和电缆之间的握力和贴合度,测试局部放电和渗水现象。使用较小的内孔直径为29.5 mm的预制件制作预制式接头,并浸泡于水箱中进行工频耐压45 kV、55 kV/5 min、75 kV/5 min试验。
在试验中,局部放电正常,预制件内部未发现渗水现象。该试验说明预制件和电缆之间的握力增加后,其纵向阻水性能加强,水分未渗入,电缆运行正常。
3.3 试验性分析结论
通过以上4个试验,并结合材料性能特点,认为电缆预制式接头因防水绝缘带材料和预制件材料之间黏合力较差,如按照原施工工艺施工,电缆接头的防水性能较差,易发生渗水现象进而引发电缆接头故障。
目前使用的预制式接头存在防水性能不足的现象,但因其具有施工时间短、配件和工艺标准化程度高等优势,在应用中仍应受到肯定。同时,可在预制式中间接头工艺中吸收绕包式接头防水性能较好的优点,对预制式接头的缺陷进行弥补,提高其防水性能,其实用价值仍是很高的。
4 预制式接头施工工艺的改进
4.1 改进措施和试验
通过对上述4个试验结果进行分析,认为在不改变预制式接头材料性能和结构尺寸的前提下,通过改善防水密封工艺可以解决其防水能力较差的问题。
1) 预制件外部全包防水绝缘带而非仅两端绕包防水带。原工艺在预制件两端使用防水绝缘带绕包,由于两端的防水绝缘带绕包尺寸较短没有形成一个整体,在快速施工中容易出现绕包不到位的情况。现将该工艺步骤改为预制件外部全绕包防水绝缘带,以形成整体防水层。同时,为了避免出现预制件外表导电层和电缆外导电层搭接不良的情况,在绕包防水绝缘带之前,先在预制件两端绕包半导电带以加强半导电层的连接。
2) 针对试验4发现的缩小孔径可以改善防水性能的特点,将现有的配套预制件型号统一采用较原来小一号规格的预制件,使电缆绝缘和预制件的过盈在3mm以上,以改善防水性能。
为证明预制件外部全包防水绝缘带对提高接头防水性能的作用,进行了如下试验:弯曲电缆,预制件外部全包防水绝缘带,采用内孔直径为31 mm的预制件制作预制式接头,并浸泡于水箱中进行工频耐压45 kV、55 kV/5 min、75 kV/5 min试验。
通过多次试验证实,采用此工艺进行的防水密封有效地保护了预制件,未发现渗水现象。
4.2 工艺改进后的效果
在对原预制式接头工艺改进后,进行了多项试验性接头施工。在施工中,通过过程检查发现其防水绝缘带绕包的黏牢度有效提高,在施工投运后,未发生因防水性能不足而引起的接头故障。
5 结语
10 kV交联聚乙烯电缆采用预制式接头,可以减少作业时间,降低作业强度,大幅提升作业效率。但由于预制件在总装过程中存在配合精度不够、黏合不严密从而降低整体质量的固有缺点,要确保预制式中间接头的可靠稳定运行,必须解决该类型接头的防水密封问题。本文通过试验分析提出的改进措施,在不改变基本工艺流程和材料的基础上,有效地提高了预制式接头的防水密封性能,确保该型接头的安全可靠运行。
摘要：10 kV交联聚乙烯电缆预制式接头的结构设计存在缺陷,易引发电缆故障,但可以通过施工工艺的改进予以解决。介绍了该预制式接头的基本结构、施工过程以及对其典型故障原因进行的试验性分析。针对该接头因其结构缺陷而引起故障这一根本原因,改进了接头的施工工艺,取得了良好的效果。
关键词：预制式电缆接头,中压电缆,施工工艺
参考文献
[1]史传卿.电力电缆安装运行技术问答[M].北京:中国电力出版社,2002.
[2]张东斐,唐庆华,朱利军.110 kV电缆接头故障实例分析[J].供用电,2008(1).
交联聚乙烯电缆耐压试验方法 篇2
近年来, 我国电力技术有着突飞猛进的发展, 伴随城市电网的改造工程, 山东的各发电公司开始越来越多的使用高压电力电缆, 尤其是交联聚乙烯电缆。虽然所有的电缆必须经检验合格后才能出厂, 但是在投入使用之前所有的环节, 包括运输、保存、安装等都有可能对电缆带来一定的损伤, 对未来的安全使用带来隐患
1 交联聚乙烯电缆直流耐压试验的缺点
根据对交联聚乙烯电缆线路进行高压试验后的结果看来, 使用直流耐压试验对交联聚乙烯绝缘电缆及其附件的缺陷检验的效果不明显, 存在以下几个缺点。
1.1电缆绝缘在直流电压时, 其电场的分布是由电缆材料的体积及其电阻率决定的, 而电缆绝缘在交流电压时, 它的电场分布则是由各介质的介电常数决定的, 所以电缆绝缘的电场强度在直流与交流电压时的分布是不同的。而且电缆的老化机理在两种不同的试验条件下也不尽相同。这样就导致了电缆的部分缺陷能在交流电压试验时检测出来, 这些缺陷却在直流电压试验中往往检测不出来。
1.2在做交流电压试验时, 交联聚乙烯电缆会产生电荷“记忆”, 会累积并存储剩余电荷, 而这些电荷需要很长的时间才能被释放出去。这时带有剩余电荷的电缆被投入使用运行后, 直流偏压就会叠加在工频电压峰值上, 这样会使得交联聚乙烯电缆的电压值超过额定电压值, 就会发生电缆绝缘被击穿的危险事故。
1.3在做直流耐压试验的时候, 由于电子会注入到聚合物介质内部空隙, 形成空间电荷, 使该处的电场强度降低, 试验时电缆就不易发生击穿[1]。而交联聚乙烯电缆的半导体凸出部位和绝缘杂质部位, 很容易形成空间电荷, 会降低这些部位的电场强度, 使其试验时不容易被击穿。可是在交流电压试验时这些部位在却是绝缘薄弱处, 容易发生击穿。
1.4该电缆在运行使用过程中存在一个严重的安全隐患, 那就是在绝缘内极易发生水树枝现象。由于直流电压为负极性高压, 如果电缆在检修或预防性试验中再承受直流电压, 会导致水树枝迅速转变为电树枝并形成放电, 加速绝缘老化, 最终在工频交流电压运行时击穿。而这些水树枝在交流电压下却能安全的运行一段时间。
2 交联聚乙烯电缆耐压试验方法
