交联聚乙烯绝缘阻水电力电缆结构设计及制造工艺

卫建良

(湖北龙腾红旗电缆(集团)有限公司，湖北宜昌443004)

0 引言

国内交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆的应用已有三十几年的历史，因其良好的电气和机械物理性能，且具有生产工艺简单、结构轻便、传输容量大、安装敷设及维护保养方便、不受落差限制等优点，在电力系统中得到广泛的应用。

上世纪90年代，专家曾对国内某大型钢铁公司进行调研，发现80年代敷设的交联电缆，由于没有采用阻水结构，电缆已无法运行，电缆使用寿命没有达到设计要求的30年。经对故障电缆解剖分析，其主要原因是XLPE电缆在敷设和运行期间，外力造成电缆护套及绝缘损伤或接头损坏时，潮气或水分会沿着电缆纵向和径向间隙渗入，致使XLPE绝缘在运行电压下生成水树枝。水树枝生长到一定长度即会在水树枝尖端引发永久性电树枝缺陷，最终导致电缆绝缘击穿。

据统计，国内电网10～35 kV电力系统中，地下直埋XLPE绝缘电缆基本上没有采用阻水结构，普遍在运行8～12年后生长出大量水树，发生击穿事故，严重影响电网的安全运行。因此，电缆阻水技术对于保证XLPE电缆的可靠性与寿命都具有非常重要的意义。

1 阻水电缆结构设计

阻水型电力电缆通常应用于较为苛刻的运行环境，如长期浸在水中或排水不畅的环境，以及雨水频繁的热带或亚热带地区，特别是用于江湖、沼泽等水下敷设环境。为此对电缆阻水结构采用径向与纵向相结合的阻水设计。

国内径向阻水大都采用金属套，虽然效果很好，但影响电缆的弯曲性且增加本体重量。我们采用铝塑复合综合护层作为径向阻水层，通过纵包的铝塑复合带和挤包的聚乙烯外护套共同作用达到阻水目的。其阻水机理为:当挤包聚乙烯护套时，由于聚乙烯融体高温和压力的作用，铝塑复合带表面的聚乙烯薄膜与聚乙烯护套的内表面得以很好地粘结，同时铝塑复合带纵包之间的搭盖也获得良好的粘结。从而阻止了水分的渗入，达到良好的阻水效果。

纵向阻水结构采用导体阻水材料填充，绝缘线芯表面绕包半导电阻水带，成缆时用阻水绳填充，铠装缆芯外绕包阻水带。

我们为用户设计的阻水电缆型号规格为FSYJY33 8.7/10 kV 3×300，电缆的结构如图1所示，结构尺寸参数见表1。

2 产品生产工艺流程

铜杆→拉丝(连续退火)→导线绞合紧压(阻水材料填充)→导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤→半导电阻水带绕包→铜带屏蔽→成缆(阻水绳填充)→阻水带绕包→铝塑复合带纵包→低密度聚乙烯内垫层挤制→钢丝铠装→阻水带绕包→高密度聚乙烯外护套挤制→成品检验→包装入库。

3 各道工序的工艺特点和质量要求

3.1 导体绞合

导体为符合GB/T 3956规定的退火裸铜线(铜的纯度≥99.98%)。导体绞制采用分层紧压成型，保证了导体的紧密和结构稳定。紧压模为钻石涂层纳米模，紧压系数不小于0.9，绞制后导体表面光洁、无油污，无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边，无凸起或断裂的单线。绞制中导体层间采用半导电阻水带绕包，且不留有空隙，其目的在于有效地抑制水分从纵向渗入电缆导体内，很好地起到了阻水的效果。

按GB/T 3956—2008的规定，300 mm2铜导体20℃ 时的直流电阻不大于0.0601 Ω/km，由60根直径2.62 mm的单线同心绞合，紧压后外径为20.6 mm。

图1 FS-YJY33 8.7/10 kV 3×300结构

表1 电缆结构尺寸参数 (单位:mm)

3.2 导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤

3.2.1 生产设备

选用青岛电工机械厂生产的交联绝缘三层共挤生产线，其中挤包导体屏蔽层为65/25挤出机，挤包XLPE绝缘层为150/25挤出机，挤包绝缘屏蔽层为90/25挤出机。配备德国SIKORA公司XRAY8000型测偏仪。

3.2.2 工序质量控制要点

(1)内、外半导电屏蔽选用上海万益高分子材料厂的材料，其中外半导电屏蔽料采用可剥离的，可剥离性试验方法按 GB/T 12706.2—2008的第19.21条规定，剥离力为20N。

(2)绝缘采用万马高分子材料厂的抗水树XLPE，即WTR-XLPE绝缘材料。

(3)导体进机头前用铜刷除去毛刺和铜粉，使导体表面光滑，保证屏蔽包覆质量。

(4)导体屏蔽及绝缘屏蔽的厚度控制在0.6～0.8 mm。绝缘标称厚度为4.5 mm，绝缘厚度平均值不小于标称值，任一点最小厚度不小于标称值的90%。由于XLPE绝缘材料的热收缩性，实际绝缘厚度值选为4.5×1.05=4.725 mm。

