交联聚乙烯电力电缆

交联聚乙烯电力电缆（共7篇）

交联聚乙烯电力电缆 篇1

交联聚乙烯电缆以其合理的结构、工艺以及优良的电气性能等优点, 在国内外被越来越广泛使用。但是, 近年来的运行和研究表明明, 交联电缆的绝缘材料在运行中易产生树枝性放电, 造成绝缘老化、损伤, 危及电缆安全运行。因此, 充分认识交联电缆的绝缘特性, 对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。交流耐压试验由于试验状况接近电缆的运行工况, 耐压电压值较低, 而且, 耐压时间适当加长, 更能反映电缆绝缘的状况以及发现绝缘中的缺陷。因此, 交联聚乙烯电缆宜采用交流耐压试验进行电缆高压检测。

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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[2]温定筠等.交联聚乙烯 (XLPE) 电缆交流耐压试验时间参数探讨[J].电网与清洁能源, 2010 (8) .

[3]陈斌, 霍光.交联电缆耐压试验方法的探讨[J].电气应用, 2010 (14) .

交联聚乙烯电力电缆 篇2

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。

参考文献

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[2]朱丽, 钟庭剑.高压架空输电线故障测距及实现方案[J].江西电力职业技术学院学报2009年02期

[3]王升花, 刘海波.输电线路双端行波故障测距新算法的仿真研究[J].承德石油高等专科学校学报2009年03期

[4]张桂荣.浅谈电缆故障测试技术[J].中国电力教育2009年S1期

交联聚乙烯电缆耐压试验方法 篇3

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

交联聚乙烯电力电缆 篇4

关键词：高压电力电缆,交联聚乙烯绝缘,导体,金属屏蔽

1性能要求

近年来随着国家高电压技术应用的快速发展,150kV高压电缆用量增加迅猛,因此扩大150kV高压电缆,特别是大截面高压电缆的产能,对我国国民经济持续、高速发展起着关键的作用;同时结合海外市场开拓需求,研制150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆势在必行。

150kV高压交联 聚乙烯绝 缘电力电 缆是在132kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆基础上,依据IEC60840—2004进行设计的,其主要技术指标为:a2.0℃导体直流电阻≤0.0176Ω/km;b.电缆通过230kV交流电压30min耐电压试验;c.电缆通过规定电压局部放电试验(升至152kV保持10s,然后缓慢降至131kV,无可视放电);d.聚乙烯外护套通过25kV直流电压1 min耐电压试 验;e.电缆电容≤0.198pF/km;f.电缆阻水满足IEC60840透水试验要求。

2结构设计

在150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆结构设计时,结合国外市场发展需求及现有技术,该电缆导体采用了四分割结构,相较其他导体结构,该导体结构的阻水性能更好,且加工更容易、更能节约工时;按IEC60840中规定,选择了交 联聚乙烯 绝缘[1];在金属屏蔽层设计时,主要根据电缆特殊的敷设环境及金属护套可承受短路电流能力等[2],考虑采用铅套,但经计算,仅仅采用铅套远远不能满足系统短路容量的需求,因此我们在铅套内增加了铜丝屏蔽和铜带扎紧,通过铜丝屏蔽加铜带扎紧和铅套并联,完全可以满足系统短路容量的需求,同时铅套还能起到普通高压电力电缆径向阻水的性能;为保证电缆各层的阻水的效果,分割导体每层都采用纵包阻水带且单丝缝隙中涂阻水粉,股块成缆时中心添加阻水纱,导体外绕包半导电阻水带,在绝缘线芯和铜丝屏蔽之间、铜丝屏蔽和铅套之间、铅套和外护套之间分别绕包阻水带。图1示出了本公司设计的CU/XLPE/CWS/LAS/HDPE87/150kV1C1000mm2型150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构。

3关键技术及解决方案

150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的生产工艺流程为:原材料检测→拉丝→ 绞线(阻水带纵包)→股块成缆→半导电带绕包→三层共挤→应力消除(除气)→半导电阻水带绕包→铜丝屏蔽→铜带扎紧→半导电阻水带绕包→局部放电试验→铅套挤出→双面阻水带绕包→护套挤出→涂覆石墨→成品检验→包装。其中关键技术包括导体结构设计、四分割导体模具设计、绝缘偏心度的控制、金属屏蔽的生产控制和铅套的生产控制。