2.1 超低频法
在做工频试验试验时, 交联聚乙烯电缆的电容量相对来说比其他电缆的容量要大许多, 这种情况下的试验设备质量会变大, 现场操作不方便。而使用超低频 (0.1Hz) 耐压试验时, 理论上可以将容量降低500倍, 令使用的设备质量会降低非常多, 设备变得轻便很多。这样就可随时移动设备到现场进行试验。目前, 超低频法被广泛的应用在中低压电缆的试验中, 也因为这种电压的等级不高, 并不能用于电压高于66 k V的电缆试验中。
2.2 振荡电压法
振荡电压的试验方法是对电缆进行直流充电, 在一定的电压值达到后, 通过间隙对电阻电感放电, 得到一个阻尼振荡电压。这种方法虽能检测出部分电缆的绝缘缺陷问题, 也比直流耐压试验更加有效, 可是依旧有缺陷, 工频试验比振荡电压试验更有效。
2.3 谐振耐压法
谐振耐压法是在试验中改变电回路的电感与频率, 使其处于谐振的状态。一般对于试验时使用电压比较高, 电流比较大时多采用谐振耐压法。使用谐振耐压法时由于它的设备轻便的原因, 多用于做现场试验。这种试验方法有调感和调频两种调节方式, 以及串联和并联两种谐振方式。此试验方法被科研及实践证明是目前最安全有效的方法, 并被广泛应用。
3 现场验收试验实例
章丘供热站用变频谐振试验装置对6k V交联聚乙烯电缆进行了现场交流耐压验收试验。
3.1 电缆参数
试品型号为ZRC-YJV22-6/10, 该电缆用于2D热网循环水泵, 电缆长度为30m, 额定电压6k V, 线路起点为章丘供热站6k V配电室, 线路终点为2D热网循环水泵。
3.2 试验依据
GB50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》
3.3 绝缘电阻
3.4 交流耐压试验及电容电流
3.5 电缆线路的相位
检查结果:正确。试验仪器:数字兆欧表FLUKE1550BNO:91320021、万用表。
3.6 检验结论
经检验该电缆合格。
4 结束语
直流耐压试验对于检验交联聚乙烯电缆有一定的安全隐患, 不适宜用于此种电缆的耐压试验。而交流耐压试验能有效的检验出交联聚乙烯电缆在运行使用前出现的各种意外损伤, 已经被普遍认为是检验交联聚乙烯电缆的最可靠的方法。
摘要：本文分析了交联聚乙烯电缆直流耐压试验的缺点 (电场分布不同, 电荷“记忆”效应, 空间电荷效应, 水树枝现象) 。简单地介绍了交联聚乙烯电缆耐压试验方法 (超低频法, 振荡电压法, 谐振耐压法) , 并介绍了章丘供热站用变频谐振试验装置对6k V交联聚乙烯电缆进行了现场交流耐压验收试验的实例。
关键词：交联聚乙烯电缆,耐压试验,发电厂
参考文献
中压交联聚乙烯电缆论文 篇3
近几年来, 随着石化工业的迅速发展, 交联聚乙烯电缆因其具有电气性能和热性能优良、结构简单、制造方便、重量轻、载流量大、安装敷设方便、没有落差限制等优点逐步取代了油浸纸绝缘电缆。同时, 由于交联热缩电缆附件的应用, 原来施工时间长、工艺要求高的电缆头制作方法被淘汰, 施工过程得以简化。现在, 无论是在供电部门还是用电企业, 电缆头的施工基本上都采用交联热缩电缆附件。
不过, 自交联聚乙烯电缆及交联热缩电缆附件得到广泛运用以来, 笔者多次在交联聚乙烯电缆及热缩电缆头施工现场看到, 由于施工人员不熟悉交联聚乙烯电缆及交联热缩电缆附件的结构、作用, 加上有的交联热缩电缆附件生产厂家的施工工艺说明书过于简单, 现场施工人员不能很好地掌握施工要求, 导致一些交联聚乙烯电缆及热缩电缆头施工质量不达标, 造成人力、物力、时间方面的浪费, 给企业的生产、经营带来一定损失。为了提高施工质量, 我们很有必要来认识一下什么是电缆头, 对电缆头有何要求及交联聚乙烯电缆、交联热缩电缆附件的作用和施工要求等问题。
1 电缆头和对电缆头的基本要求
1.1 电缆头
电缆出厂时两端都是密封的, 敷设后要把线芯剥出来接到电气设备上去, 这种装配在电缆末端用以保证电缆与其他电气设备可靠连接的装置叫电缆终端头。电缆出厂时长度是有限的, 实际使用中常需要将两根电缆头联结起来以达到长度要求, 这种用于电缆与电缆互助连接的装置叫电缆中间接头, 也叫电缆接头。电缆终端头和中间接头统称为电缆头, 通常也称为电缆附件。
电缆终端头有户外和户内之分。户外头安装在室外, 要能在各种气象条件 (包括日晒、雨淋、污秽、气温变化等) 下正常运行;户内头安装在室内, 不受气候影响, 运行环境比户外头优越。
1.2 对电缆头的基本要求
在安装电缆头时破坏了原有电缆的密封, 电缆外屏蔽切断后会引起切断处电场畸变。电缆头的主要作用就是把电缆重新密封起来, 并增包一些附加绝缘以保证电缆的绝缘水平。对电缆头的基本要求主要有以下几点: (1) 密封良好。有可靠的密封才有可靠的绝缘, 一方面要防止外界的水及导电介质侵入电缆内部, 另一方面要避免电缆内部的浸渍剂流失。 (2) 绝缘可靠。满足电缆线路在各种状态下耐受工频和冲击电压要求, 并有一定的裕度。 (3) 导体连接良好。对于终端头要求线芯与出线鼻有良好的连接, 对于中间接头则要求线芯与连接管之间有良好的连接。 (4) 足够的机械强度。 (5) 良好的热性能。电缆头的结构应有利于散热, 附加绝缘材料的热阻应尽可能小。
2 交联聚乙烯电缆的结构及交联热缩电缆附件的特点和作用
2.1 交联聚乙烯电缆结构
10 k V交联聚乙烯单芯电缆的结构如图1所示。
