交聯聚乙烯絕緣阻水電力電纜結構設計及制造工藝

衛建良

(湖北龍騰紅旗電纜(集團)有限公司，湖北宜昌443004)

0 引言

國內交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜的應用已有三十幾年的歷史，因其良好的電氣和機械物理性能，且具有生產工藝簡單、結構輕便、傳輸容量大、安裝敷設及維護保養方便、不受落差限制等優點，在電力系統中得到廣泛的應用。

上世紀90年代，專家曾對國內某大型鋼鐵公司進行調研，發現80年代敷設的交聯電纜，由于沒有采用阻水結構，電纜已無法運行，電纜使用壽命沒有達到設計要求的30年。經對故障電纜解剖分析，其主要原因是XLPE電纜在敷設和運行期間，外力造成電纜護套及絕緣損傷或接頭損壞時，潮氣或水分會沿著電纜縱向和徑向間隙滲入，致使XLPE絕緣在運行電壓下生成水樹枝。水樹枝生長到一定長度即會在水樹枝尖端引發永久性電樹枝缺陷，最終導致電纜絕緣擊穿。

據統計，國內電網10～35 kV電力系統中，地下直埋XLPE絕緣電纜基本上沒有采用阻水結構，普遍在運行8～12年后生長出大量水樹，發生擊穿事故，嚴重影響電網的安全運行。因此，電纜阻水技術對于保證XLPE電纜的可靠性與壽命都具有非常重要的意義。

1 阻水電纜結構設計

阻水型電力電纜通常應用于較為苛刻的運行環境，如長期浸在水中或排水不暢的環境，以及雨水頻繁的熱帶或亞熱帶地區，特別是用于江湖、沼澤等水下敷設環境。為此對電纜阻水結構采用徑向與縱向相結合的阻水設計。

國內徑向阻水大都采用金屬套，雖然效果很好，但影響電纜的彎曲性且增加本體重量。我們采用鋁塑復合綜合護層作為徑向阻水層，通過縱包的鋁塑復合帶和擠包的聚乙烯外護套共同作用達到阻水目的。其阻水機理為:當擠包聚乙烯護套時，由于聚乙烯融體高溫和壓力的作用，鋁塑復合帶表面的聚乙烯薄膜與聚乙烯護套的內表面得以很好地粘結，同時鋁塑復合帶縱包之間的搭蓋也獲得良好的粘結。從而阻止了水分的滲入，達到良好的阻水效果。

縱向阻水結構采用導體阻水材料填充，絕緣線芯表面繞包半導電阻水帶，成纜時用阻水繩填充，鎧裝纜芯外繞包阻水帶。

我們為用戶設計的阻水電纜型號規格為FSYJY33 8.7/10 kV 3×300，電纜的結構如圖1所示，結構尺寸參數見表1。

2 產品生產工藝流程

銅桿→拉絲(連續退火)→導線絞合緊壓(阻水材料填充)→導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠→半導電阻水帶繞包→銅帶屏蔽→成纜(阻水繩填充)→阻水帶繞包→鋁塑復合帶縱包→低密度聚乙烯內墊層擠制→鋼絲鎧裝→阻水帶繞包→高密度聚乙烯外護套擠制→成品檢驗→包裝入庫。

3 各道工序的工藝特點和質量要求

3.1 導體絞合

導體為符合GB/T 3956規定的退火裸銅線(銅的純度≥99.98%)。導體絞制采用分層緊壓成型，保證了導體的緊密和結構穩定。緊壓模為鉆石涂層納米模，緊壓系數不小于0.9，絞制后導體表面光潔、無油污，無損傷屏蔽及絕緣的毛刺、銳邊，無凸起或斷裂的單線。絞制中導體層間采用半導電阻水帶繞包，且不留有空隙，其目的在于有效地抑制水分從縱向滲入電纜導體內，很好地起到了阻水的效果。

按GB/T 3956—2008的規定，300 mm2銅導體20℃ 時的直流電阻不大于0.0601 Ω/km，由60根直徑2.62 mm的單線同心絞合，緊壓后外徑為20.6 mm。

圖1 FS-YJY33 8.7/10 kV 3×300結構

表1 電纜結構尺寸參數 (單位:mm)

3.2 導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠

3.2.1 生產設備

選用青島電工機械廠生產的交聯絕緣三層共擠生產線，其中擠包導體屏蔽層為65/25擠出機，擠包XLPE絕緣層為150/25擠出機，擠包絕緣屏蔽層為90/25擠出機。配備德國SIKORA公司XRAY8000型測偏儀。

3.2.2 工序質量控制要點

(1)內、外半導電屏蔽選用上海萬益高分子材料廠的材料，其中外半導電屏蔽料采用可剝離的，可剝離性試驗方法按 GB/T 12706.2—2008的第19.21條規定，剝離力為20N。

(2)絕緣采用萬馬高分子材料廠的抗水樹XLPE，即WTR-XLPE絕緣材料。

(3)導體進機頭前用銅刷除去毛刺和銅粉，使導體表面光滑，保證屏蔽包覆質量。

(4)導體屏蔽及絕緣屏蔽的厚度控制在0.6～0.8 mm。絕緣標稱厚度為4.5 mm，絕緣厚度平均值不小于標稱值，任一點最小厚度不小于標稱值的90%。由于XLPE絕緣材料的熱收縮性，實際絕緣厚度值選為4.5×1.05=4.725 mm。