3.1导体结构的设计

四分割导体结构在国内非常少见,可借鉴的资料几乎没有。在导体结构设计时,我们根据标准规定的1000 mm2导体的电 阻应不大 于0.0176Ω/km[3],以及最少根数不小于170根,对最少根数的导体实际截面积进行了计算[4]。导体实际截面积S的计算公式为:

式中k1为导体系数,根据本导体组成电缆线芯的单线直径、金属种类取值1.015;k2为绞合系数,根据本导体电缆线芯绞合方式取值1.003;k3为引入的修正系数,对于本导体结构,取值1.003;ρ为导体材料的电阻 率,本导体材 料取值0.017241Ω·mm2/m;R为20℃导电线芯最大直流电阻,对于本导体,取值0.0176Ω/km。根据式(1)可计算得S=1000.3 mm2,由此可计 算导体紧 压前单线 直径。导体紧压前单线直径d的计算公式为:

式中S为导体实 际允许最 小截面积,S=1000.3mm2;λ为单线延伸系数,λ=1.09;p为扇形块数,p=4;n为扇形块单线根数,n=61,各层单线根数n1=24、n2=18、n3=12、n4=1+6。根据式(2)可计算得d=2.385 mm,由此导体 结构进行 生产的150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的导体外观圆整,十分有利于交联工序的生产工艺控制,且阻水性能较好,加工容易,节约工时。

3.2四分割导体模具的设计

四分割导体模具的设计在国内非常少见,我们在设计四分割导体模具及导体结构时,主要参照了国外资料,并与行业内相关技术人员做了大量的沟通,再结合多年分割导体模具的设计经验,对相关参数进行了设置。四分割导体模具结构如图2所示。

四分割导体模具的具体设计过程如下:

式中p为扇形块数,p=4;Δβ为中心角修正角度,取值0.5°;β为中心角之半,根据式(3)可计算得β=44.75°=0.781rad。

式中θ1为底弧反正弦;θ2为边弧反正弦;t为填充带材厚度,t=0.1mm;r1为底边弧半径,r1=1.5mm;r2为顶边弧半径,r2=1.5mm;R00为扇形线芯圆弧半径修正值,R00=0.9 mm;Sj为扇形导 体轮廓截 面积,Sj=288.6mm2;R,R0分别为扇形导体圆弧半径及其初值。根据式(4)~式(6)计算得θ1=arcsin0.64=39.79°=0.69rad,θ2=arcsin0.089=5.11°=0.089rad,R0=19.353mm,R=19.41mm。

式中M为下压辊 宽度,根据式 (7)可计算得M =27.20mm。

式中H为下压辊高度;R1为下压辊圆心距;W为上压辊宽度理论值 (假设上、下压 辊无间隙,宽度相等),W =M=27.20mm;N为上压辊高度。根据式(8)~式(11)可计算得R1=0.142 mm,H =12.86mm,N=5.56mm。

根据所设计的四分割导体模具生产的150kV高压交联聚乙 烯绝缘电 力电缆的 导体外径 可达(39.5±0.5)mm,圆整度达 到98.5%,符合工艺要求。

3.3绝缘偏心度的控制

由于四分割导体结构不稳定,在绝缘工序中导体各股块容易发生错位,因此我们在生产中采用了德国进口的悬链设备,并配有前置冷却TROSS系统,生产时线芯在导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤过程中按一定速度均匀旋转,使得分割导体股块间不错位,以保证绝缘的偏心度。

3.4金属屏蔽的生产控制

在金属屏蔽生产中的控制关键点是铜丝屏蔽和铜带扎紧。由于在生产过程中既要保证铜丝均匀分布在绝缘线芯表面,又要确保铜带扎紧不能损伤线芯,也不能使铜带扎紧后铜丝重叠,为此我们引进了国外高精度金属屏蔽+非金属绕包设备。根据该设备生产时可先绕包非金属带材,再进行铜丝屏蔽+铜带扎紧,然后进行非金属绕包的特点,我们对生产工艺进行了相应的调整。调整后的生产工 艺流程为:半导电阻水带绕包→铜丝屏蔽→铜带扎紧→半导电阻水带绕包→铅套挤出。此外,我们还配备了优质的钨钢并线模具,以保证铜丝屏蔽和铜带扎紧的质量。