在图1中要特别指出导体屏蔽层及半导体外屏蔽层 (黑色) 的作用。导体屏蔽层能使绝缘层和电缆导体有较好接触, 消除导体表面不光滑 (多股导线绞合产生的尖端) 所引起的导体表面电场强度增加。半导体外屏蔽层能使绝缘层和金属护套有较好接触, 起到改善电气性能的作用。半导体外屏蔽层在交联聚乙烯热缩电缆头施工中是最容易被忽视的部分, 因为它和交联聚乙烯绝缘层紧紧结合在一起, 不容易被看出, 往往被认为是交联聚乙烯绝缘层的一部分。在电缆头施工中, 不将这一部分剥除到一定位置 (一般从电缆头端部外根部方向剥除200 mm以上) , 电缆头施工完毕后进行直流高压试验时, 往往会由于该原因导致电缆不合格。
2.2 交联热缩电缆附件的特点和作用
2.2.1 交联热缩电缆附件的特点
交联热缩电缆附件适用于以下场合: (1) 严寒、湿热地区, 沿海和工业污染地区; (2) 既适用于油浸纸绝缘电缆, 也适用于交联聚乙烯电缆; (3) 可安装于户内和户外环境; (4) 一套附件适用于几个规格截面的电缆; (5) 适用于多回路电缆并联和窄小的配电柜。
2.2.2 交联热缩电缆附件的作用
(1) 户外绝缘热缩管 (红色) :耐气候老化, 抗污秽; (2) 户内绝缘热缩管 (红色) :阻燃; (3) 内绝缘热缩管 (白色) :耐油、隔油; (4) 应力控制热缩管 (黑色) :消除电缆屏蔽末端电的应力集中; (5) 外户套热缩管 (黑色) :绝缘、防潮; (6) 软质填充胶 (黄色) :耐油、绝缘; (7) 热缩胶:粘接、密封。
3 交联聚乙烯电缆及热缩电缆头的施工要求
3.1 施工工艺方面
(1) 交联聚乙烯电缆施工时的环境温度应在0℃以上, 相对湿度在70%以下, 以免绝缘表面受潮。 (2) 切割热收缩管时, 切割端面要平整, 不要有毛刺或裂痕, 以免收缩时因应力集中而开裂;应力控制管不可随意切割。 (3) 接线鼻与热收缩管附件接触密封的部位要用溶剂清洁并打毛, 再用热熔胶带绕包。 (4) 收缩加热温度在110～140℃为好, 收缩加热时火焰要缓慢接近, 在其周围移动, 以保证收缩均匀, 并缓慢延伸, 火焰朝向收缩方向以便预热管材;依照工艺中规定的起始收缩部位由下往上收缩有利于排除气体和密封;收缩后的绝缘管壁应光滑无皱, 能清晰看出其内部轮廓;密封部位有少量胶挤出, 表明密封良好。 (5) 尽可能使用液化气体取代汽油喷灯, 液化气体能够充分燃烧, 在热缩管表面不会留下因燃烧不完全而产生的碳粒, 可以避免造成爬电通道。 (6) 所选用的绝缘材料应符合要求。 (7) 密封工艺质量好坏往往直接决定电缆头能否安全可靠运行, 所以在电缆和热缩管之间要填充密封胶防止热缩时密封不严使绝缘老化, 运行时发生击穿。 (8) 对接端子对接后一定要磨挫平整。 (9) 在电缆的切割过程中, 刀口不宜过深。去除半导体的环切过程中必须把握适当的力度, 不允许切入电缆的聚乙烯绝缘层而破坏了电缆的主绝缘, 否则该处将成为电缆的薄弱环节。 (10) 特别要注意剥除干净图1中交联聚乙烯绝缘表面的半导体外屏蔽层, 对于残留在主绝缘外表面的半导体层, 可用细沙布打磨干净, 再用清洁剂彻底清洁。
3.2 施工完毕后验收方面
电缆头施工完毕后的验收项目主要是对其进行电气试验。电缆头施工完毕后不能马上送电, 要通过电气试验验证合格后才能投运。目前, 对交联聚乙烯电缆主要进行直流高压试验。许多实践及资料表明目前该试验存在以下问题: (1) 在直流电压作用下, 其绝缘层中的电场强度是按绝缘电阻系数成比例分配的, 而材料的不均匀性会造成电场分布的不均匀; (2) 直流高压试验不能有效地发现交联聚乙烯电缆绝缘的水树枝等绝缘缺陷; (3) 进行直流高压试验时发生闪络或击穿, 可能会对其他正常的电缆和接头造成危害; (4) 直流高压试验有积累效应, 会加速绝缘老化, 缩短使用寿命; (5) 笔者在实际工作中还曾遇到做完直流高压试验后再做交流耐压试验, 从而发现了直流高压试验中不能发现的绝缘缺陷。
鉴于以上原因, 现在一些技术资料、规程提出对于交联聚乙烯电缆应优先进行交流耐压试验, 这已是大势所趋。
4 结语
交联聚乙烯电缆及交联热缩电缆附件的应用是电缆技术的进步, 但在施工中要注意其与油浸纸绝缘电缆的区别及施工工艺的不同。特别是在交联聚乙烯电缆热缩电缆头施工中更应注意以上问题, 才能确保施工质量, 节省施工时间, 又好又快地完成施工任务。
摘要：确保电缆头施工质量是电力电缆安全运行的重要条件。现介绍了交联聚乙烯电缆及交联热缩电缆附件的结构、作用, 指出了交联聚乙烯电缆及热缩电缆头施工中要注意的问题。
关键词：电缆头,交联聚乙烯电缆,热缩电缆附件,施工要求
参考文献
[1]江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路[M].中国电力出版社, 1994
[2]李宗廷.电力电缆施工[M].中国电力出版社, 1992
[3]王润卿, 吕庆荣.电力电缆的安装、运行与故障测寻[M].化学工业出版社, 2001
中压交联聚乙烯电缆论文 篇4
1 交联聚乙烯电力电缆的特性
交联聚乙烯 (XLPE) 属于固体绝缘, 它是由聚乙烯 (PE) 加入交联剂挤出成形后, 经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。聚乙烯绝缘虽然具有优良的电气性能, 但属于热塑性材料, 即有热可塑性, 当电缆通过较大的电流时, 绝缘就会熔融变形, 这是由聚乙烯的分子结构所决定的。聚乙烯的分子结构是呈直链状, 而交联聚乙烯是聚乙烯分子间交联形成网状结构, 从而改善了聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性能和机械性能。