(5)按用户要求绝缘任一断面偏心度不大于8%，因此对模具尺寸要求特别严格，模芯孔径比导体直径大0.5 mm，同时对模具装配的同心度、装配位置等严格规定;对国内不同厂家的绝缘材料的流动性作了详细对比分析，选择低熔垂的绝缘料，配备在线测偏仪，将绝缘偏心度控制在5%以内。

(6)氮气纯度。在交联绝缘三层共挤生产过程中，如加热管中的氮气纯度不够，混入了一部分空气，则绝缘会老化变色，严重时会使绝缘表面硬化甚至龟裂。我公司采用氮气自动供应装置，以确保氮气浓度在99.5% 以上。生产过程中定时排放废氮及交联副产物，确保绝缘表面外观质量。正常生产时，氮气压力保持在1 MPa。

(7)硫化管清洁。清除硫化管内壁的碳化污垢，提高了硫化管温度控制精度，硫化热源可有效地传导到绝缘线芯中，保证了绝缘的热延伸性能。

(8)空气净化室内加料。导体屏蔽料、绝缘料、绝缘屏蔽料均采用真空吸入料斗，要求上料间内空气必须过滤，维持一定的正压力。我们建立了千级净化室，上料间的空气正压力控制在l2.5 N/m3，确保加料室的清洁度。

(9)主机温度控制精度。绝缘料的挤出温度为95～115℃。考虑到绝缘料在主机内停留及某些不确定因素影响，为不使绝缘料在主机内先期硫化，主机温度控制精度取为±3℃。

(10)导电线芯在换盘续接时，采用铜管压接连接。交联线生产速度约为6.4 m/min，完全可以在10 min内完成导体连接操作。铜管连接安全可靠、强度高，不会在硫化管内拉断。

(11)绝缘线芯生产后，在自然环境下存放2天，其目的是去气，同时也消除了绝缘内应力。

3.3 半导电阻水带绕包

绝缘线芯外绕包一层0.5 mm半导电阻水带，包带重叠率控制在带宽的18%～20%。

3.4 金属屏蔽

金属屏蔽是保证电缆质量的关键。由于电力系统对电缆安全性要求很高，电缆采用消弧线圈接地系统，接地故障电流较大。因此要求采用一层厚0.1 mm、宽40 mm的铜带重叠绕包，重叠率不小于带宽的15%。绕包时铜带易发皱，且不易包好，因此调整绕包角度和绕包张力显得尤其重要，否则铜带易擦伤绝缘线芯或铜带不服帖。另外，为了克服缆芯的摆动，在包带前后加置定位模作支撑，模具的孔径比绝缘线芯的外径大1.5～2.0 mm。

3.5 成缆及填充

成缆节径比控制在25～30，成缆绞向为右向。成缆时中心及边缘均应用阻水绳填充密实，缆芯外绕包二层0.5 mm阻水带，阻水带重叠绕包，重叠率控制在带宽的10%～30%。成缆后电缆不圆度不大于10%。

3.6 铝塑复合带及内衬层

采用YLY型聚乙烯型双面铝塑复合带，厚0.32 mm，铝带标称厚度为0.20 mm，纵向包覆，搭盖宽度应大于6.0 mm，热风枪焊接，温度控制在180～190℃。

内衬层选用低密度聚乙烯材料。内衬层的标称厚度为2.0 mm，其任一点的最小厚度不小于标称厚度的80%－0.2 mm。挤出机各段挤出温度控制在130～175℃，挤出温度以塑化良好且断面无气孔为准。螺杆转速控制在25 r/min以内。

3.7 钢丝铠装

铠装采用78根标称直径3.15 mm的钢丝，钢丝绞向为左向，节径比为9～12，总间隙不得超过一根钢丝的直径。钢丝不应出现跳浜等现象，钢丝接头应对焊，粗糙表面应修理平整，接头处的钢丝直径应与原直径基本相等。

钢丝外绕包二层0.5 mm阻水带，阻水带重叠绕包，重叠率控制在带宽的10% ～30%。绕包后包带应平整、不起皱。

3.8 电缆外护套

电缆外护套采用高密度聚乙烯材料。标称厚度4.1 mm，其任一点的最小厚度不小于标称厚度的80% －0.2 mm。挤出机各段加工温度控制在130～175℃，挤出温度以塑化良好且断面无气孔为准。螺杆转速控制在25 r/min以内。护套挤出后的电缆外径为99.7 mm。

4 检测结果

将FS-YJY33 8.7/10 kV 3×300电缆委托相关部门进行性能检测，试验结果见表2。

表2 产品性能检测结果

5 结束语

阻水型电力电缆经工艺试制，电气及机械物理性能符合GB/T 12706.2—2008标准要求，径向及纵向阻水性能符合相关标准要求。产品已批量生产，可应用于内河及水位较高的沿海地区，以及雨季频繁的热带或亚热带地区。

［1］王春江，吴荣美.阻水型电缆的发展历程［J］.电线电缆，2009(3):5-8.

［2］吴 倩，刘毅刚.高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评［J］.广东电力，2003(4):1-6.

［3］卓金玉.电力电缆设计原理［M］.北京:机械工业出版社，1999.