3.5铅套的生产控制

在铅套生产中的控制关键点是挤出过程的恒温、恒压和恒速的控制。铅液在挤出过程中的温差越大,则铅管厚度的变化也越大,一般每差10℃就能使铅层厚度产生0.10mm误差。因此,选用了高精度铅套生产机组,其可确保铅炉内的铅液经输铅管进入挤压筒直至由模座挤出铅管,整个流程内各区域的温度均能保持在预先设定的恒定数值,温差控制在±1.0℃的范围内。该机组通过确保螺杆转速恒定,铅液温度恒定,从而使挤出过程中的压力也是恒定的,保证了铅层厚度的均匀,使得将铅层厚度控制在最小值成为可能,大大节约了耗铅量,降低了生产成本。

4结束语

2013年2月,本公司对生产的150kV高压交联聚乙烯绝缘电力电缆进行了IEC60840标准中要求的全部项目检验,荷兰KEMA实验室派专员对所有试验 项目进行 见证,经检验产 品符合IEC60840标准的所有要求,检测结果如表1所示。

该产品取得国家电线电缆检测中心出具的检测合格报告,为打开国内市场打下了基础,同时为以后研发此类产品积累了经验。2013年6月,本公司取得了荷兰KEMA认证机构 颁发的150 kV1×1000mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆认证证书。此证书的获得有利于公司产品出口到欧洲、美国等地,进一步开拓海外市场。

参考文献

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[2]周厚强.含软接头的220kV光纤复合海底电缆的研制[J].电线电缆,2012(6):4-8.

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交联聚乙烯电力电缆 篇5

交联聚乙烯 (XLPE) 电缆具有绝缘性能好、供电安全可靠、易于制造和安装方便等优点。它在配电网中已逐步取代油纸绝缘电缆, 并已在高压和超高压中得到应用。

交联聚乙烯绝缘 (简称XLPE) 电缆绝缘层内部及其界面存在空洞、夹杂物和隆凸不平处等缺陷, 当有水、离子水及在电场作用等外部条件的影响下, 它会出现树枝状裂缝, 称为“电树”、“水树”或“电化树”, 这些都是因电缆绝缘料的降解而形成的类似树枝状的裂缝。随着“树”的长大, 到穿透电缆绝缘层, 电缆的绝缘料会加速失效。当有载荷工作时, 水分的存在能在较低的电场强度下, 使电缆绝缘料出现“树化”现象。XLPE电缆介质中水树枝的形成及发展是造成其早期老化并导致电缆击穿事故的最主要的原因之一。

针对上述情况, 文中结合分形理论给出一种精确XLPE电缆局部放电模型进行分析, 这样可以降低实验条件和手段。

2 分形理论基础

分形一词意为破碎的、不规则的, 一般地, 称F集是分形。

粗略地说, 分形是一类复杂性颇高的、没有特征长度, 但具有一定意义F的自相似性的形体和结构的总称。分形维数是在分形意义上由标度关系得出的一个定量数值, 它突破了一般拓扑集维数为整数的界限, 把维数从整数扩大到分数, 是分形的极其重要的特征参数。 分形维数的定义多种多样, 常见的有Hausdorff维数、盒维数、信息维数、关联维数、广义维数等。下面主要介绍用于电缆局部放电检测的盒维数和信息维数。

2.1 盒维数

设F为Rn上的某个非空的有界子集, 对任意的ε>0, Nδ (F) 为直径不超过δ时, 可用来覆盖F集的最少个数。如果极限。

undefined

存在, 则称为F的盒维数, 记为DB。

在盒维数定义中, 闭球的覆盖可以等价地换成边长为δ的正方体的覆盖, 在Rn空间中成为边长为δ的坐标网立方体。易知, 在R2中是边长为δ的正方形网格所形成的覆盖, 见图1。

这个算法比较简单, 值得注意的问题是:覆盖F的矩形选择的过大将增加计算量, 选择的过小不足以覆盖F。当F预先并不明确的情况下, 上述算法要结合分形生成过程同时进行。一般认为只要举行覆盖F, 其大小对Dc (F) 的计算结果就没有影响, 至于判断计算精度的问题还需进一步研究。

