浅谈交联电缆热收缩性能对于产品质量的影响

浅谈交联电缆热收缩性能对于产品质量的影响卷宗2012年4期摘要：随着交联电缆的广泛运用，热收缩性能作为其产品质量的主要性能之一越发受到关注，从收缩的产生机理、生产过程应力产生等方面分析探讨收缩性能，可更好地调整绝缘中应力分布，更好地控制产品质量。关键词：交联电力电缆；热收缩；热应力交联电缆的热收缩性能是交联电力电缆的主要性能指标之一，最初于1984年由GIGRE在发表解决高压交联电缆运行中的热机械特性问题的相关研究中提出。经过近30年的发展，对于该问题及其深层次的热应力的研究已经成为继交联电缆水树老化机理、交联化学反应动力学理论研究后又一新兴的理论研究项目。目前欧洲NOKIA公司、国内白城电工、南京工艺等主要电缆设备供应商均将该理论用于生产实践中用以提高电缆产品的质量。一、交联电缆热收缩性能的基本概念所谓交联电缆热收缩性能，是表征成品电缆的交联聚乙烯绝缘在受热状态下绝缘回缩比率的一个量值。一般检验条件设置在受热温度130℃、时间1小时。加热冷却后观察电缆绝缘回缩情况并计算其收缩率。究其原理，该试验主要体现了交联聚乙烯绝缘电缆的热应力特性。交联聚乙烯绝缘的热应力属于材料及其加工过程中固有应力的一种，由巨分子（结晶）和挤压产生并会留在绝缘材料中。在电缆工作受热过程中，由于加热熔化使得巨分子的自然定位被取消，在冷却时若不能完全达到原有定位，其结果是所谓“被冻结”的应力可能通过外界力或热的作用被释放，例如原来的形状通过收缩而改变。热收缩试验正是利用这种宏观上的表征来体现热应力残留并变化的情况。二、近年来监督抽查绝缘热收缩试验情况分布介绍近年来，国家对电线电缆的质量空前重视，每年均会组织相关的监督类检验，交联聚乙烯绝缘电力电缆的合格率通常保持在75%-85%之间，而不合格的样品中，热收缩试验不合格占大多数。其中，小截面、导体为一类导体的，其热收缩变得较难合格，相比而言，大截面电缆相对较好，但是仍然存在热收缩不合格的情况。热收缩的性能已成为继热延伸、老化试验后第三个不容易控制的指标。三、热收缩性能出现问题的原因分析绝缘热收缩试验代表了绝缘热应力残留的情况，因而分析热收缩性能出现问题的原因也应该从热应力的产生和释放着手。首先、交联电缆的绝缘线芯是由交联聚乙烯绝缘包覆导体而成，表1显示了构成绝缘线芯的三种主要材质的线膨胀系数β值而两者的线膨胀系数相差近10-30倍。表1由于不同线膨胀系数两种材料的组合，在电缆生产过程中，产生热应力是不可避免的。再者、交联绝缘在冷却过程中，由于和导体紧密地结合在一起，且两者热膨胀系数相差很大，绝缘无法回缩，造成了轴向应力（同时可包含轴向应变）。同时，若生产企业为了提高生产速度，希望绝缘表面较快冷却，而绝缘中间层尚未完全冷却，使绝缘无法向导体中心回缩，转而向绝缘体中间回缩，会是在导体表面绝缘上造成了径向拉应力。几种应力会保留在电缆绝缘中并在室温状态下处于“冻结”状态。而一旦电缆受热（其在正常工作状态下通常都会受热），该应力就会被释放出来产生破坏性影响。如：径向和切向应力会使导体附近的绝缘向绝缘体中间拉伸，导体附近的绝缘处在各项拉伸力的作用下绝缘性能会大大降低。其次，生产线的结构因素也会影响热应力的释放。生产线中交联管通常由加热、冷却和预冷三部分组成，且加热管和冷却管愈长则生产速度快。一般对于预冷管的重视不够，平均给予冷却管长度仅为9-11米。此时的预冷管和加热管不成比例，生产出的高温绝缘线芯不能得到很好的预冷、直接进入水中冷却，定会造成电缆绝缘内的热应力无法释放。该类绝缘不仅表现在热收缩性能无法到要求，其原始抗张性能一般也较低，伸长也不理想，经135℃烘箱老化后反而能消除热应力，使得老化后的张力和伸长率反而提高。更有甚者，过大的热应力会造成交联绝缘结晶结构的应力开裂，除收缩外还可能引起局部放电不合格。再次，在生产线结构中，冷却水温度和水位高度对于预应力释放也会有一定影响。预冷管中约有一半长度以N2气为预冷却介质，另一半长度为水。如水位过高，就缩短了N2气为预冷却部分的长度，造成绝缘内的预应力不能完全释放，同时由于交联聚乙烯材质的热容量较大，冷却水的温度也不应太低，交联管管壁的温度也需与预冷管相配套，否则，在高速生产时有可能产生绝缘表面与中部温度冷却不均匀，从而产生热应力，或是导致其释放不均匀。同时，企业在生产过程中选择材料的不同（如选择低密度聚乙烯或是线型低密度聚乙烯）、挤塑时助剂相容性的好坏、混料时是否均匀、加工工艺与模具的选择（使用一步法或是使用二步法进行交联、使用挤管或是使用挤压）都可能引起内应力或是应力释放条件的变化。热应力残留或释放不均会导致热收缩试验不合格，其后果可能会造成较大的安全事故。如：某大型工厂一根110kV交联电缆在竣工前加装了连接盒，投入使用后不久就发现电缆和连接盒之间界面发现击穿，发生事故的主要原因归咎于电缆内的热应力。电缆在运行中因热应力收缩变形，在界面产生很大的缝隙，结构性能再好的界面或是粘结力再高，也有可能拉开，从而造成事故。同时，在小型电力系统中，热收缩也会导致各类结头裸露，或是接头与线之间接触不良，引发各种用电事故甚至安全事故。四、改进热收缩性能的建议要改进交联电缆热收缩性能，对于高压电缆，可以采取措施消除热应力，早在七十年代中，为消除高压交联电缆的热应力，瑞典Sieverts公司就采取了烘房收线方式以消除电缆绝缘的内在预应力。NOKIA公司开发了冷却退火装置，即在冷却管中间加装一段加热管，使绝缘表面再恢复到结晶熔化温度，再进入正常的冷却过程。对于中低压电缆，可控制生产速度，使生产速度不要太快，加热管温度也不能太高，要留有一定长度的预冷管，同时，应考虑材料的拉伸比，根据其特点选用模具。还可采用半挤管式挤塑、用分段水槽冷却，第一段使用温水冷却方式，在控制应力的同时使其得到释放。综合下来即可有效的消除部分热应力。在交联电缆生产中，还应重视温度和速度的选择，若采用计算机软件分析、设定，会比用经验直接调整温度和速度要科学、有效地多。同时，应定期清理管壁上的污垢，以防止污垢的存在大幅降低生产效率并破坏生产环境，特别是需要避免盲目的提高温度后造成电缆热应力增加的情况。参考文献1.E.HBall“Developmentofcross-linkedpolyethyleneinsulationforhighvoltagecables”CIGRE2.GB/T12706-2008额定电压1kV到35kV挤包绝缘电力电缆及其附件3.GB/T11017-2002额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件电线电缆手册4.德L.Heinhold.R.Stubbe门汉文译《电力电缆及电线》