第二节 塑料绝缘电力电缆制造的工艺流程
塑料绝缘电力电缆制造的工艺流程是根据每一种产品的结构、涉及的工艺、使用的设备等按顺序排列而成的工艺路线。
原则上讲,每一种产品都应该有自己独立的工艺流程,但在生产实际中,常常把结构相似产品的工艺流程合在一起,组成一类产品的工艺流程。根据工艺流程绘制的框图称为工艺流程图,参见图151。
一、导线拉制
线材拉伸是指线坯通过模孔在一定拉力作用下,发生塑性变形,使截面减小、长度增加的一种压力加工方法。导线的拉伸具有以下特点。
(1)拉伸的线材有较精确的尺寸,表面光洁,断面形状可以多样。(2)能拉伸大长度和各种直径的线材。
(3)以冷压力加工为主,拉伸工艺、工具、设备简单,生产效率高。(4)拉伸耗能较大,变形率受到一定的限制。
1.拉伸原理
拉伸属于压力加工范围。拉伸过程产生极少的粉屑,体积变化甚微,即可认为拉伸前后金属体积不变,即
V0=VK
或
S0L0=SKLK
(151)
式中 V0———拉伸前体积;
S0———拉伸前截面积;L0———拉伸前长度;VK———拉伸后体积;SK———拉伸后截面积;LK———拉伸后长度。
2.拉伸的条件
为实现金属拉伸过程,拉伸应力(σL)应大于变形区中金属的变形抗力(σk),同时小于模孔出口端的屈服极限(σsk)或抗拉强度(σb),即
σk<σL<σsk
或
σk<σL<σb
通常以σL与σsk (或σb)的比值大小表示能否正常拉伸,即安全系数为
KS=σσsLk=σσbL
(152)
拉线安全系数与拉线直径密切相关,拉线安全系数参考数据见表151。
表151
拉线安全系数参考数据
3.拉线模
拉线模是拉线过程最重要的工具。线模的主要部分是模孔,一般由互相圆滑连接的润滑区、工作区、定径区、出口区四个区域组成。
(1)润滑区。润滑剂在这里停留并被带入工作区。
(2)工作区。金属在这个区域内实现变形(变细、变长),实际与金属接触的部分叫做变形段。
(3)定径区。使拉线尺寸准确,形状符合要求,模孔直径即定径区直径。
(4)出口区。不刮伤从定径区出来的线材,同时防止停机线材回弹引起断线。4.线坯准备
(1)铜线坯在拉线前,线坯表面不应有氧化痕迹。因为金属氧化物的硬度较高,降低拉线质量和模具、设备寿命,因此需酸洗去除氧化物。
铝杆的表面氧化层无有害影响,可以不进行酸洗。
(2)线坯焊接时,时间要短,避免过度氧化。焊接后需冷却,并修整好焊缝,经反复弯折两次不断方可进行拉线。
(3)当铜线坯表面氧化严重时,应对线坯预先进行扒皮处理。
(4)为使线坯能顺利地穿过模孔,需要将线坯端部预先在压头机上轧细。5.变形程度的确定
变形程度要根据被加工金属性能、设备条件、工艺条件及模具质量等进行选择。
(1)在设备能力及金属塑性允许的前提下,尽量采用较大的变形程度,以减少中间的退火次数,缩短生产周期。
(2)由于焊接处强度较低,第一道次(模)应采用较小的变形程度。
(3)对于同一种金属,大规格的变形程度大于小规格的变形程度。一次拉伸变形程度大于多道次(模)拉伸变形程度。
(4)塑性好的金属和经过退火的金属采用大变形程度,反之则小。6.导线拉制工艺要点
(1)铜线拉制工艺要点:①凡调换出线模及规格时,应仔细测量线径和检查表面质量;②排线应整齐、张力应均匀;③确保润滑剂符合要求,并润滑适当;④导线焊接应牢
固、平整,确保结构尺寸和表面质量;⑤拉制较细导线时,出线口应垫羊毛毡或绒布,以便及时揩去铜屑或毛刺;⑥拉线产品装盘时,其最高点离盘边距离应符合相关要求,不得过满。