2.2 信息维数

信息维数反映了F集在空间的分布疏密程度, 记F集落入边长为δ的第i个超立方体的概率为Pi, 在尺寸为δ下进行测度所得到的信息量定义为:undefined

在此基础上, 定义F集的信息维数为:

undefined

显然, 当F集等概率落入各个超立方体时, pi= 1/N (δ) , 故I (δ) = lnN (δ) , 此时DB=DI。

3 基于分形理论的交联聚乙烯电缆局部放电

水树形态是一种分形结构。分形是空间上的混沌, 混沌是时间上的分形。水树的非线性, 使损耗电流中产生谐波分量, 而水树结构上的分形特性, 使损耗电流具有了分形和混沌的特性。在水树产生和发展的初期, 损耗电流的分形特性并不明显, 这是因为水树在电缆绝缘料中的生长相对来说是一个缓慢的过程, 水树贯穿电缆绝缘料的长度不同, 损耗电流的大小和复杂性也不同。但是, 随着水树的分叉趋势越明显, 水树形态的分形维数也随之增加, 其外在的表现是损耗电流信号的分形维数也越大。对于XLPE电缆的在线绝缘检测, 希望越早发现水树越好。

谐波分量法就是在芯线上叠加了调制电压, 以减少杂散电流的影响, 但可能使保护误动。若不叠加电压, 从频谱的角度分析损耗电流, 其误差又较大。当电缆绝缘料水树劣化加重时, 损耗电流发生畸变, 而高频分量的混入使损耗电流具有颇为精细的结构。高频叠加法是一种很有效的电缆在线绝缘诊断方法, 可以及时地发现XLPE电缆绝缘早期老化现象, 以避免电缆由于局部放电被击穿而形成更大的事故。

因此, 考虑在电缆屏蔽层叠加上一个高频率低幅值的电压, 即所谓“高频叠加法”。仿真中发现:直接测量电缆屏蔽层的损耗电流, 信号波形比较简单, 只是在波形边缘有一点小的“毛刺”;而高频叠加法所得信号波形则具有明显的分形特性。通过叠加高频电压信号, 可以更早地检测出水树的存在。对于电缆绝缘料中还没有树化的电缆, 应用高频叠加法是测不到损耗电流的。另外, 在干燥环境下, 由于水分较少, 故水树枝很难形成;而对于直接电击穿产生的碳化电树枝, 则因其形态也具有分形特性, 故高频叠加法也同样适用。为了模拟实际中的干扰, 可以在屏蔽层上叠加一个平稳、零均值的白噪声信号。在操作中, 首先将得到的损耗电流信号进行滤波处理, 再进行分形分析。

4 水树模型

传统的水树模型只考虑基波和三次谐波对于电路的影响, 这样并不能准确地反映水树的电压—电流特性。损耗电流的分形特性在这种粗略的考虑下也不能显现。在理论分析和仿真的基础上, 下面给出精确的水树模型, 考虑高次谐波对电路的影响, 提高了模型精度。图2是一个电缆绝缘料中含水树的等效电路模型。在电路中, 把未贯穿的电缆绝缘料部分用一个电容来替代。当电缆绝缘料中的水树越劣化, 电缆良好绝缘所等效的电容值越小。水树的非线性的电压—电流关系可用下式来表示, 即:

undefined3+KαU5+KβU7+KγU9+L) (4)

其中, I为水树电流;R为水树等效电阻;U为水树电压;K为常数。

其中, 各次谐波在损耗电流整相对于基波所占的比例为:3次谐波为42%;5次谐波为18%;7次谐波为4%。因此最大的谐波分量是3次谐波, 但是当计算尺度逐渐减小时, 更高次谐波对分形维数的影响就越加明显。

5 仿真验证

根据上面的分析, 利用高频叠加法对电缆绝缘料中水树生长到30%、50%、70%、90%进行了Matlab仿真。

仿真数据:U1=1kV , 50Hz;U2=0.1kV, 5000Hz;R0=2×104Ω;C=1×10-6F (50%时电容值) ;式 (4) 中R=1.3×108Ω;K=1.7×10-5。水树长度不同时, 参数K, R是变化的, 电容C也是变化的 (水树越长, 电容越小) , 其余数据一旦选定, 不再改变。水树长度为50%时的仿真波形见图3。计算其盒维数为:1.11;信息维数为1.08;下面给出其他几种仿真波形的分形维数的比较见表1。

