电力电缆制造工艺样本

1 基本工艺流程

电力电缆的制造包括许多工序, 一般可分为四个主要方面:

导体制造, 包括

1) 拉丝拉细单线到所需的直径;

2) 绞合把多根单线绞合到一起, 有时需要再包带;

3) 组合在HV和EHV电缆制造中, 把非圆形的股块绞合成准圆形

的结构;

绝缘线芯制造, 包括

1) 三层挤出: 电缆绝缘线芯在这个过程中形成, 包括内半导电屏

蔽层、绝缘层和外半导电屏蔽层;

2) 交联: 可在挤出后直接进行( 过氧化物交联) , 或者在挤出后采用单独设备进行( 湿法交联) ;

3) 除气: 经过离线加热把过氧化物副产物去除, 这一般是HV或EHV电缆的基本工序, 但也是经常见于中压海底电缆;

电缆护层制造, 包括

1) 绝缘线芯包带: 在此过程中, 把缓冲层、保护层和阻水层绕包到挤包的绝缘线芯上;

2) 中性线绞包: 把铜线、铜带或扁铜带包绕在电缆上;

3) 金属护层: 施加金属的防潮和保护层;

4) 护套: 采用聚合物护套起到机械保护( 对金属箔的保护特别重要) 和防腐蚀作用;

5) 装铠: 采用高强度金属构件( 钢) 来保护电缆, 特别是海底电

缆;

质量控制, 包括

1) 原材料的操作处理;

2) 例行试验;

3) 抽样试验;

3.2 导体制造

有些电缆制造采用直接用于屏蔽和绝缘加工的制成导体, 或用铜

杆或铝杆, 并将其拉丝到合适的直径, 然后绞合( 扭结成一体) 成电缆导体。

那些拉丝绞合制造导体的电缆制造必须遵循基本但重要的工艺,

以确保导体获得合适的物理性能和电气性能。由于拉丝工艺使金属产生加工硬化, 因此拉丝后的线材一般必须加热以获得适当的物理性能, 这个工艺叫退火。退火能够经过感应加热过程实现。在这个过程中, 经过感应到绞线上的电流来产生热量, 并提高导体的温度到正确的退火温度。另外也能够把绞线放置到炉箱中实现退火。退火能同时影响绞线的物理和电气性能, 因此在退火过程中必须谨慎操作和监控。必须进行定期的测试来确保绞线的特性符合规范的要求。

绞合导体是经过扭绞多根单线完成的, 有多种类型的扭绞( 或绞合) 型式。尽管绞合工艺相对容易完成, 但必须仔细操作, 以确保在绞合的过程中单线没有损伤以及绞合系数( 单位长度上绞绕的次数) 正确。导体中的水分十分不受欢迎, 因为水分会导致绝缘中生长水树从而使电缆过早击穿, 也可导致

电缆接头过早击穿。在制造、安装或运行过程中可能使水进入导体, 应考虑使用阻水结构的导体。

3 绝缘线芯制造

挤出绝缘电缆的生产线是一种高度精密的制造过程, 运转时必须严

格控制, 以确保最终的产品能够可靠地运行多年。它包括许多前后密切衔接的了工艺。如果生产线上的任一部分有故障, 就会导致生产出质量差的电缆, 并可能会产生出很多米的废电缆。

在导体屏蔽料、绝缘料和绝缘屏蔽料挤出到电缆导体上后, 必须进

行交联。交联( 也称为硫化) 是一个化学反应, 它能提高这些标准的热性能和机械性能, 特别是提高高温下的强度和稳定性。

绝缘线芯制造工艺起始于绝缘和半导电材料的颗粒在挤出机内熔融的时候。熔融是在加压的情况下进行的, 压力把电缆料向十字机头输送, 并在十字机头

内形成电缆的各个层。在螺杆末端和十字机头的顶部, 应放置用于过滤的滤网或

过滤板。在挤出型电缆制造的早期, 放置这些滤网或筛子是为了除去材料中的小颗粒, 或者是熔融进程中产生的杂质。

虽然如今仍在应用滤网, 但由于现今材料较好的净化特性, 减小了材料对该类型滤网的需求。实际上, 如果滤网太细的话, 其本身就能以焦烧或预交联的方式而产生杂质。然而, 适当尺寸( 100－200μm孔径) 的过滤网用来帮助稳定挤出机内熔融的均匀度以及防止在材料处理过程中从外界混入大尺寸杂质是很有益的。

在挤出型电缆制造的早期, 采用二次挤出工艺来生产电缆绝缘线芯。先同时挤出导体屏蔽和绝缘, 然后交联并绕到线盘上。经过一段时间后, 再挤出导体屏蔽和绝缘, 这种工艺会在绝缘和绝缘屏蔽之间形成不规则并可能遭受污染的界面。在这个工艺中, 绝缘屏蔽可能是不交联的, 因此电缆只有有限的热学性能。

现在, 有两种制造工艺用来在一道工序中完成所有三层的挤出。第一种方法是1＋2三层挤出工艺, 它是先挤出导体屏蔽, 经过较短的距离( 一般是2m到5m) 后, 再在导体屏蔽上同时挤出绝缘和绝缘屏蔽。第二种方法是三层共挤工艺, 它是将导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽同时挤出。在这两种方法中, 绝缘屏蔽都是交联的, 因此电缆的高温性能有很大改进。

