交聯聚乙烯絕緣電纜的制造技術

王 巖， 趙 斌

（遠程電纜股份有限公司，江蘇宜興214251）

交聯聚乙烯絕緣電纜的制造技術

王 巖， 趙 斌

（遠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的歷程和當今對于關鍵工序的控制要求，并對我國的超高壓XLPE絕緣電力電纜的發展做出了展望。

XLPE絕緣電力電纜；制造工藝；過程控制

0 引 言

聚乙烯優異的電氣性能和機械物理性能，使得其成為重要的電纜絕緣材料。自從上世紀50年代末人們開發出化學交聯聚乙烯（XLPE）絕緣材料以來，由于XLPE克服了聚乙烯的易開裂特性，提高了聚乙烯的耐熱性能，使XLPE絕緣電力電纜（以下簡稱XLPE電纜）得到了廣泛的應用。在本世紀初前后，XLPE電纜開始用于500kV的交流電力系統中，國外使用超高壓XLPE電纜的工程情況見表1［1］。

表1 國外超高壓XLPE電纜典型工程

自上世紀80年代開始，國內XLPE電纜的制造能力有了迅速提高，XLPE電纜陸續投入到了220kV及以下的交流電力系統中。日前，國產 500 kV XLPE電纜及附件也在北京的輸電線路上投入運行。本文將對XLPE電纜制造技術發展過程作簡要回顧，并介紹高壓和超高壓XLPE電纜質量控制的要點。

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，內、外屏蔽層采用繞包方式。此方法生產的中壓XLPE電纜在運行10余年后，因絕緣性能降低引起絕緣擊穿的事故頻發，其主要原因：絕緣層內存在微孔和雜質，絕緣層和屏蔽層之間界面突起，絕緣層內存在的微量水分（交聯反應過程中蒸汽的侵入或電纜長期浸泡在水中運行時從外部的滲入）在電場的作用下引發電蝕破壞造成的電氣劣化等。為了解決這一問題，在上世紀70年代開發出了多種干法交聯技術，并在同一時期實現了66 kV XLPE電纜絕緣線芯生產方式由濕法交聯向干法交聯的轉變，而后35 kV及以下電壓等級的XLPE電纜的生產方式也由濕法交聯轉為干法交聯。到了上世紀80年代中期，濕法交聯生產工藝完全退出了中高壓XLPE電纜的制造領域。最初開發出的干法交聯技術有熱輻射（RCP）法、長承線模（MDCV）法、循環氣體交聯法、硅油加熱和冷卻（FZCV）法、高頻感應加熱（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。

在交聯方法不斷改進的同時，又開發出了導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠技術替代了包帶工藝。

我國在上世紀80年代開始引進的XLPE電纜生產設備均為干法交聯的設備，屏蔽結構多為（1+ 2）式，即：導體屏蔽單獨擠出，絕緣與絕緣屏蔽同時擠出。到了本世紀初期，基本完成了三層共擠的改造。

干法交聯技術是采用輻射、傳導向絕緣材料提供交聯反應能量的技術。干法交聯與濕法交聯生產的XLPE電纜內在質量相比：絕緣層內的初期含水量從數千ppm降到了數百ppm；絕緣層內的微孔數量下降到了1/100；絕緣層內的微孔直徑下降到了1/10，達到了μm級的水平；絕緣層內晶相組織結構也發生了很大的變化。

電子顯微鏡下濕法交聯和干法交聯的絕緣層的組織結構照片如圖1所示［4］。

干法交聯生產的XLPE電纜的原始工頻破壞和沖擊破壞電場場強比濕法交聯的分別高出了50%～70%和20%～70%。

三層共擠技術使絕緣層與屏蔽層之間的接觸更加平整和緊密，電纜使用過程中產生的內、外導樹枝現象也隨之消失。日本經過對長期運行的XLPE電纜調查后發現：

圖1 不同交聯工藝的絕緣層內晶相組織結構

（1）采用濕法交聯，繞包內、外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內有內導樹枝（在內屏蔽層上發生，向外屏蔽層擴展的樹枝）、外導樹枝（在外屏蔽層上發生，向內屏蔽層擴展的樹枝）、蝴蝶樹枝（在絕緣層內的微孔、異物上發生，向內、外屏蔽層擴展的樹枝）；

（2）采用濕法交聯，擠出內屏蔽層、繞包外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內有外導樹枝、蝴蝶樹枝；

（3）采用干法交聯，擠出內屏蔽層、繞包外屏蔽層方式制造的XLPE電纜絕緣層內有外導樹枝（但與濕法交聯相比顯著減少）、蝴蝶樹枝；

3.2.1 導尿管 導尿管的材質主要有乳膠、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］。乳膠和硅膠的導尿管相比，對于預防UTI的效果無顯著差異，而鍍銀的聚四氯乙烯乳膠導尿管則能夠降低UTI的發生率。此外，鍍銀的導尿管和硅膠涂層的導尿管相比，前者仍然表現出更好的預防UTI效果。因此，使用鍍銀的導尿管可以降低導尿管相關性菌尿癥的發生率(B級推薦)［4］。但鍍銀導尿管成本較高，影響其推廣應用，對于其適用的患者類型及其應用的成本效益分析方面目前尚無進一步的研究。

（4）采用干法交聯，三層共擠方式制造的XLPE電纜絕緣層內僅有蝴蝶樹枝。

通過采用干法交聯、三層共擠、金屬擋水層等技術，XLPE電纜的質量有了明顯的提高，表現在絕緣層的厚度有了明顯的減薄和運行故障率顯著下降。表2為日本各電壓等級XLPE電纜絕緣層減薄的過程。表3為日本經濟產業省統計的地下電纜事故率。