交联聚乙烯电缆与油纸电缆相比, 具有结构简单, 制造周期短, 工作温度高, 无油, 敷设高差不限, 运行可靠, 质量轻, 安装、维护简单和输电损耗小等优点。由于耐热性和机械性能好, 传输容量大, 不仅适用于中低压, 而且还可以应用到高压和超高压系统中。
2 交联聚乙烯电缆采用直流耐压试验具有明显的缺陷
传统的电缆现场高压试验采用直流耐压, 主要是由于电力电缆具有很大的电容, 现场采用大容量的试验电源不现实, 所以改为直流耐压试验, 以显著减小试验电源的容量。直流耐压试验一般都采用半波整流电路, 由于电缆电容量较大, 故不用加装滤波电容。对于35千伏以上的电缆, 试验电源采用倍压整流方式。试验中测量泄漏电流的微安表可接在低电位端, 也可接在高电位端。
通常直流试验所带来的剩余破坏也比交流试验小得多 (如交流试验因局部放电、极化等所引起的损耗比直流时大) 。直流试验没有交流试验真实、严格, 串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比, 而施加直流时却与其电导率成反比, 因此在直流耐压试验时, 一是适当提高试验电压, 二是延长外施电压的时间。正常的电缆绝缘在直流电压作用下的耐电强度约为400~600k V/cm, 比交流作用下约大一倍左右, 所以直流试验电压大致为交流试验电压的两倍, 试验时间一般选为5~10min。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5min内都能暴露出来。
但由于交联聚乙烯电缆绝缘性能十分特殊, 进行直流耐压试验就可能不再是十分明智的选择了。曾经多次发生按标准进行直流耐压试验合格, 而正常运行不久就发生击穿故障问题。主要原因如下:
2.1 生产实践及研究均表明, 交联聚乙烯电缆结构具有一种“记忆”效应, 这种“记忆性”是在直流电压作用下产生的。
一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”, 它就需要很长时间才能将这种直流偏压释放, 在此之前如果电缆投入运行, 直流偏压便会叠加在交流电压上, 使得电缆上的电压值远超过电缆的额定电压, 从而导致电缆绝缘击穿。
2.2 直流耐压不能有效地发现交流电压作用下的某些电缆缺陷。
实践表明, 一些直流耐压试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常的交流工作电压作用下也会发生绝缘损坏。
2.3 交联聚乙烯电缆在运行中, 在主绝缘交联聚乙烯中逐步形成水树枝、电树枝, 这种树枝化老化过程, 伴随着整流效应。
由于有整流效应的存在, 致使在直流耐压试验过程中, 在水树枝或电树枝端头积聚的电荷难以消散, 并在电缆运行过程中加剧树枝化的过程。
2.4 由于XLPE绝缘电阻很高, 以致在直流耐压时所注入的电子不易散逸, 它引起电缆中原有的电场发生畸变, 因而更易被击穿。
2.5 由于直流电压分布与实际运行电压不同, 直流试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常工作电压作用下也会发生绝缘故障。
3 交联聚乙烯电缆宜采用工频交流法进行耐压试验
对橡塑电缆绝缘施加50Hz正弦波形电压作耐压试验, 是最理想的试验方法。因为试验电压与运行工作电压性质相同, 在机理上有完全充分的代表性, 而且50Hz电压下电缆绝缘的各项特性和技术数据已被充分了解和掌握。近年来, 随着高电压试验技术的发展, 采用谐振法原理, 已经研制出了便于移动和试验电源容量较小的试验设备, 在现场试验中等长度的电缆。此试验方法简单有效, 试验设备可靠, 使用简便, 适合现场应用。采用这种方法, 可以得出满意的检测结果, 从而有效提升电力电缆运行的可靠性。
当然, 对交联聚乙烯电缆采用工频交流法进试验过程中需重视一些应注意的事项。
3.1 试验过程中要防止过电压的产生。
工频耐压试验时, 电压若不是由零逐渐升压, 而是在试验变压器初级绕组上突加电压, 这时将由于励磁涌流而在试品上出现过电压。若在试验过程中突然将电源切断, 对于小电容量试品, 会由于自感电势而引起过电压。上述二种情况, 都有可能造成被试品误击穿。因此, 进行工频耐压试验时, 应严格按照试验操作规程。
3.2 由于工频耐压试验是一种破坏性试验, 试验所采用的试验电压
往往比运行电压高得多, 过高的电压会使绝缘介质损失增大、发热、放电, 会加速绝缘缺陷的发展, 故在对设备进行工频耐压试验时应根据绝缘介质的不同及设备的运行状况的不同, 按照有关规程及试验标准选取相应的试验电压。
3.3 耐压试验过程中, 升压应当从零开始, 禁止在30%试验电压以上冲击合闸。
当试验电压升到40%以上时, 应均匀升压, 升压速度为每秒3%试验电压左右。升压过程中应监视电流的变化, 当保护动作后, 应查明原因, 消除后再进行试验。
3.4 工频耐压试验中, 加至试验标准电压后, 为了便于观察被试品的
情况, 同时也为了使已经开始击穿的缺陷来得及暴露出来, 要求持续1min的耐压时间。耐压时间不应过长, 以免引起不应有的绝缘损伤, 甚至使本来合格的绝缘发生热击穿。耐压时间一到, 应速将电压降至输出电压的25%以下, 再切断电源, 严禁在试验电压下切断电源, 否则可能产生使试品放电或击穿的操作过电压。
3.5 在试验过程中, 若由于空气的湿度、设备表面脏污等影响, 引起试品表面闪络放电或空气击穿, 应不能认为不合格, 应处理后再试验。结束语