(2)铝线拉制工艺要点:①铝杆表面不允许有水分,否则在第一道模处就会拉断或拉毛;②应使用铝线专用模,铝线模工作锥角比铜线模锥角大;③拉制铝线的润滑剂应专用,不允许与拉制铜线的润滑剂混用;④拉制纯铝线和铝合金线要严格区分开,以免误用;⑤配模应根据配模工艺卡进行,否则影响产量和质量;⑥铝线表面不应有油污,否则影响下道工序产品质量。
二、退火软化
1.热处理的作用
金属经过冷加工,晶粒形状及其方位等均发生变化,其性能也发生变化,因此在许多情况下都需要对冷加工的金属进行热处理,使金属恢复冷加工前的性能或达到使用的要求。在电力电缆生产过程中,一般有以下几种情况的热处理。
(1)使经过冷加工硬化的金属的塑性恢复到冷加工之前的水平,以便继续拉制。即中间退火。
(2)为了使拉线的成品恢复拉线前的电气和机械性能。即成品退火。
(3)为了得到高强度的线材,对拉制产品(如铝镁硅合金线)进行淬火。(4)为了得到适当硬度的线材而进行的拉制成品退火。
2.金属退火基本原理
金属经冷加工塑性变形后,内部晶粒破碎,晶格畸变,存在残余内应力,因此是不稳定的。它有向稳定状态发展的自发趋势,但在常温下原子的扩散能力很弱,变化很难进行。将冷变形的金属进行加热,使原子动能增加,促使其发生变化,使金属恢复冷加工前的性能。
金属退火的过程,可分为以下三个阶段。
(1)晶格回复阶段。当加热温度不高(低于最低再结晶温度)时,原子扩散能力尚低,虽有微小扩散,却不会引起组织变化。但由于原子有了微小的扩散,能使晶格畸变程度大为减轻,从而使内应力大大下降,导电性及耐腐性等均有显著提高。机械性能变化不大。这个阶段称为回复阶段,又称为去应力退火。
(2)再结晶阶段。冷变形金属加热到较高温度时,将形成一些晶格方位与变形晶粒不同,内部缺陷较小的等轴(各方向直径大致相同)小晶粒,这些小晶粒不断向周围的变形组织中扩展长大,直到金属的冷变形组织全部消失为止。这个过程称为金属的再结晶。
冷变形金属经过再结晶,由于冷变形而产生的晶格畸变等缺陷及内应力完全消除,因而强度下降,导电率提高,塑性和韧性增加。冷加工硬化状态得到彻底改善。
再结晶过程中,金属的晶格类型不发生变化,即并未形成新相,故不是相变过程。(3)再结晶后的晶粒成长阶段。冷变形金属在刚完成再结晶过程中,一般都能获得细
小而均匀的晶粒。随着加热温度的提高或延长保温时间,再结晶后的晶粒还要互相吞并而长大,使晶粒变粗,机械性能变坏这个过程称为聚集再结晶。这种粗晶粒金属的强度和塑
性均下降。所以,过高的加热温度或过长的保温时间,均能引起“过热”或“过烧”。
在生产实际中,去应力退火温度相当于最低再结晶温度,再结晶退火温度比最低再结晶温度高100~200℃。工业纯铜和铝的退火温度见表152。
表152
工业纯铜和铝的退火温度
单位:℃
退火时保温时间的长短,应能使整个金属体积内的再结晶过程得以充分进行,它与加热温度、金属材料的体积和加热方式等相关。没有确定的统一临界点,一般认为90min即可。
铜和铝线退火后的冷却速度,一般认为对产品性能基本上没有影响,因而可以采用水冷、风冷或空气自然冷却等方式。
由于铜的表面氧化物较疏松,可以不断地氧化,因此铜线退火必须在无氧的环境下进行。可以抽真空或充不含硫的保护气体(惰性、中性气体)。
3.退火工艺
铜、铝线的退火可分为间歇式和连续式两大类。所用的退火炉也较多,常见的有:间歇式退火炉(地坑罐式退火炉;钟罩式电热退火炉;热风循环式退火炉)和连续式退火炉[电热气体保护退火炉;水封式电热退火炉;接触式连续退火(连续退火大拉机)]。
使用退火炉进行导线退火时,主要应保证容料罐内无氧的条件。抽真空后,罐内残余压力应控制在-0.1MPa以下,充保护气体后压力应控制在0.03~0.05MPa范围内。
