交联工艺学第一章概论

第一章概论第一节交联电缆概况一、交联电缆在输电系统中作用电能生产和其他工业最大的不同是能量不能贮存，因而，各动力能源的供给、能量的转变过程、电能的输送和使用必须构成一个有机的整体，在任何时候电能的生产都要根据不断变化着的负荷随时进行调节，将电能源源不断地输送给用户。把一些发电厂、变电所、输电线路和许多用户连接成一个发电、输变电、用电的整体，称为电力系统。它的明显优点是安全、经济、可靠和节省投资。电力系统可以是区域性的，全国性的，甚至是国际性的。电力网是电力系统的一部分，其作用是进行电能的输送和分配。电能的输送和分配一般都利用三相交流电，这是因为交流电容易改变电压，三相交流发电机和电动机构造简单，运行可靠，造价便宜。但它的缺点是在输送过程中，电能损耗较大。为了减少输电过程中的电能损耗，对于长距离输送电能目前正在发展直流输电。电能的传输，是通过电缆输送到几十公里、几百公里、甚至上千公里以外地方的。电力电缆在输电和配电系统中是不可分割的组成部分，越来越多输电配电线路安装于人口和建筑稠密的区域，电缆系统不但可以节约空间，而且可以有利于环境美化。到了90年代末期，在电力电缆线路中，1kV～35kV中低压电缆已全部为交联电缆所取代，110kV高压交联电缆基本上取代了充油电缆，220kV以上超高压交联电缆也将逐步取代充油电缆，预计不久将来交联绝缘电缆将取代其他电力电缆的绝缘品种。二、国外交联聚乙烯电缆的发展交联聚乙烯绝缘电缆从发明至今已有半个世纪了，1952年，查尔司(Charlesby)在一次核反应堆试验中利用辐射能将聚乙烯交联成交联聚乙烯，从而发明了交联聚乙烯绝缘。1957年美国GE公司在上述原理基础上，采用过氧化物(DCP)作为化学交联反应剂，首先在电缆工业中制造了交联电缆，在1960～1965年间就研制生产了5kV～35kV等级交联电缆，1969～1971年研制成功了69kV～138kV交联电缆，八十年代初，日本六大公司研制的275kV超高压电缆均已分别正式投入运行。1970年，138kV交联聚乙烯电缆样品开始在WALTZMILL进行运行试验。1973年美国电力研究院对36条地下输电系统进行了技术改造研究，耗资2600万美圆。同年电气公司最先用矿物质或有机粉料作为电压稳定剂来填充交联聚乙烯。1974年，美国能源研究开发局下属电力研究院与通用公司合作，打算研制138kV～345kV交联电缆。研究工作在通用电器公司的研究中心进行。1977年中期，他们宣告研究成功138kV、230kV和345kV交联聚乙烯电缆设计、制造和敷设技术，并取得了专利。美国除了发展交联聚乙烯电缆以外，也同时发展聚乙烯和乙丙橡胶绝缘高压电缆，因此力量比较分散。同时美国不愿意放弃传统的蒸汽交联工艺，绝缘品质不高，这是美国发展高压电缆进展不快的原因之一。另外美国的钢管充油电缆一直十分流行，就像英国使用自容式充油电缆那样，电力公司对交联高压电缆的应用持保守心理，不愿意放弃原有的输电方式，因此使交联高压电缆得不到充分的发展。日本是从1959年开始从美国引进这项技术，从六十年代初日本各大电线电缆公司开始大力发展交联电缆，住友电气公司在1960年便制造出6kV交联电缆，以后的交联电缆的电压等级逐年提高：1961年——33kV；1962年——66kV；1965年——77kV；1969年——110kV；1971年——138kV；1973年——154kV；1978年——187kV；1979年——275kV；1982年——500kV。日本的住友、古河、日立、藤仓、昭和以及大日六个大型电线电缆公司研制交联电缆的时间几乎相同。它们都有相当完善的交联系统和自己的“独创技术”。1962年古河电气公司已完成了66kV、77kV级交联聚乙烯电缆试制。1965年，住友电气公司研究成功三层共挤新工艺，1967年发明了红外线交联法，1970年研制成可剥离的交联型绝缘屏蔽。1972年住友电气公司的交联电缆产品已远销美国，并着手研制275kV交联电缆。