直流耐压试验不能有效地发现高压交联聚乙烯主绝缘电缆的缺陷, 在直流电压下, 由于温度和电场强度的变化, 交联聚乙烯绝缘层的电阻系数会随之发生变化, 绝缘层各处电场强度分布因温度不同而各异, 在同样厚度下的绝缘层, 因为温度升高而击穿水平降低, 由于高压交联聚乙烯绝缘层厚, 因此不宜用于直流试验测试;交流耐压试验是检验交联电缆绝缘质量的有效手段。准确有效的掌握电缆各部位的运行状况有利于提高电缆的安全运行, 减少电缆在运行中的故障。
参考文献
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中压交联聚乙烯电缆论文 篇5
聚乙烯(PE)具有良好的电性能和加工性能,因而被广泛用作电线电缆的绝缘及护套材料。但是聚乙烯材料的使用温度低及蠕变性等缺点,严重限制了其使用范围。对此,人们采用了各种交联或共混技术对其改性,以提高聚乙烯电线电缆的使用温度及耐应力开裂性能。
聚乙烯交联工艺主要有过氧化物化学交联、硅烷交联、辐照交联等[1]。过氧化物化学交联主要适用于大规格的中高压和超高压聚乙烯电力电缆,电压等级为10~550 kV,但是过氧化物化学交联生产过程的清车、起机费用大。硅烷交联和辐照交联主要适用于10 kV以下中低压电力电缆及小规格电气装备用电线电缆,硅烷交联剂的分解需水做引发剂,由于水分的侵入,材料介电性能劣化,在一定程度上限制了硅烷交联聚乙烯的使用。辐照交联聚乙烯电线电缆具有高效率、低能耗、无污染的特点,生产速度是过氧化物化学交联的3~5倍,而能耗仅是它的1/2~2/3,且辐照交联聚乙烯电线电缆的耐温等级为105~150 ℃,而其他交联方法生产的交联聚乙烯电线电缆的耐温等级仅限于90 ℃。因此,辐照交联生产方法越来越受到中低压小规格聚乙烯交联电线电缆生产厂家的青睐。目前,我国用于电线电缆辐照交联的电子加速器已有75台,电子束的电子能量主要集中在0.5~2.5 MeV。
1 辐照交联原理
高分子在经受电子束辐照时,高分子的交联和裂解反应同时发生,以交联反应为主的高分子称为交联型高分子,以裂解反应为主的高分子称为裂解型高分子。一般聚合物是交联型还是裂解型高分子主要决定于聚合物的分子结构[2]。裂解型乙烯基类聚合物的分子式为:
通常乙烯基类单体形成的高聚物以辐照裂解为主,而只有一个侧基或无侧基的聚合物则以交联为主。例如聚乙烯、聚苯乙烯等均为交联聚合物;聚四氟乙烯、聚偏氯乙烯、聚α甲基苯乙烯为裂解聚合物。此外,当主链重复基团为—C—O—时,例如聚甲醛,其辐照时很快裂解。
聚乙烯可在常温下辐照交联,由加速电子束引发,使聚乙烯大分子中的碳原子激发成活性自由基,活性自由基相互结合,使线形聚乙烯分子交联形成三维网状高分子。聚乙烯的辐照交联过程表示为:
同时也伴随着其他副反应,如:
PE→PE1·+PE2·
不同材料对辐射的敏感性不一样,为了提高辐照交联效率,通常在材料中加入敏化剂和增感剂、抗老化剂、阻燃剂等。相对于交联聚乙烯与热塑性聚乙烯,辐照交联聚乙烯的三维网状结构使其提高了耐热变形性,改善了高温下的力学性能和耐环境应力龟裂与耐热老化性能,增强了耐化学品性和耐溶剂性,减少了冷流性,而同时绝缘电阻和介质损耗角正切基本不变。但受辐射源及交联聚乙烯原材料的限制,现阶段辐照交联聚乙烯主要用于绝缘层厚度较薄、截面较小的电线电缆。
2 辐照加工工艺参数的设定
聚乙烯电线电缆辐照加工中需要设定的工艺参数有电子束能量、束流强度及辐照剂量。
2.1 电子束能量
电子束能量决定了电子束对材料的穿透深度。电子在材料中的穿透深度与电子能量近似成正比,与材料密度成反比。不同能量的电子束在物质中有确定的分布,通常以电子束的穿透深度来衡量辐照的均匀性。聚乙烯线缆的辐照方式有单向辐照和双向辐照两种,如图1所示。通常绝缘较薄的聚乙烯线缆采用单向辐照方式,而绝缘较厚的聚乙烯线缆采用双向辐照方式。
双向辐照是利用强磁场偏转系统改变部分电子的运动方向。双向辐照时电子束的穿透深度约为单向辐照时的2.4倍。采用的电子束能量在1~10 MeV范围内时,单向辐照所需能量的计算公式为:
式中E为电子束能量,D为电缆绝缘外径,d为导体外径,ρ为材料的密度。表1为ρ=0.95 g/cm3时上式计算结果结合实际生产情况的单向辐照所需电子束能量的参考值[3]。
双向辐照所需能量的计算公式为:
2.2 电子束的束流强度
电子束的束流强度决定了辐射加工的效率,产品的吸收剂量正比于电子束的束流强度。对于电线电缆的辐照交联,电子束流与电线电缆吸收剂量之间的关系为:
式中I为束流强度,单位为mA,R为物质表面的吸收剂量,单位为kGy,V为电线电缆通过速度,单位为m/min,N为缠绕圈数,K为剂量参数(可通过在I、V、N给定的条件下标定吸收剂量得出)。实际辐照中,在辐照剂量一定的条件下,通常是在加速器额定束流强度上限运行,通过调整线缆在加速器的电子束下缠绕的圈数,同时结合电缆线径的大小,确定线缆的运行速度。
2.3 辐照剂量的设定
不同牌号聚乙烯材料的辐照交联都有一最佳辐照剂量,每种辐照交联聚乙烯材料都要通过试验选定其最佳的辐照剂量。最佳辐照剂量的确定条件是:使交联聚乙烯内部形成足够的交联密度,聚乙烯内部既不发生再交联,也不发生过交联;还应保证辐照后聚乙烯的机械性能保持在一定的范围内。图2为辐照交联聚乙烯材料(未添加敏化剂)的机械性能随辐照剂量的变化[4]。可见,如要辐照后聚乙烯的机械性能保持在一定的范围内,未添加敏化剂的辐照交联聚乙烯材料的辐照剂量一般约为0.30 MGy,而添加了敏化剂的辐照交联聚乙烯材料的辐照剂量一般约为0.015 MGy。
在一定辐照剂量范围内,聚乙烯的交联度随着辐照剂量的增大而增大;当辐照剂量继续增大时,则聚乙烯的交联度变化不大。辐照剂量过高,一方面会造成不必要的能量损失,降低生产效率,严重时会导致交联聚合物发生辐照裂解;相反,辐照剂量过低,则聚乙烯交联程度不够,不能形成理想的网状三维立体结构,使线缆的耐应力开裂性能和耐溶剂性能降低。通常通过测定辐照后聚乙烯的热延伸伸长率来衡量聚乙烯的交联程度。此外,辐照交联聚乙烯的断裂伸长率随辐照剂量的增大而减小,过高的辐照剂量将使辐照交联聚乙烯的断裂伸长率超出适用范围的200%。