由表1看出, 当水树不断生长时, 损耗电流信号的容量维数和信息维数相应增加。分形维数取决于信号的复杂程度以及覆盖面积。由于水树生长使损耗电流的复杂程度和幅值都增加, 所以分形维数增加容量维数是一种表征覆盖程度的维数, 是最为常用的一种维数;信息维数说明单位覆盖面积所含信息量的多少。这两种维数从不同角度说明:损耗电流随着水树生长在不断地变化。由于水树生长形态的分形特性是本质, 而损耗电流的分形维数增加是其外在的表现, 故通过分析损耗电流的分形维数, 就可以判断水树劣化程度。

上述仿真是叠加信号U2的幅值为0.1kV, 频率为5000Hz情况下得到的。那么, 当叠加信号幅值和频率不同时, 分形维数会怎样变化。

1) 不同幅值

仿真中发现:当叠加电压幅值逐渐增加时, 损耗电流波形边缘的振幅也越来越大。Matlab仿真水树长度为70%, 叠加幅值不同 (10～200V) 、频率相同的电压, 可得分形维数见表2。

随着叠加信号幅值的增加, 两种分形维数值之间的差别越为明显。当叠加信号幅值增加时, 分形维数单调增加。因此, 在不引起保护误动的前提下, 可选用幅值较大的电压叠加, 则分形维数也较大, 容易判断水树状态, 抗干扰性强。

2) 不同频率

当叠加信号频率逐渐增加时, 信号波形的振荡频率大大增加。Matlab仿真水树长度为70%, 叠加频率不同 (200～5000Hz) 、幅值相同的电压时的分形维数, 见表3。

随着叠加信号频率的增加, 损耗电流的复杂程度大大增加, 分形维数单调递增, 容易判断电缆绝缘料劣化程度。但是, 过高的叠加频率会对系统造成一定的影响, 因此在实际应用中应根据情况 (电缆电压等级、现场条件等) 找一个合适的频率进行叠加。

6 结束语

由上面的仿真可以看出, XLPE电缆绝缘可以用水树的生成状况进行判断, 其水树有以下特点:

1) 水树形态是一种分形结构, 水树劣化是造成损耗电流畸变的根本原因。

2) 分形维数很好地反映了水树生长过程中对损耗电流的影响。水树越长, 绝缘的非线性程度越大, 导电性增加, 损耗电流也增加。分形维数是判断电缆绝缘料中水树劣化很好的依据。

3) 当叠加信号的幅值频率增加时, 损耗电流波形的分形维数呈单调增加。

参考文献

[1]蔡敏, 刘晓安.XLPE电力电缆局放检测技术的发展和现状[J].西北电力技术2003, 4.

[2]贾丽会, 张修如.分形理论及在信号处理中的应用[J].计算机技术与发展2007, 9 (9) :203-205.