1973年，该公司新建了80米高的高塔，安装了新式连续交联机组。1977年住友电气公司开始出口红外线交联技术。1979年住友电气公司制造了世界第一根275kV交联聚乙烯电缆，在日本名古屋变电站敷设运行。同年，日立电线公司制造的275kV交联聚乙烯电缆敷设于奥谷电站。日本日立、住友、古河、藤仓四大公司共建立的一条500kV电缆线路现已竣工投产，由日本千页到东京湾，线路长约40km（电缆长度240km）是世界上最长的一根500kV电缆线路。三、国内交联电缆生产情况我国交联绝缘电缆起步较晚，大约从60年代开始研制交联聚乙烯电缆。1971年上海电缆厂和沈阳电缆厂研制成功10kV～35kV交联聚乙烯电缆，80年代初上海电缆厂将原有的蒸汽交联法改为干式交联法，1982年沈阳电缆厂引进了瑞典西沃兹(Sieverts)公司的二手干式交联生产机组，到1983年上海电缆厂进行交联设备改造工程，由上海电缆厂、沈阳电缆厂、上海电工机械厂和上海电缆研究所三厂一所消化吸收引进技术的基础上，共同研制开发国内第一条干式交联生产机组。从80年代中期开始，交联电缆需大于供，由此引发了干式交联生产机组大量引进的热潮，从原来的两、三家一下子猛增到几十家生产企业。这些生产线大多是从芬兰NOKIA，美国DAVIS、ROYL和德国TROESTER等国外著名的设备制造公司引进的，由于当时一哄而上，缺乏对交联生产技术的认识，加上国产原材料质量较差，国产交联的击穿故障率高，直接影响到交联电缆的推广和安全运行。在这种背景下，电线电缆行业协会于1989年11月正式开始组织交联电缆生产整顿管理工作，1991年3月在无锡召开了全国交联电缆生产整顿工作会议。这次整顿的指导思想是贯彻GB/T——10300（即ISO——9000系列）质量管理体系，使各厂的交联电缆从设计、采购、工艺准备、生产制造、检查、包装、销售发运到售后服务等一系列重要环节都进行受控状态。为此对国内17条CCV交联生产线进行了整顿验收，达到了管理有序、体系运行正常、人员素质提高、产品质量提高、市场扩大、效益增加的目的。90年代起国内又掀起引进超高压电缆生产线的热潮，到目前为止，全国已有高压生产线约二十几条，其中有十几条可以生产220kV超高压交联电缆，这些生产线全部分布在我国东部和沿海地区。根据我国有关方面规定：110kV与220kV交联电缆必须通过两部组织的鉴定，两部撤消后，由省一级经贸委组织；由上海电缆研究所代表国家机械工业和武汉高压所代表国家电力公司组成的鉴定委员会进行产品鉴定，到目前为止，已有近二十家通过了110kV鉴定，其中四家通过220kV鉴定。第二节交联电力电缆结构、品种、型号和名称一、基本结构交联电缆一般是由导体、绝缘和护层三部分构成。1、导体导体是指能传导电流的物体，又称为导电线芯。用作电线电缆导体的材料，首先要有良好的导电性能，即电阻要小，以减少电流在线路上的损耗。损耗与电流大小、电阻大小有直接关系，并表现在导体的发热上。电缆就是利用导体来传导电流的，因而电线电缆的规格都以导体的截面表示。电力电缆的导体，可以制成整根实心的，或是由多根单线绞合而成，形状可以是圆形的和扇形的结构。绞合线芯可以采用非紧压的和紧压线芯两种。交联电缆的导电线芯通常采用绞合结构，1kV交联电缆通常采用扇形、半圆形和圆形。6kV以上交联电缆采用圆形紧压线芯。（1）圆形导电线芯圆形导电线芯，其绞合排列一般采用“正规绞合”的形式，绞合原则是：1）中心一般为一根单线，第二层为六根单线，以后每层比内层多六根，单线采用相同的线径。2）每层单线的绞合方向应和前一层方向相反，最外层应用左向绞合。这种结构可保证电缆导电线芯的稳定性和一定的柔软性。（2）扇型和半圆形导电线芯扇形和半圆形导电线芯不是理想的对称状态，因此，设计多根线芯排列时考虑到弯曲的的稳定性极为重要。为使非紧压扇形线芯具有足够的可曲度和稳定性，在设计不紧压扇形芯时，必须遵守下列规则：1）中央导线规则：扇形芯的中央导线必须位于扇形芯的中心线上，否则，当线芯弯曲时，位于中心线上部导线将被拉伸，而下部的将受压缩而可能挤出，这将引起扇形破坏而损伤绝缘。