3 辐照交联中常见的问题及解决办法
通常辐照交联主要适合薄壁聚乙烯绝缘(电缆截面积为零点几平方毫米,绝缘层厚度为零点几毫米)的交联,在厚壁聚乙烯电线电缆的辐照生产过程中,往往会出现以下问题:a.辐照完成后,若接触通电导体,会出现强烈的放电现象;b.辐照前电线在浸水耐电压试验中完好,而辐照后电线在浸水耐电压试验中被大量击穿;c.辐照前挤出非常紧密的绝缘,在辐照后绝缘出现松动甚至与导体分离;d.辐照后在电线电缆聚乙烯绝缘内部形成气泡,尤以厚壁绝缘为甚。
经分析,上述问题的主要原因是辐照时的电子陷阱、静电效应、热效应、低分子气体生成所致[5]。电子陷阱是指电线电缆绝缘中存在非均相和缺陷,在辐照交联过程中,非均相和缺陷部分与均相和无缺陷部分俘获电子的能力不同,即在给定的电子能量下,电子穿透这些区域的概率不同,不能穿透的电子在非均相和有缺陷的区域形成电子积累,形成了电子陷阱。静电效应是指当电线电缆的绝缘厚度大于电子的有效射程时,在电线的绝缘层中将发生负电荷的积累。此时,聚乙烯绝缘层将对地产生一个很高的负电位,场强可达109 V/m。当厚绝缘电线电缆在辐照后立即进行耐压试验时,首先在电子陷阱处发生局部放电,而电子电场不仅加剧局部放电,也使施加于绝缘层上的电压高于设定值,因此厚绝缘电线电缆必然发生较高的击穿概率。热效应是指在电子束辐照聚乙烯的过程中,一部分能量用于辐照交联反应,而其余大部分能量则转化为热能,其宏观表现为聚乙烯绝缘材料温度的升高。低分子气体生成是指聚乙烯辐照交联在生成大分子三维网状聚合物的同时,也生成H2、CH4、CO和CO2等低分子气体产物[6],其中H2生成量最高,由于H2不能全部挥发出,有一部分残存于聚乙烯材料内部,当聚乙烯材料的温度超过其玻璃化温度或熔融温度时,残存的H2在聚乙烯材料内部则形成气泡。
针对辐照后电缆产生的问题,我们可以采取如下相应的措施:a.在辐照过程中,保证电线的导体线芯可靠接地,使累积的电荷导入大地;辐照后,电线接地静置一段时间,然后再进行耐压试验。b.合理设置辐照时的电子束能量,电子束的有效射程必须 大于绝缘厚度。对于圆形电缆,电子束必须穿透半弦长。c.减小辐照剂量率,减小束流强度,增加束下排线的圈数,使单位时间内绝缘层温升降低,同时有利于热量的散出。在挤出绝缘层后放置一段时间,待电线恢复室温后再进行辐照。d.严格控制辐照剂量及其均匀性,避免辐照过量或部分区域辐照过量造成绝缘熔融和气泡的生成。e.在聚乙烯辐照交联料中添加适当的敏化剂,降低辐照剂量,从而减少H2的逸出,抑制聚乙烯绝缘的起泡现象。f.严格控制辐照交联材料的生产工艺,尽量提高材料的均匀性,在挤出加工时采用高目数滤网。
摘要：目前辐照交联聚乙烯电线电缆的产量越来越大,生产过程中会出现各种各样的问题。为此,着重对辐照交联聚乙烯电线电缆中出现的问题及相应的解决措施进行了论述。同时,简要介绍了辐照交联的原理及辐照加工中主要工艺参数的设定,对比了辐照交联、硅烷交联以及过氧化物化学交联的生产特点及适用范围。
关键词：辐照交联,聚乙烯,电线电缆
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中压交联聚乙烯电缆论文 篇6
随着当前电力事业的飞速发展和城市持续发展的需要。为了更好的美化环境、美化城市, 电力电缆越来越广地被使用。现代城市中已基本不见了蜘蛛网似的电线。同时由于科学技术的不断进步, 在中、高压的电力电缆线路中, 上世纪60~70年代所使用的油浸纸绝缘电力电缆。现代正广泛地被交联聚乙烯绝缘电缆所取代。这是由于交联聚乙烯所具有的特性所决定的。交联聚乙烯具有较高的电气性能:击穿强度高、绝缘电阻大、介电数小、介质损耗角正切值低, 且具有较高的耐热性和耐老化性能, 因此用交联聚乙烯作绝缘的电缆传输容量大大增加, 并且重量轻, 宜于垂直、高落差和有振动场所的敷设和耐化学腐蚀等优点。但是, 交联聚乙烯电力电缆也存在一些缺点:交联聚乙烯电力电缆外径较粗大、抗脉冲性能差、耐电晕水平低、击穿强度随温度上升而显著下降, 同时具有透水性, 特别是透水性的问题一直是一个比较头痛的问题。一旦电缆进水受潮给电缆的运行带来了很多隐患, 这就对电缆的施工技术提出了更高的要求。郑东新区始于2003年, 在新区的开发中才开始大量使用交联聚乙烯电力电缆, 但由于经验不足, 在电缆投入运行4、5年后相继出现了一些电缆故障, 在对电缆进行解剖后发现, 故障电缆普遍存在电缆内进水。之后, 本文从电缆进水后的危害、电缆进水的原因进行了探讨, 提出了防止电缆进水的措施, 并就电缆进水后提出了如何处理的方法。
2 电缆进水后的危害
交联聚乙烯电力电缆进水后, 无论是塑料绝缘层表面或导体表面的水分, 都会使绝缘在强电场的作用下沿电场方向, 引发“水树枝”, 水树枝使绝缘老化, 同时水树枝逐渐向绝缘内部伸展, 并且这种情况可以在绝缘内积累, 产生累积效应, 当这种累积效应达到一定程度, 就会发展成“电树枝”, 最终导致绝缘被贯通击穿, 特别是导体表面含有水份时, 由于温度较高, 引发水树枝的发展更快, 将加速塑料绝缘的老化。交联聚乙烯电力电缆在塑料外护套进水后, 就会使金属护套进水, 会对金属护套产生化学腐蚀和电化学腐蚀, 最终损坏金属护套, 使水浸渍绝缘层, 最终也引起绝缘老化、击穿。
3 交联聚乙烯电力电缆进水的原因