交联聚乙烯电力电缆 篇6

关键词：单芯电缆,环流,感应电压,一端接地,护层保护器

0 引言

电力安全规程规定:电气设备非带电的金属外壳都要接地, 因此电缆的铝包或金属屏蔽层都要接地。

通常10k V及以下电压等级的电缆都采用两端接地或多点接地方式, 这是因为这些电缆大多数是三芯电缆 (三相芯线在电缆中呈“△”对称布置) , 在正常运行中 (三芯电缆带平衡负荷) , 流过三个线芯的电流总和为零 (即三相电流向量和为零) , 在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链, 这样, 在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压 (金属屏蔽上的感应电势叠加为零) , 两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层, 所以可两端接地;若三个线芯的电流总和不等于零, 由于金属铠装层的阻抗较大, 环流尚不过分显著, 金属铠装层中产生的感应电流仅为线芯电流5%-8%, 故敷设时可采取金属铠装层两端直接接地保护方式。但是当电压超过10k V时, 35KV电缆大多数采用单芯电缆, 单芯电缆的线芯与金属屏蔽的关系, 可看作一个变压器的初级绕组。当单芯电缆线芯通过电流时在交变电场作用下, 就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层, 金属屏蔽层必然感应一定的电动势, 使它的两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比, 电缆很长时, 护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度, 在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时, 屏蔽上会形成很高的感应电压, 甚至可能击穿护套绝缘。此时, 如果仍将铝包或金属屏蔽层两端三相互联直接接地, 则铝包或金属屏蔽层将会出现很大的环流 (作用几乎和1:1的电流互感器差不多) , 10KV循环电流可达到负荷电流的10-20%, 35KV及以上电压等级的电力电缆其值可达线芯电流的50%-95% (35k V以上电缆护层阻抗值小) 。屏蔽层循环电流的存在, 造成屏蔽层发热和电能损耗, 这不仅浪费了大量电能, 而且降低了电缆的载流量 (最大降幅达40%左右) , 并加速电缆主绝缘电-热老化, 有必要采取措施减少或消除该循环电流;采用一端接地, 则电缆金属护层中虽无环流, 但接着带来了下列问题:当雷电波或内部过电压波沿电缆线芯流动时, 电缆金属护层不接地端会出现较高的冲击过电压;或当系统短路事故电流流经电缆线芯时, 其护层不接地端也会出现很高的工频感应过电压。上述过电压可能击穿电缆外护层绝缘, 造成电缆金属护层多点接地故障, 大幅增加环流附加热损耗, 严重地影响电力电缆正常运行甚至大幅减少电缆使用寿命。一旦电缆金属护层多点接地故障, 故障的测寻、定点和修复均比较困难, 停电检修造成的电量损失较大。

1 单芯电缆金属屏蔽层循环电流实测分析

采用两端直接接地的方式, 由于电磁感应电压的作用, 就会在屏蔽层中产生循环电流。循环电流的大小主要与屏蔽层的自感阻抗和互感阻抗有关。即与屏蔽层的电阻、直径、电缆的间距等有关。

例1 (以10KV单芯电缆为例) :某市区应用的300mm2单芯电缆, 电缆敷设方式以直埋为主, 使用混凝土槽保护。金属屏蔽层全部采用两端接地的方式。下面实测的线路是沿胜利路敷设的电缆主干线, 电缆三相每3-3.5米用扎带绑扎成“品”字形, 绑扎两点中间的部分线芯散开呈水平放置。每个混凝土槽内并排敷设有两回电缆。我们对胜利路的电缆屏蔽层环流进行了实测。实测的环流电流值如表1。 (也可用IEC287算法计算环流) 。

从实测值可见, 循环电流可达负荷电流的10-20%。

例2 (以35KV单芯电缆为例) :我局同———李线35KV线路有一段跨高速公路, 长760米, 电缆采用型号为YJLV-26/35-1*120, 由于电缆头金属屏蔽层采用两端直接接地方式, 2005年6月造成电缆中部两个中间接头金属屏蔽网 (截面16mm2) 发热烧段, 但中间接头处绝缘良好;有一端接地铜网处电缆绝缘严重发热变型, 由此可见环流的大小。

屏蔽层循环电流的存在, 造成屏蔽层发热和电能损耗, 降低了电缆的输送容量。因此, 有必要采取措施减少或消除该循环电流。实测数值还反映出, 环流值并没有绝对地因电缆长度和负荷电流的增大而增加。说明电缆三芯的布置对感应电压的影响不可忽视。

2 克服高压单芯电缆环流措施

单芯电缆不应两端接地。从消除环流损耗, 不降低电缆的载流量考虑, 应提倡单芯电缆金属屏蔽层一端接地方式。

同———李线35KV电缆线路采用金属屏蔽层一端接地, 电缆金属屏蔽层中环流消除。但是采用金属屏蔽层一端接地方式, 非接地端计算和实测感应电压应不超过50V, 大于50V的宜安装护套保护器。高压电缆线路安装时, 应该按照GB50217-1994《电力工程电缆设计规程》的要求, 单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时, 金属护套任一点的感应电压不应超过50-100V (未采取不能任意接触金属护套的安全措施时不大于50V) ;如采取了有效措施时, 不得大于100V) , 并应对地绝缘。如果大于此规定电压时, 应采取金属护套分段绝缘或绝缘后连接成交叉互联的接线。为了减小单芯电缆线路对邻近辅助电缆及通信电缆的感应电压, 应尽量采用交叉互联接线。对于电缆长度不长的情况下, 可采用单点接地的方式。采用金属护套单端接地或各相的金属护套交叉换位互联接地以减少金属护套损耗, 为保护电缆护层绝缘, 在不接地的一端应加装护层保护器。另外, 一端接地的方式一般应在与架空线连接端一端接地, 以减小线路受雷击时的过电压。