接触式连续退火装置是一种单线式通电连续退火设备。该装置一般装在拉线机上最后拉线轮与收线盘之间,构成拉线———退火———收线的连续退火大拉机组。拉制出的线经过几个通有直流电的金属滚轮,导线与滚轮接触时电流通过导线,利用导线本身的电阻进行加热退火。
接触式连续退火的优点:①省去了成盘退火的工序,从而提高了生产效率;②加热均匀;③改善了劳动条件;④自动化连续生产,节省人力、物力。
接触式连续退火的基本工艺参数如下。
1)退火温度:由于退火过程加热速度快(以s计),保温时间极短,因此退火温度高于其他退火方式约50℃。
2)退火电压。用以下公式计算
u=㊣0.065VL[T2-T1+α2(T22-T21 )]
(152)
式中 V———线速度,m/s;
L———线材退火长度,m;
T2———退火后线材温度,℃;T1———退火前线材温度,℃;
α———电阻温度系数,1/℃。
3)退火电流。用以下公式计算
I=180d2㊣
VLT
(153)
T=ln1+2T2
1+2T1
式中 d———线材直径;
其他各参数同式(152)。
三、绞线
电力电缆的导电线芯有两种绞合方法:无退扭绞合和有退扭绞合。
采用有退扭方法绞成的线芯没有扭转内应力,故多用于不紧压的绞线,以避免因有内应力在单线断裂时散开。
没有退扭的绞合多用于紧压型线芯,因为自扭产生的残余应力是弹性变形,压型为塑性变形,因此经过紧压后内应力即可消失。
1.绞合方向
裸绞线的扭绞方向不论是同心绞合还是复绞,其最外层都规定为右向(Z形);绝缘导线的绞合最外层为左向(S形)。无论是右向还是左向,其相邻两层绞向必须相反。这是为了产品统一,便于连接,并防止单线松散。
2.并线模
并线模是绞线的重要控制点。绞线的直径均匀性,有无蛇形、缺根、跳蹦现象均在此表现出来。
并线模一般由两个半圆组成。钢模内孔镀铬,也可硬木制模。实践证明,木模较为实用,钢模不但成本高,更主要是划线,容易使线芯产生毛刺。
并线模的作用是使绞合线芯定径成型,经验表明:并线模的孔径比计算外径略小0.1
~0.3mm为合适。
3.紧压
紧压工序主要用于绝缘导体的绞合,裸电线一般不紧压。(1)导体紧压的目的如下。
1)增大填充系数,缩小导体几何尺寸,节约绝缘和护层材料。2)提高导体表面光滑度,均匀导体表面电场。
3)减少电缆中形成空隙的机会。
(2)紧压工艺。圆形绞合导体的紧压过程是一、三道为垂直紧压,二、四道为水平紧压;一、二道紧压量为80%,三、四道压轮起圆整作用,紧压量20%;圆形紧压导体与非紧压导体相比,外径可缩小7.2%~9.17%,填充系数(正规绞合)可由75%提高到90%~93%。近年来,圆形导体多采用过模紧压的方式,以提高导体的圆整度和表面质量。扇形绞合导体25~50mm2可只进行一次垂直紧压;70mm2及以上的导体最外层绞合后进行三道紧压,即垂直、水平、垂直紧压,第一道紧压量为85%,第二道起整形(两侧)作用,第三道起定型作用;紧压扇形导体的填充系数可达90%~93%。
(3)紧压导体与非紧压导体的比较。
1)工艺特性:提高效率、降低消耗、结构稳定。2)电场强度:能够起到均匀电场的作用。
3)柔软性:有所下降。
4)结构材料的用量:减少。塑力缆节约材料用量约1.8%。
四、挤塑
1.挤塑机工作原理
利用特定形状的螺杆,在加热的机筒中旋转,将由料斗中送来的塑料向前挤压,使塑料均匀地塑化(即熔融),通过机头和不同形状的模具,使塑料挤压成连续性的所需要的各种形状的材料。
挤出过程中,塑料将经过如下三个阶段。