(1) 交联聚乙烯电力电缆由于在材料选择和制造工艺上等的原因, 使电缆本身内部不可避免地存在着微孔、杂质或其他一些缺陷, 特别是微孔的存在, 使电缆的吸水性增强。电缆端帽密封不严, 电缆在运输、敷设过程中端帽松懈或脱落使电缆进水。
(2) 电缆在运输或敷设过程中外护套被外力破坏, 特别是电缆沟道中积水或在雨天施工都会使电缆进水。电缆附件安装密封不严使电缆进水。在电缆试验或运行中, 电缆绝缘击穿破坏了电缆护套。应采取的防水措施针对交联聚乙烯电力电缆进水的诸多方面, 为了防止交联聚乙烯电力电缆进水, 应采取相应的对策、措施。要求厂家对电缆材料和制造工艺严格把关, 尽力控制微孔、杂质的存在。在运输、敷设电缆过程中要严格检查电缆端帽, 严防松懈、脱落, 特别是电缆存放在露天仓库时, 由于湿度较大, 端帽更容易松懈、脱落, 对于高压电缆要应金属帽密封。电缆敷设前应是对电缆沟、管道进行清理, 排除积水, 并进行试通, 试通完毕后再敷设电缆, 敷设时要做好防护措施, 在电缆入管口处要放好护口, 有电缆沟内应放置好滑轮, 在电缆拐弯处要根据电缆弯曲半径要求放置转角滑轮, 以防电缆护层损坏进水, 严禁在雨雪天进行电缆施工。电缆附件安装应由熟练的、有经验的工人施工, 特别是户外端头的密封, 防止雨水进入电缆。
(3) 电缆进水后的处理, 有时由于这样、那样的原因, 使交联聚乙烯电力电缆进水受潮, 而又不便更换电缆, 这就需要对电缆进行去潮处理。在电缆一端用压缩的氮气或干燥空气强灌入电缆绝缘线芯内, 在电缆的另一端同时抽真空, 让干燥气体吸收进入电缆的潮气后抽水, 一直到最终的真空度达到150Pa以上时, 用变色硅胶测试, 2~4小时后不变色就认为可以了。
4 结语
通过上面论述得出如下结论:那种认为交联聚乙烯绝缘电缆不怕受潮、不怕水的概念是错误的。有时虽然电缆在进了一部分水后, 在短时间内不会发生问题, 即使耐压试验也不会影响电缆的使用, 但水在电缆运行的电场强度作用下引发的水树枝会慢慢使交联聚乙烯绝缘性能下降、老化, 最终导致电缆绝缘的击穿, 因而电缆中进入了水, 轻的影响电缆使用寿命, 严重的就会在短期内使电缆发生故障, 影响电缆的安全运行。因此, 电缆中的水是一个值得大家关注的问题, 不可小视。
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中压交联聚乙烯电缆论文 篇7
现代化建设对电力的需求越来越大,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆以其工作温度高、绝缘特性好、耐过载能力强等特点,正逐步取代传统的PVC绝缘电力电缆。低压XLPE电缆(一般最高电压等级仅达10 kV)大多采用硅烷交联法,与辐照交联法或过氧化物交联法相比,硅烷交联法具有设备投资少、适应性强和工艺简单等优点。
但小规格(6 mm2及以下)硅烷交联聚乙烯(Si-XLPE)绝缘电力电缆,由于绝缘材料和导体的接触面积相对较小,尤其是单芯导体表面光滑圆整附着力不够时,绝缘的热收缩较大,很难达到GB/T 12706-2008标准中不大于4%的要求。有时实测的XLPE绝缘热收缩甚至达到了20%,严重影响了产品质量,客户投诉较多,对此有些客户已经明确要求在技术协议里写明绝缘热收缩不能超过3%。因此电缆生产企业必须着手解决如何控制小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩的难题,生产出符合市场需要的产品。
1 绝缘热收缩原理
采用硅烷交联法生产XLPE电缆有两个过程:接枝和交联。其生产XLPE电缆的方法有一步法、两步法和浸渍法三种:a.一步法是采用直接加入交联剂的PE绝缘料,在挤出电缆绝缘时进行接枝,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;b.两步法是采用已预先硅烷接枝的PE绝缘料,挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;c.浸渍法是采用浸渍了硅烷和助剂的PE绝缘料直接挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联。目前Si-XLPE电缆生产厂家常用的有一步法和两步法。但由于硅烷交联一步法在挤制XLPE绝缘时,其结晶过程和接枝过程互相作用,因此在挤制过程中应尽可能控制热过程,使XLPE绝缘料的聚集态结构处于合理状态,这样才能使XLPE绝缘具有更优异的性能。
PE是一种结晶型聚合物,其结晶过程就是大分子或链段通过分子间的相互作用力进行重新排列,从无序变为有序的过程。在电缆绝缘挤出时,PE在加热的环境(熔融温度)下受到剪切和牵引拉伸作用,使得PE分子的晶粒沿拉伸方向(纵向)尺寸增大、横向尺寸减小,有序性提高,即PE分子发生取向。这样轻易诱导出许多晶胚,使晶核数量增加,结晶时间缩短,加速了结晶作用,结晶度增大。但当成品PE绝缘电缆放置在室温下时,因PE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使得结晶的PE分子容易解取向(回缩的趋势),这就造成了PE绝缘的热收缩现象。
2 绝缘热收缩的因素
为解决绝缘热收缩的问题,必须找出在电缆绝缘挤出过程中,导致XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大的因素,即熔融温度和时间、冷却速度、外力(牵引拉伸)作用这三方面。
2.1 熔融温度和时间