2）移滑规则：扇形芯中心线上导线的直径一般较大，处于两恻的导线应能沿中心线上导线滑动而不改变扇形芯形状，这一规则称为移滑规则。否则，当扇形芯绞合成缆时，扇形可能被破坏而损伤绝缘。2、绝缘绝缘是将绝缘材料按其耐受电压程度的要求，以不同的厚度包复在导体外面而成，起着使带电体与其他部分隔绝的作用。绝缘层的材料必须具有良好的电气绝缘性能，主要表现为承受电压的大小。一般地讲，同一质量的绝缘层越厚，耐电压也越高。绝缘也要具有一定的机械物理性能和加工制造的工艺性能。例如制造低压电缆时，尽管从电气性能方面考虑可以采用很薄的绝缘，但从机械性能与加工工艺考虑，仍以稍厚一些为好，原因是绝缘过薄，加工较困难，容易损坏。电缆通电以后，导体要发热。因此，比较理想的绝缘材料，应有良好的绝缘性能，和良好的热传导性能。绝缘在电和热的作用下，内部会产生变化，天长日久，绝缘性能就要降低。交联聚乙烯具有优良的电气绝缘性能，经过交联后，它的耐热和机械性能大幅度地提高，是目前理想的绝缘材料。导体包复绝缘层后称为绝缘线芯。每个导体上的绝缘层，称为线芯的绝缘或简称芯绝缘。根据国家标准GB/T12706和GB11017规定，不同电压等级交联电缆绝缘厚度见表1——1。表1——1交联电缆绝缘厚度导体标称截面mm2不同工作电压下的电缆绝缘厚度(mm)0.6/13.6/66/108.7/1012/2021/3526/3564/110250.92.53.44.55.59.310.5——350.92.53.44.55.59.310.5——501.02.53.44.55.59.310.5——701.12.53.44.55.59.310.5——951.12.53.44.55.59.310.5——1201.22.53.44.55.59.310.5——1501.42.53.44.55.59.310.5——1851.62.53.44.55.59.310.5——2401.72.63.44.55.59.310.519.03001.82.83.44.55.59.310.518.54002.03.03.44.55.59.310.517.55002.23.23.44.55.59.310.517.06302.43.23.44.55.59.310.516.58002.63.23.44.55.59.310.516.010002.83.23.44.55.59.310.516.012003.03.23.44.55.59.310.516.0护层是电缆外层的保护部分。根据电缆的用途以及使用环境和绝缘的不同，护层有许多不同形式和结构。它们所起的作用也不尽相同。交联电缆护层主要有裸护套和铠装型两种。在不受机械外力情况下，选用裸护套，即直接在绝缘线芯外面挤包一层塑料，如果用于直埋或要经受一定的机械外力，需要包上金属带铠装；110kV高压交联电缆或电缆埋设在水下，则需要防水护层，包上一层铅套、铝套或铝塑综合防水层。由于它经受不住机械损伤，因而还需包上钢丝、钢带。钢丝、钢带容易被腐蚀，铅套、铝套在恶劣环境下也容易被腐蚀，因而还需包上各种防腐材料、如沥青、黄麻、塑料等。这些都统称为外护层。其中钢丝、钢带称为铠装层，沥青、黄麻、塑料层称为防护层。此外在导体上、绝缘层上、电缆芯上或电线电缆外层，为了防止外界电磁波干扰或是起均匀电场作用，还包有金属带、丝或半导电塑料等材料。这些都称为屏蔽层。4、高压电缆的防水层油纸电缆均采用压铅机和压铝机挤包金属套，对于中低压交联电缆一般在有化学腐蚀的环境或水底敷设时才采用。但对于高压电缆一般规定使用金属护套。采用挤包的皱纹铝金属套较为理想，但一台连续式压铝机价格昂贵，随着焊接技术的发展，皱纹焊接的铝套电缆使用的可靠性已愈来愈多为人们所认识，各电缆企业采用先进的氩狐焊接技术。并装有超声波等在线检测装置，保证了焊接的密封性。为了检验是否漏焊