(1)塑化阶段。又称压缩阶段。在机筒内完成。经过螺杆的旋转,使塑料由固体的颗粒状变为可塑性的粘流体。
(2)成型阶段。在机头内进行。由螺杆旋转和压力的作用,把粘流体推向机头,经过机头内的模具,使粘流体成型为所需要的各种尺寸及形状的挤包材料。机头的模具起成型作用,而不是起定型作用。
(3)定型阶段。在冷却水槽中进行。塑料经过冷却后,将塑性状态变为定型的固体状态。
2.挤塑模具类型及工艺特性
电线电缆生产中使用的模具(包括模芯和模套)主要形式有三种:挤压式、挤管式、半挤压式(或半挤管式)。
(1)挤压式模具。是靠压力实现产品成型的,所以挤压式成型的产品密实。模芯与模套配合角度差决定最后压力的大小,影响胶层质量和挤出量;模芯与模套的尺寸决定挤出产品的几何形状和表面质量。
挤压式模具选配尺寸要求很严,成本高、挤出量低,所以除要求绝缘结构密实和挤出拉伸比小的以外,大都采用挤管式代替挤压式。
(2)挤管式模具。在胶料包覆于线芯之前,由于模具的作用形成管状,然后经拉伸后包覆于线芯表面。挤管式模具比挤压式模具具有以下优点。
1)可充分利用塑料的可拉伸特性,挤出厚度远大于所需厚度,所以出线速度可依拉伸比的不同而有所提高。
2)包覆厚度的均匀性只与模套的同心度有关,不会因线芯形状的改变或弯曲变形而致包覆偏芯。
3)塑料经拉伸而取向,从而提高了机械强度、结晶度及耐龟裂性。4)模具与线芯间隙较大,可减少模具磨损和划伤线芯。
5)模具通用性较大。
挤管式产品与挤压式相比的不足是:挤塑密度小,胶层与线芯结合紧密性差。增加拉伸比可提高密度,抽空挤出可提高胶层与线芯结合的紧密程度。
(3)半挤压式模具。通常用于大规格绝缘挤包和内护套或外护套的挤包。
3.模具的选配
模具配置的是否合理,直接影响挤出的质量和产量,因此配模是重要的操作技能之一。
挤压式模具的选配,主要依据线芯选模芯,依成品外径选模套,根据塑料工艺特性决定模芯、模套角度及角度差、定径区长度等。
挤管式模具的选配,主要是根据拉伸比(模口截面积与实际截面积之比)配模。(1)绝缘线芯的配模原则如下。
1)圆形:模具不易过大,要适可而止,即导电线芯穿过时不易过松或过紧。模芯———线径+放大值;模套———模芯直径+2×标称厚度+放大值。
2)扇形:模芯———扇形宽度+放大值;模套———模芯直径+2×标称厚度+放大值。(2)配模的理论公式如下。
模芯
D1=d+e1
模套
D2=D1+2f+2Δ+e2
式中 D1———模芯直径,mm;
D2———模套直径,mm;
d———挤塑前最大直径,mm;f———模芯嘴壁厚,mm;
Δ———绝缘标称厚度,mm;
e1———模芯放大值,绝缘线芯:e1=0.5~3mm,外护套e1=2~6mm(铠装),e1
=2~4mm(非铠装);
e2———模套放大值,绝缘线芯模套e2=1~3mm,外护套模套e2=2~5mm。
(3)选配模具的经验。
1)16mm2及以下的线芯绝缘配模,应用导线试模芯,以导线能通过模芯为宜,不要过大,以免产生倒胶现象。
2)真空挤塑时,选配模具要合适,不宜过大,以免产生耳朵棱或松套等现象。3)实际挤塑过程中,塑料存在拉伸现象,一般的拉伸量为2.0mm。
4)安装时,要调整好模芯与模套的距离,防止堵塞,造成设备事故。(4)模具的调整。
1)调整模具的原则:①面对机头,先松后紧;②经常检查对模螺钉是否松动或损坏;③调模时,模套压盖不要压得太紧,调好模后再压紧,以防进胶,造成偏芯或焦烧。
2)调整模具的方法:
a.空对模。生产前将模具调整好,用肉眼观察把模芯与模套的距离或间隙调整均匀,然后把对模螺钉拧紧。