此外，國外發達國家仍有絕緣屏蔽采用包帶方式的XLPE電纜，用于環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計表 （單位：件/100 km回路·年）

1.3 交聯生產線

目前RCP法交聯生產線為主流的交聯設備，其布置方式有立式（VCV）和懸鏈式（CCV）。

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，在生產高壓和超高壓XLPE電纜絕緣線芯時一般采用上、下牽引同步旋轉，適合制造小截面導體的電纜。

VCV容易控制絕緣線芯的圓整度和同心度，但設備安裝高度大部分都在100 m左右。我們利用本公司引進的國外設備的隨機計算軟件，對我國現行標準中規定的絕緣結構參數進行自動計算，計算出的VCV（交聯區間約30 m，垂直冷卻區間約60 m，水平冷卻區間約50m）生產參數見表4，可供設備選型時參考。

表4 交聯電纜生產線的生產參數

2 質量控制

2.1 影響絕緣質量的原因

絕緣層內存在的雜質、絕緣層與屏蔽層間突起、絕緣層內的殘余應力是影響XLPE電纜運行壽命的主要原因。雜質與突起所引發的樹枝現象見圖2。

圖2 絕緣層內由雜質和突起引發的樹枝

絕緣層內的雜質來源于絕緣材料、絕緣線芯制造過程中的外部混入和生產過程中局部焦化；絕緣層與屏蔽層間的突起與材料特性及加工用擠出機頭內的流道設計、制作有密切關系；絕緣層內的殘余應力是絕緣線芯在冷卻過程中產生的，殘余應力會使電纜導體與絕緣層脫離，加速絕緣層內樹枝的產生與發展。表5為筆者采用不同的冷卻方式生產的同一規格絕緣線芯的殘余應力的比較。

表5 不同冷卻方式的殘余應力比較

2.2 工藝控制的要點

高壓和超高壓XLPE電纜絕緣線芯生產過程控制的主要要求為：選擇滿足要求的材料；對材料使用過程中雜質的管理；擠出機頭的雜質管理；凈化間的管理；擠出過程的雜質過濾；擠出機螺桿設計；擠出機頭流道的設計；三層共擠擠出、干法交聯和干法冷卻；絕緣線芯殘余應力消除。

（1）去除雜質

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

擠出機頭從裝配、搬運到與生產線連接的整個過程都要在凈化的空間內完成，以防止雜質附著在擠出機頭上。環境凈化等級的要求也是1 000級。空間凈化管理的目的：一是控制空氣中的最大粉塵顆粒；二是控制由生產人員帶入的粉塵顆粒。當凈化等級達到1 000級時，有可能將凈化間內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，在凈化間內工作的人員要著防塵服。

擠出時要采用滿足要求的凈化濾網，以提高對雜質的過濾能力。國外對于絕緣層內最大雜質直徑的可接受的水平為：110 kV級為250μm；220 kV級為150μm；500 kV級為50μm。

（2）去除微孔

采用干法交聯方式和成熟的生產工藝進行過程控制，微孔直徑目前可以降到μm級水平。國外對于絕緣層內最大微孔直徑的可接受水平為：110 kV級為50μm；220 kV級為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。對于擠出機機頭的設計則強調：避免在流道中產生存膠且各部位流速的均一。國外對于絕緣線芯內最大導電性突起的可接受水平為：110 kV級為100μm；220 kV級為90μm。

3 XLPE電纜的絕緣強度設計值

XLPE電纜設計和制造的技術水平主要表現在電纜絕緣結構的設計上。確定絕緣場強的方法有最高場強法和平均場強法。兩種方法都基于同一理論基礎，使用的參數來自同樣的對模擬件進行擊穿試驗的結果統計，只是表述方式不同而已。表6為超高壓XLPE電纜的電場典型設計應力值，其中日本的數據為從平均場強法轉換為最高場強法的結果。

表6 超高壓電纜的電場設計強度比較

對于220 kV和110 kV的XLPE電纜，歐洲某一知名企業的電場設計應力值與國標的比較見表7。

表7 電纜的電場設計強度比較

綜合來看，我國標準對XLPE電纜的設計最大場強要求：110 kV等級的略低于歐洲，220 kV等級的與歐洲基本相當，500 kV等級的則要略高于歐洲。

4 結束語

XLPE電纜因其優異的電氣和物理性能而成為當今電力電纜類產品中的主角。在今后相當長的一段時間內，XLPE電纜仍將是電力電纜中最重要的產品。

控制制造過程使其符合設計要求，對于保證產品質量是至關重要的，因為現有的例行檢測手段還無法完全檢測出電纜內部存在的可能影響電纜運行壽命的缺陷；制定高壓和超高壓XLPE電纜的設計規范，鼓勵企業開展新產品的研究，豐富現有產品的型號和規格；開發生產過程控制新技術，以不斷減少絕緣層內殘存應力和雜質含量；提高制造與檢測裝備水平，提供大長度的產品，以減少線路中間接頭、降低建設成本和運行故障風險。

［1］ Benata R，Paolucci A著.徐 政譯.超高壓交流地下電力系統的性能和規劃［M］.北京：機械工業出版社，2012.6-7.

［2］ 電力中央研究所，電力技術研究所.66 kV級XLPEヶーブルの長期絶縁性能［R］.電力中央研究所報告［181039］，1983.

［3］ 樓爾康.現代電纜工程［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，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発［J］.日立評論，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，高級工程師.

作者地址：江蘇宜興市官林鎮遠程路8號［214251］.