浅谈220kV交联聚乙烯电缆绝缘收缩率

查传忠

(远东电缆有限公司，江苏宜兴214257)

0 引言

110 kV及以下电压等级交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆国家标准都对XLPE绝缘收缩率作出了不大于4%的规定要求。现行GB/T 18890—2002《额定电压220 kV(Um=252 kV)XLPE绝缘电力电缆及其附件》和 IEC 62067《额定电压 150 kV(Um=170 kV)以上至 500 kV(Um=550 kV)挤包绝缘电缆及其附件的电力电缆系统——试验方法和要求》两个标准对绝缘收缩率都未作出要求。其主要原因是随着绝缘层越厚，要求收缩率不超过4%很难做到。

本文通过对德国Troester公司最新500 kV悬链式(以下简称HCVV)交联电缆生产线工艺特点研究，利用HCCV生产线硫化管道长的特点，在生产线上有针对性的采用一些工艺技术措施，试验证明220 kV XLPE绝缘收缩率是能够达到不大于4%的要求。

1 高压XLPE绝缘收缩

聚乙烯是相与非晶相(无定形相)两相共存的聚合物，其结晶过程就是大分子或链段通过分子间的相互作用力重新排列，从无序变为有序的过程。聚乙烯绝缘挤出时，在熔融温度下受到剪切和牵引拉伸作用，使得聚乙烯分子的晶粒沿拉伸方向(纵向)尺寸增大、横向尺寸减小;聚乙烯分子发生取向，并能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。当聚乙烯绝缘恢复至常温，挤出时产生的内应力(收缩内力)使得结晶的聚乙烯分子容易解取向(回缩)。因此，XLPE的热收缩是经过交联的高分子聚合物固有特性，也称为弹性记忆效应。

相比于中低压交联电缆，高压XLPE电缆由于绝缘厚度比较厚，聚乙烯交联之后的降温过程中，绝缘不同位置的温度分布差异性更大。绝缘层表面(外层)冷却快，而绝缘层内部(靠近线芯部分)因未能及时降温而处于膨胀状态，很容易产生沿轴向和径向的由于膨胀情况不同而导致较大的热应力，增大了绝缘的收缩。

2 HCVV生产线工艺技术特点

HCVV交联电缆生产线是德国Troester公司制造，其生产制造电压等级110～500 kV。该生产线采用独特的双旋转牵引同步控制绝缘下垂(本文不作介绍)以及大长度交联加热、冷却等先进技术和工艺手段提升和改善高压XLPE电缆绝缘品质。

2.1 导体预热

HCVV生产线配置了在线中频感应加热导体预热装置，其功率100 kW，生产中导体预热温度可达80℃，使导体温度接近于挤出温度，让挤包在导体表面的材料流动性达到最佳效果，并且在预热温度设定后可实现与生产线速度同步跟踪，以确保导体预热效果。导体预热最主要目的是降低聚乙烯绝缘层内外温差，避免绝缘向导体过于收缩、向外部过于膨胀，改善厚绝缘交联的均匀性和充分性。

2.2 交联加热段和冷却段长度长

聚乙烯从挤出机出来后，随即将自动送进充满高温保护性气体的密封交联管内，聚乙烯在交联管中经历从吸热开始发生分子间交联到冷却段冷却收缩的过程。

加大交联管加热段长度，有利于聚乙烯在管道里获得理想的加热温度;延长交联管冷却段，采用循环氮气冷却，使得XLPE绝缘体温度递减形成一个缓慢梯度，避免温度递减过快在绝缘中产生应力。

HCVV交联电缆生产线交联管道总长176 m，其中悬链段55 m，加热段八节，长45.6 m，冷却段121 m。

2.3 低温交联

影响聚乙烯交联因素有三个方面:材料活性、交联温度和交联时间。在聚乙烯原材料选定之后，生产中交联温度和交联时间是决定XLPE绝缘品质优劣重要工艺参数。文献［3］以不同温度交联和交联时间形成的XLPE薄片为试样，通过对试样测试和解析，分析交联温度和交联时间对结晶过程的影响。文献［4］围绕XLPE生产过程中温差导致绝缘中残存热应力，用有限元法求解热应力的平衡方程，求解得到热应力和生产条件之间的关系，提出了生产过程中控制环境参数消除热应力的解决方案。上述说明聚乙烯的交联历程和热历程的不同而产生XLPE结晶形态和交联结构方面的差异最终都会对XLPE材料的绝缘性能产生影响，表明高温下交联必须慎重，特别是对于绝缘厚度较厚的高压交联电缆，如果以提高交联温度、缩短交联时间的方法追求生产速度，将影响绝缘品质。

HCVV生产线管道较长，使得聚乙烯不必受加热管道短少的限制而选择高温交联工艺，从而可以选择理想的低温交联工艺和交联所必需的时间，避免聚乙烯从过高温度区迅速进入到低温区冷却，以使聚乙烯交联热过程中产生的机械应力最小。

3 生产工艺和实测结果

表1～表3分别列出了我公司生产127/220 kV YJ 2500 mm2高压电缆的结构尺寸、生产工艺参数和绝缘热收缩试验数据。从表3可知，127/220 kV YJ 2500 mm2电缆绝缘热收缩率为3.1%，小于4%。表4是我公司生产其它规格220 kV高压交联电缆绝缘热收缩的试验统计数据，可见220 kV XLPE绝缘热收缩能够做到不大于4%的要求。

表1 127/220kV YJ 2500 mm2结构尺寸

表2 127/220kV YJ 2500 mm2生产工艺参数

表3 127/220kV YJ 2500 mm2绝缘热延伸和热收缩试验

表4 其它规格220 kV绝缘热收缩试验

4 结束语

高压XLPE电缆绝缘热应力是客观存在的，生产过程中应采用相应的工艺技术手段改善绝缘内热应力，降低电缆绝缘收缩对XLPE绝缘性能的影响。本文通过对HCVV工艺技术的研究和分析，利用HCCV生产线硫化管道长的特点，选用低温交联和有效冷却工艺，以及导体预热和绝缘脱气工艺手段，实践证明220 kV XLPE电缆绝缘的收缩率是能够做到不大于4%的要求的。

［1］GB/T 18890.1—2002 额定电压220 kV(Um=252 kV)XLPE绝缘电力电缆及其附件第1部分［S］.

［2］陆正荣.小规格硅烷XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩［J］.光纤与电缆及其应用技术，2011(1):17-18.

［3］朱晓辉，杜伯学，高 宇，等.交联工艺对XLPE结晶的影响［C］//中国2010电力电缆状态检修技术交流会议论文集.251-254.

［4］王 瑛，施 磊，曹晓珑，等.XLPE电缆生产过程中热应力的计算［J］.电线电缆，2001(3):14-16.