在高于熔体温度tm时,结晶型聚合物为含有晶核的熔体,且熔融时间越长晶核的数量越少。因此在电缆绝缘挤出过程中,XLPE绝缘料的加热熔融温度越高、在加热温度下停留的时间(保温时间)越长,晶核的数量将越少,PE的结晶性能越低,有利于降低绝缘的结晶度,可使绝缘热收缩达到标准要求。
我们对Φ70挤出机和Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩进行了测试,测试结果如表1所示。可见Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩明显,其原因可能有:a.Φ45挤出机的螺杆较短,再加上生产速度较快,PE在螺膛内的停留时间较短,有利于PE晶核的成长,使得XLPE绝缘的结晶度较高,从而造成绝缘热收缩较大。b.由于Φ45挤出机采用的是一步法硅烷交联的PE绝缘料,在挤出过程中提高加热温度和延长XLPE绝缘料在螺膛内的停留时间,都将增加XLPE绝缘料预交联的可能性,但这是不允许的,因为这将造成挤出的绝缘中含有热固性的XLPE颗粒。
此外,XLPE绝缘料的熔体温度越高,其冷却至凝固所需要的时间就越长,即PE分子的松弛时间较长,可轻易地解取向,最终XLPE绝缘的取向程度也就越低。
2.2 冷却速度
聚合物熔体从熔体温度tm以上冷却到玻璃化温度tg以下的温度降低速度称为冷却速度,冷却速度是影响聚合物结晶的关键。冷却速度除了与熔体温度、室温有关外,还与聚合物本身的结晶速率和热性能有关。PE本身的结晶速率很大,在极快的冷却条件下PE绝缘也能得到较高的结晶度。因此在冬天,这种情况尤其明显,应特别注意XLPE电缆绝缘挤出过程中冷却速度的控制。PE比热容大、热导率小,若PE熔体冷却速度较慢,获得充分冷却,则PE分子的松弛过程延长,可轻易解取向,取向程度下降,并可控制PE晶核的产生和延缓晶粒的长大。
此外,导体温度对XLPE绝缘的冷却速度也有影响。导体温度过低,在挤出机的模口处高温的PE熔体包覆在导体表面时,XLPE绝缘会因与低温导体接触而冷却收缩产生收缩应力,并减小XLPE绝缘与导体间的附着力,降低对热收缩的抵御力,最终影响XLPE绝缘电缆绝缘层的热收缩性能。
2.3 外力(牵引拉伸)作用
在电缆绝缘生产过程中,PE分子在外力(牵引拉伸)作用下沿作用力方向发生取向,这将促进PE晶核的形成,使晶核生成速度加快、晶核数量增加,结晶时间缩短,结晶度增大。在表2中对比了采用挤压式模具和挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩。相比于挤压式模具,在挤出过程中必须进行拉伸的挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩要大很多。但即使是挤压式模具生产的电缆的绝缘热收缩也都在8%左右,这远远超过了标准的要求。
对于上述情况,我们研究后发现,为了提高生产速度和挤出表面的光洁度,一般挤压式模具的模套内径比电缆的绝缘外径大几毫米,这样在绝缘生产过程中,为了确保绝缘外径,绝缘不可避免地会受到拉伸,在拉伸过程中,PE分子仍受到了外力影响,产生了取向,使得绝缘热收缩超标。此外,采用挤压式模具,增加了对模距离,可使XLPE绝缘层紧紧包覆导体,增加绝缘和导体之间附着力,以尽量抵消XLPE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使绝缘相对不容易产生热收缩。
3 绝缘热收缩的控制措施
由于小规格Si-XLPE电缆绝缘对熔融的温度和时间、环境和导体的温度、外力(牵引拉伸)作用较为敏感,为了确保XLPE绝缘热收缩指标合格,我们在工艺上采取如下措施:
(1)在绝缘挤出时采用缓冷和温水分段冷却,尤其是在冬天环境温度比较低的场合(夏天由于环境温度比较高,则相对来说要好些)。并同时对导体进行合适温度的预热。
(2)为了提高XLPE绝缘料熔融温度和保温时间,最好选用两步法硅烷交联的PE绝缘料,这样可以增加熔融段保温时间,避免XLPE绝缘料在机筒里预交联产生焦烧。
(3)有条件的话,可以尽量选用机筒加长和机头加长的挤出机,以延长XLPE绝缘料在机筒里的时间,更有利于抑制PE晶粒的长大和结晶的产生。
(4)由于小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘和导体(特别是单根导体)的接触面积相对较小,附着力不够,因此很难阻止绝缘热收缩。在采用挤压式模具时,应注意模套内径尽量不大于绝缘外径,以确保在绝缘挤出过程中XLPE绝缘料没有受到拉伸作用,避免由此造成的取向结晶,从而导致电缆的绝缘热收缩超标。
4 总 结
综上所述,小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩是因为XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大等因素造成的。只要在电缆绝缘生产过程中较好地控制这些问题产生的源头:XLPE绝缘熔融的温度和时间、XLPE绝缘冷却速度、XLPE绝缘受外力(牵引拉伸)作用,就能改善绝缘热收缩性能。我们在实际生产中采取了控制分段冷却,对导体进行预热,选择不易预交联的原材料,选择长机筒和长机头设备,选择挤压式模具并严格控制模套内径不大于绝缘外径等措施,使小规格Si-XLPE绝缘电缆达到绝缘热收缩不大于4%的标准要求。选择挤压式模具并严格控制模套内径更利于小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩的控制。
参考文献
[1]韩中洗.电缆工艺原理[R].上海:上海电缆研究所信息中心,1990.