高压单芯电缆线路的接地方式有下列几种:

1) 护层一端直接接地, 另一端通过护层保护接地———可采用方式;

2) 护层中点直接接地, 两端屏蔽通过护层保护接地———常用方式;

3) 护层交叉互联———常用方式;

4) 电缆换位, 金属护套交叉互联———效果最好的接地方式 (如下图所示) ;

5) 护套两端接地———不常用, 仅适用于极短电缆和小负载电缆线路。

总之:单芯大截面以及较长电力电缆应采用金属屏蔽层一端接地方式。

3 单芯电力电缆护层过电压保护

例3 (青铜峡新型材料基地———恒源冶炼厂, 电源进线采用电缆线路, 长1400米, 型号为2* (YJV-26/35-1*300) , 电缆头金属屏蔽层采用一端直接接地, 另一端金属屏蔽层缠绝缘后悬空方式, 运行不到三个月发现金属屏蔽层悬空端绝缘被击穿接地, 击穿前运行人员发现金属屏蔽层悬空端不定期有火花放电现象, 可见金属屏蔽层悬空端感应电压很高。

一端接地是指电缆线路一端金属屏蔽直接接地, 另一端金属屏蔽对地开路不互联。一端接地后, 可以消除护层循环电流, 减少线路损耗。但开路端在正常运行时有感应电压;在雷击和操作时, 金属屏蔽开路端可能出现很高的冲击过电压;系统发生短路事故和短路电流流经芯线时, 金属屏蔽不接地端也可能出现很高的工频感应电压, 这些都可能引起外护层的击穿损坏, 当电缆外护层不能承受这种过电压的作用而损坏时, 就会造成金属护层的多点接地。因此, 在采用一端互联接地时, 必须采取措施限制护层上的过电压, 降低护套对地间的过电压, 为此常在金属护套不接地端与大地之间装设护层保护器。

护层保护器在正常工作条件下应呈现较高的电阻。此时流经护层保护器的电流为u A级, 以保证电缆在金属护套单端接地或金属护套交叉换位互联接地的正常状态下工作。当大气过电压或内部过电压侵入时, 不接地端的护套或护套交叉换位互联处会出现较高的冲击过电压 (可能会达到侵人波的60%以上和120%以上) , 这时护层保护器呈现较小的电阻, 使过电压电流能较容易地经保护器流人大地, 而保护器自身不应被损坏 (作用在金属护层上的电压就是保护器的残压) , 同时不接地端又应恢复呈现高阻。

高压单芯电缆护层保护器选择原则:保护器通过最大冲击电流时的残压乘以1.4后, 应低于电缆护层绝缘的冲击耐压值;保护器在最大工频电压作用下, 能承受5s而不损坏;保护器应能通过最大冲击电流累计20次而不损坏。所以高压单芯电缆采用一端接地时, 另一端需经护层保护器接地。

4 结束语

鉴于上述原因, 对于高压单芯交联聚乙烯电缆的接地必须用合理与合适的方式, 确保电缆的安全运行。尤其高压单芯大截面长电缆用户采用一端接地时, 非接地端应采取有效措施, 消除感应电压对高压单芯电缆的影响。

参考文献

[1]刘惠民.电力工业标准汇编 (电气卷) 《施工及安装》[M].中国电力出版社, 1996.

[2]江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路[M].北京:中国电力出版社, 1997.

[3]董振亚.电力系统的过电压保护[M].北京:中国电力出版社, 1997.

[4]姜芸, 等.电力电缆保护接地[J].高电压技术, 1998, 24 (4) :P36-38.

交联聚乙烯电力电缆 篇7

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

参考文献

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