b.跑胶对模。塑料塑化好后,边跑胶,边调整对模螺钉,同时取样检查挤塑厚度与是否偏芯,直至调整满意,然后把对模螺钉拧紧。
c.走线对模。把导线穿过模芯,与牵引线接好,然后跑胶。胶跑好后,调整好螺杆与牵引速度,起车跑线取样,然后停车,观察样品的绝缘层厚度。反复几次,直至满意,然后把对模螺钉拧紧。该方法适用于小截面的电线电缆调模。
d.灯光对模。利用灯光照射绝缘层和护套层,观察四周的厚度调整对模,直至满意,然后把对模螺钉拧紧。该方法适用于PE塑料绝缘电线电缆的调模。
e.感觉对模。是经验对模法。利用手摸,感觉挤塑层厚度来调整模具。该方法适用于大截面电线电缆的外护层。
f.其他。利用游标卡尺的深度;利用对模螺钉的螺纹深度等。
值得一提的是:选配好模芯与模套的孔径后,还必须选定模套内锥角与模芯外锥角的角度差,一般为3°~10°。这个角度差能使挤出压力逐渐增大,实现挤塑层密实、与线芯结合紧密的目的。
4.工艺制度
(1)温度。由于不同品种或配方的塑料其分子结构不同,所需的挤塑温度也不同。塑料挤出各部位温度表见表153。
表153
塑料挤出各部位温度表
单位:℃
1)加料段。采用低温。加料段主要是产生足够的推力、机械剪切并搅拌混合。如果温度过高,将使塑料早期熔融,不仅导致挤出过程中的分解,还将引起“打滑”,造成挤出压力的波动;过早熔融还将导致混合不充分、塑化不均匀。所以这段温度一般较低。
2)熔融段。温度大幅度提高。塑料要在该段实现塑化,必须达到一定的温度才能确保塑料大部分组成得以塑化。
3)均压段。为使塑料充分塑化,温度有稍许升高的必要。也可温度不变,延长塑化时间。
4)机脖。应保持均压段的温度或稍有降低。塑料出筛板变旋转运动为直线运动,并已分散成条状,必须在其熔融态压实。所以温度降低太多是不行的。
5)机头。温度需下降。机头起继续挤压使之密实的作用,塑料在此有固定的表层与机头内壁长期接触,若温度过高,将造成塑料分解,甚至焦烧。
6)模口。温度升高、下降均可。一般地,温度升高可使表明光亮;但模口温度过高会使表层分解,造成冷却困难,使产品难于定型,易于下垂成自行形或压扁变形。
(2)冷却。
1)螺杆冷却作用。消除摩擦过热,稳定挤出压力,促使物料搅拌均匀,提高塑化质量。必须注意:冷却要适当,挤出前绝对禁止冷却,否则都会酿成严重的设备事故。
2)机身冷却作用。增加机身散热,克服摩擦过热形成的温升,维持挤出热平衡。3)产品冷却作用。为确保产品几何形状和内部结构,应合理选择急冷或缓冷。一般
地,以无定形区为主的高聚物(如聚乙烯,聚丙烯等)急冷会产生内应力,这是产品日后产生龟裂的内部结构原因之一。缓冷的方法是采取热水降温,可由70~80℃开始,逐段下降,直至室温,各段水温差越小越合理。
五、交联
聚乙烯的分子结构是线型大分子结构,常温下为固态,当温度升高到软化点时,分子间可以产生相对位移,所以它的使用温度受到了限制。为了提高聚乙烯的耐温等级,把线型聚乙烯分子,通过一定的方法使其变成网状立体空间结构,这个过程称为交联。
交联聚乙烯的制造方法及其产品适宜的电压等级见表154。不同交联方法制成的交联聚乙烯的内部缺陷对比见表155。
表154
交联聚乙烯的制造方法
表155
干、湿交联法缺陷对比表
1.几种常用的交联方法
(1)射线交联。射线交联又称辐照交联。它是利用电子加速器产生高能电子束来照射线性聚合物分子,在其分子链上打开若干游离基团(称为接点),把两个或多个线型分子交叉联接起来,形成网状立体分子结构。
辐照交联具有下列主要优点。1)生产速度快,占用空间小。
2)可以加工多种材料,几乎覆盖所有聚合物。
3)产品具有更好的耐热、耐磨性和较高的电气性能,可阻燃。4)生产电耗低。