(5)按用戶要求絕緣任一斷面偏心度不大于8%，因此對模具尺寸要求特別嚴格，模芯孔徑比導體直徑大0.5 mm，同時對模具裝配的同心度、裝配位置等嚴格規定;對國內不同廠家的絕緣材料的流動性作了詳細對比分析，選擇低熔垂的絕緣料，配備在線測偏儀，將絕緣偏心度控制在5%以內。

(6)氮氣純度。在交聯絕緣三層共擠生產過程中，如加熱管中的氮氣純度不夠，混入了一部分空氣，則絕緣會老化變色，嚴重時會使絕緣表面硬化甚至龜裂。我公司采用氮氣自動供應裝置，以確保氮氣濃度在99.5% 以上。生產過程中定時排放廢氮及交聯副產物，確保絕緣表面外觀質量。正常生產時，氮氣壓力保持在1 MPa。

(7)硫化管清潔。清除硫化管內壁的碳化污垢，提高了硫化管溫度控制精度，硫化熱源可有效地傳導到絕緣線芯中，保證了絕緣的熱延伸性能。

(8)空氣凈化室內加料。導體屏蔽料、絕緣料、絕緣屏蔽料均采用真空吸入料斗，要求上料間內空氣必須過濾，維持一定的正壓力。我們建立了千級凈化室，上料間的空氣正壓力控制在l2.5 N/m3，確保加料室的清潔度。

(9)主機溫度控制精度。絕緣料的擠出溫度為95～115℃。考慮到絕緣料在主機內停留及某些不確定因素影響，為不使絕緣料在主機內先期硫化，主機溫度控制精度取為±3℃。

(10)導電線芯在換盤續接時，采用銅管壓接連接。交聯線生產速度約為6.4 m/min，完全可以在10 min內完成導體連接操作。銅管連接安全可靠、強度高，不會在硫化管內拉斷。

(11)絕緣線芯生產后，在自然環境下存放2天，其目的是去氣，同時也消除了絕緣內應力。

3.3 半導電阻水帶繞包

絕緣線芯外繞包一層0.5 mm半導電阻水帶，包帶重疊率控制在帶寬的18%～20%。

3.4 金屬屏蔽

金屬屏蔽是保證電纜質量的關鍵。由于電力系統對電纜安全性要求很高，電纜采用消弧線圈接地系統，接地故障電流較大。因此要求采用一層厚0.1 mm、寬40 mm的銅帶重疊繞包，重疊率不小于帶寬的15%。繞包時銅帶易發皺，且不易包好，因此調整繞包角度和繞包張力顯得尤其重要，否則銅帶易擦傷絕緣線芯或銅帶不服帖。另外，為了克服纜芯的擺動，在包帶前后加置定位模作支撐，模具的孔徑比絕緣線芯的外徑大1.5～2.0 mm。

3.5 成纜及填充

成纜節徑比控制在25～30，成纜絞向為右向。成纜時中心及邊緣均應用阻水繩填充密實，纜芯外繞包二層0.5 mm阻水帶，阻水帶重疊繞包，重疊率控制在帶寬的10%～30%。成纜后電纜不圓度不大于10%。

3.6 鋁塑復合帶及內襯層

采用YLY型聚乙烯型雙面鋁塑復合帶，厚0.32 mm，鋁帶標稱厚度為0.20 mm，縱向包覆，搭蓋寬度應大于6.0 mm，熱風槍焊接，溫度控制在180～190℃。

內襯層選用低密度聚乙烯材料。內襯層的標稱厚度為2.0 mm，其任一點的最小厚度不小于標稱厚度的80%－0.2 mm。擠出機各段擠出溫度控制在130～175℃，擠出溫度以塑化良好且斷面無氣孔為準。螺桿轉速控制在25 r/min以內。

3.7 鋼絲鎧裝

鎧裝采用78根標稱直徑3.15 mm的鋼絲，鋼絲絞向為左向，節徑比為9～12，總間隙不得超過一根鋼絲的直徑。鋼絲不應出現跳浜等現象，鋼絲接頭應對焊，粗糙表面應修理平整，接頭處的鋼絲直徑應與原直徑基本相等。

鋼絲外繞包二層0.5 mm阻水帶，阻水帶重疊繞包，重疊率控制在帶寬的10% ～30%。繞包后包帶應平整、不起皺。

3.8 電纜外護套

電纜外護套采用高密度聚乙烯材料。標稱厚度4.1 mm，其任一點的最小厚度不小于標稱厚度的80% －0.2 mm。擠出機各段加工溫度控制在130～175℃，擠出溫度以塑化良好且斷面無氣孔為準。螺桿轉速控制在25 r/min以內。護套擠出后的電纜外徑為99.7 mm。

4 檢測結果

將FS-YJY33 8.7/10 kV 3×300電纜委托相關部門進行性能檢測，試驗結果見表2。

表2 產品性能檢測結果

5 結束語

阻水型電力電纜經工藝試制，電氣及機械物理性能符合GB/T 12706.2—2008標準要求，徑向及縱向阻水性能符合相關標準要求。產品已批量生產，可應用于內河及水位較高的沿海地區，以及雨季頻繁的熱帶或亞熱帶地區。

［1］王春江，吳榮美.阻水型電纜的發展歷程［J］.電線電纜，2009(3):5-8.

［2］吳 倩，劉毅剛.高壓交聯聚乙烯電纜絕緣老化及其診斷技術述評［J］.廣東電力，2003(4):1-6.

［3］卓金玉.電力電纜設計原理［M］.北京:機械工業出版社，1999.