1＋2三层挤出在其首次被推行时是一个重要的发展。因为它能产生一个较为洁净、均匀的绝缘和绝缘屏蔽界面。可是在这个工艺中, 导体屏蔽从导体屏蔽挤出机到绝缘和绝缘屏蔽挤出机时, 是暴露在空气中的。如果不采取严格的措施保护导体屏蔽, 那么导体屏蔽可能产生缺陷, 降低电缆的寿命。正是基于这个原因, 三层共挤工艺被认为是更好的工艺, 因为在这个工艺中导体屏蔽在绝缘挤出前不会暴露在空气中。三层共挤工艺能产生十分洁净、均匀的导体屏蔽和绝缘界面。

在实验室对两种不同工艺生产的电缆进行了加速寿命试验。试验结果表明, 用1＋2工艺生产的电缆比三层共挤工艺有更高老化速率。在这个特定的试验中, 电缆样品放置在水箱中, 感应到导体上的电流以提高导体温度, 在导

体和绝缘屏蔽上施加较高的交流电压。电缆在这些条件下老化规定的时间。到了规定的时间, 把电缆取出并进行交流击穿试验。

应用1＋2或者三层共挤工艺生产出三层电缆绝缘后, 没有交联的绝缘线芯直接进入硫化管。在这里有完全不同的硫化工艺。

在过氧化物硫化过程中, 电缆进入到一个高温高压的管道中。这个管道很长, 以便有足够的时间来完成交联过程。尽管氮气是较好的媒质, 因为热蒸汽硫化会在绝缘中产生水分和大量的微孔, 但管道内能够采用蒸汽或者热氮气加压。另一个重要的易被忽略的步骤是应充分冷却交联好的绝缘线芯, 确保外部绝缘和导体的温度降低到能够离开硫化管的温度。当电缆线芯引出硫化管时, 绝缘线芯应是按照正确的制造规范和标准已进行了充分的交联和冷却。

采用湿法交联工艺, 挤出机后面的管道的长度需要保证热塑性绝缘线芯充分冷却, 以免导体上的绝缘偏芯( 下垂) 。实际的交联或硫化过程是在挤出后离线进行的。

在所有挤出工艺中, 经常采用X射线或超声波技术来检查电缆同心度和进行缺陷定位, 如内导电( 导体屏蔽) 缺陷。在其它层后续加工前找出重大缺陷很重要。

3.1 挤出－过氧化物硫化

过氧化物硫化电缆的3种基本的电缆绝缘线芯挤出和硫化过程:

CCV－悬链式连续硫化

VCV－立式连续硫化

MDCV－Mitsubishi Dainichi连续硫化, 也叫长承模连续硫化悬链式连续硫化( CCV)

CCV技术中, 硫化布置成了悬链状, 当它悬吊在两点之间时, 象一概弦线。导体在馈送方式与VCV相同, 都是从放线架进入到储线器。这样能够保证在连续挤出工艺不停止的情况下, 当旧的线盘用完能够换一个新的导体线盘到放线架上。储线器也为两个导体的焊接提供了时间。经过严格地控制电缆张力来保持电缆处在硫化管的中心位置。使用先进的自动控制系统, 做到这点已经变得

较为容易。还注意确保不让已经融化但未交联的塑料聚合物在重力的作用下从导体上滴落或垂落, 这个效应一般叫做”下垂”。下垂效应随着绝缘厚度与导体尺寸的比率啬而趋于增强。

一些工艺, 包括使用特殊的低融流指数聚合物、旋转电缆、绝缘表面急冷等, 能够有效地减少绝缘的下垂效应。对于大截面电缆( 重电缆) , 还存在另一个问题。就是施加一个很大的拉力( 必须保证电缆在管中心) 以及张力的控制变得困难。这实际上限制了导体截面要小于1400~1600mm2。CCV线上能够生产绝缘厚度最大为25mm的电缆。悬链线的管子长度是可变的, 但总长度均在160m左右。管内的硫化媒质是加压蒸汽或高温高压的氮气。冷却可由水或者冷却的氮气来完成。CCV线主要用来生产MV和HV电缆。

立式连续硫化( VCV)

VCV技术中, 硫化管是垂直导向的。经过控制电缆的张力维持电缆在管的中心位置。导体的馈送方式与CCV相似。

将导体牵引到机塔顶端, 该塔高度可达100m, 位于一个巨大的牵引轮的正上方, 然后导体经由预热器进入到三层挤出机头。经过高温氮气加热电缆来完成硫化。

气体加压是保证过氧化物的分解物不产生充气的微孔。VCV技术中交联管道是垂直布置的, 从而确保了导体和绝缘线芯的同心度。在生产大截面( ＞1600mm2) 导体电缆时, VCV技术非常有效, 因为在保持张力方面, 不会面临和CCV技术那样的困难。VCV线能够用来生产绝缘厚度最大约35mm的电缆。

与CCV技术相比, VCV技术不会遭受由于重力的影响而使聚合物产生低垂或从导体滴落的结果。然而, 由于昂贵的立式建设成本, VCV线要短于CCV 线。VCV线一般为80~100m, 而CCV线一般为140~200m。

由于同样的电缆需要相同的硫化时间, CCV线生产速度较快。VCV线一般只用于HV和EHV电缆。同CCV生产线一样, VCV线的硫化媒质也使用高温高压的氮气。可是生产HV电缆时, 由于蒸汽硫化会导致绝缘中产生水分和大量的微孔, 因此氮气是首选的媒质。