由于电子束的穿透深度与厚度有限,目前一般生产绝缘厚度较薄的低压(1kV等级)电缆或特种电线,有时也用于6kV等级电缆的生产,但由于绝缘厚度增大,需要在绝缘
材料中加入敏化剂。为防止电子束外溢,必须加固隔离加速器室。因为电缆需要四周均匀辐照,所以常采用∞形路程往返照射。
(2)硅烷交联。硅烷交联又可简称为温水交联,属于化学交联的一种,其原理是把有机硅化合物(如乙烯基三甲氧基硅烷)接枝到聚乙烯主链上,在过氧化物(DCP)的触发下,加上硅烷水解,就能产生交联。由于硅原子上有三个烷氧基,所以可以形成三维立体交叉连接。
二步法硅烷交联工艺设备投资成本低,可用普通挤出机进行加工,材料价格适中,因此得到广泛的应用。但二步法也有缺点,即材料储存时间短,现场混料易造成材料污染等。
一步法硅烷交联工艺是将绝缘层的接枝和挤出合并为一个步骤来完成。即接枝是在挤出机内完成的,要求采用螺杆长径比为30∶1。与二步法相比,一步法硅烷交联材料成本低,杂质的污染机会少,材料储存时间长;但一步法工艺技术较难,设备投资大。
交联是在适当的温度和大气压力下,在温水或水蒸气中完成的。由于温水交联温度比聚乙烯的熔融温度低得多,所以绝缘体中的残留水分较少。交联的速度取决于水的渗透速度,而水的渗透速度又决定于温度。在不同温度的水中,不同厚度的硅烷接枝聚乙烯所需的交联时间见表156。
表156
不同厚度的硅烷接枝聚乙烯所需的交联时间
单位:h
(3)长承线模交联(MDCV)。长承线模交联法采用水平式交联管,交联管紧贴挤塑机机头安装,总长度为50~60m,挤出模长达20m。挤出绝缘线芯时,向管内充填硅油或其他润滑油,使聚乙烯在模子内完成交联。
这种卧式长承线模交联生产线,设备投资少,占地面积小,能稳定地生产大截面电缆,生产速度与CCV交联机组相当,产品质量明显提高,电缆的交流击穿场强比蒸汽交联电缆高60%~70%,呈被认为是生产高压交联电缆的理想设备。但是,每一规格的电缆在生产时要调换长承线模很不方便,因此没能推广。
(4)红外线交联(RCP)。红外线交联又称热辐射交联,之后逐步演变成电热干式交联工艺,即CCV悬链式交联工艺。这是目前国内外最为普及的交联方法。其主要原理是在聚乙烯中混入过氧化物(一般为DCP),在高温下DCP分解形成活性游离基,夺取聚乙烯分子链上的H原子,从而使聚乙烯交联。
RCP交联方式需要在高温和高压氮气下进行。高温是为了促使DCP分解起交联反应,高压氮气是为了防止在交联体中形成大的气泡和过高的水分。交联反应在很长的管道内进行,管道可分为加热段(交联区)、预冷段、冷却段(水或氮气)三部分组成,管道内的氮气压力为0.8~1.5MPa,压力愈高则绝缘体内的微孔愈小。氮气应进行循环处理或排放,以保持清洁程度。
RCP生产方式,其管道一般呈悬链线状态,这主要是考虑电缆的自重。由于中高压电缆的绝缘层较厚,为了不致受重力的影响而产生较大的偏心,通常采用的措施是提高悬链线上端倾斜角,直至将悬链线改制成立式生产线。
RCP交联生产线能够生产220kV等级的交联电缆。这种方法生产效率高,最适宜生产中压电缆,而对于110kV及以上的高压电缆,容易产生绝缘偏心,而且绝缘的微观结构不如硅油交联和长承线模交联法的好。
(5)硅油交联(FZCV)。硅油交联法是为了克服绝缘自重造成的偏心,在管道内充以硅油,以增加浮力,而且硅油不与交联绝缘产生溶胀作用,整个管道内应由硅油加热和冷却,分区循环。
硅油交联生产线比RCP交联生产线短,一般不足100m,用充满加热区高温高压的硅油来实现交联,交联过的电缆通过同一密封器分离成高低温两部分,在冷却区加压冷却,整个压力相同,硅油循环处理使用,出口处用硅油冷冻固化,为了提高热效率,加热和冷却分两个循环区。
硅油交联可以实现大截面超高压电缆的生产,我国已成功地研制出了500kV级的交联电力电缆。硅油交联的用料配方不变,交联原理同RCP。但硅油的价格较高,生产中存在硅油渗漏和处理等问题。
(6)熔融盐交联(PLCV)。熔融盐交联类似于硅油交联(FZCV),只是用熔盐代替硅油,以减少生产过程中绝缘受重力的影响。熔盐价格比硅油便宜,但性能不如硅油好,因此这种方法仅用于生产中、低压电力电缆。
熔融盐交联生产方式的交联管是密封的,并加0.3~0.4MPa的压力,熔盐温度为200~250℃,冷却段也采用加压方式,熔盐段长度约40m,冷却段长度约20m,悬链度可大为降低,甚至可做成直线式。
熔盐是由53%的硝酸钾、40%的亚硝酸钠和7%的硝酸钠组成的无机盐混合物,这种混合物在145~150℃时熔化,直到540℃时性能仍然稳定。熔盐的传热性好,所以生产速度快。产品质量好,生产成本低,耗电量仅为蒸汽连续硫化的15%左右。该工艺多被应用于橡套生产线。
(7)蒸汽交联(SCP)。蒸汽交联制造技术是以橡皮连续硫化技术为背景演化而来的一种最古老的交联方法。该方法是以压力1.5~2.0MPa,温度180~200℃的过热水蒸气为加热和加压媒介,使聚乙烯实现交联。由于聚乙烯的交联过程是在过热水蒸气中完成的,所以这种交联技术属于湿法交联。
在湿法交联中,由于水蒸气在交联管内直接与熔融状态的聚乙烯接触,水分会向绝缘内渗透与扩散。在电缆冷却过程中,绝缘内部的水蒸气达到饱和状态而形成微孔,进而引发树枝放电,这是蒸汽交联方法的致命弱点。因此,现在很少使用湿法交联工艺。
2.挤出方式
交联聚乙烯电力电缆的内半导电屏蔽层、绝缘层和外半导电屏蔽层,分别由三台挤塑机挤出,挤出方式有以下几种。
(1)1+1+1方式。即三层均分别单独挤出。
(2)1+2方式。即内半导电屏蔽层单独挤出,绝缘层和外半导电屏蔽层同时挤出。
(3)0+3方式。即三层同时挤出。
采用多层同时挤出的优点是一次成型,层间结合良好,无污染,但缺点是偏心不易调整。因此也有用无偏心模具,一种规格一副专用模具。采用分层挤出时,偏心容易校正,但表面容易污染,层间结合不紧密。
3.加热方式
加热方式有由交联管直接加热和用加热电缆加热两种。直接加热法利用短路变压器加大电流来加热,要求交联管壁厚不超过3mm,否则电阻太小加热效率低,但管壁过薄,影响机械强度。采用加热电缆时,电缆做成铜管状,里边放电热丝,用氧化镁绝缘,电缆弯成U形,紧贴于交联管外壁,其热效率较好。
交联管壁的最高温度为380~400℃,加热的要求是在10min内把交联管从室温加热到300℃,所以瞬时加热功率较大,一般高温区为20W/m,低温区为10W/m。为了防止交联管的散热损耗,均应安装良好的保温材料,一般交联管的表面温度应在40℃以下。
4.配模
挤出机的模具是由模芯和模套组成,根据模芯和模套的相对位置不同,也可分为挤压式、半挤压式和挤管式三种。由于交联电缆的绝缘品质要求较高,所以应尽可能采用挤压式模具挤制。1+2或0+3挤出方式的机头与模具比较复杂,但其基本原理相同。
模具孔径尺寸的选择大致如下。模芯
φ1=d+δ1
模套
φ2=d+2t+δ2
式中 φ1———模芯孔径,mm;
φ2———模套孔径,mm;d———导体直径,mm;t———绝缘厚度,mm;
δ1———模芯间隙裕度,一般为0.5~1.0mm;δ2———模套间隙裕度,一般为1.0~2.0mm。
5.交联温度与速度
交联温度和速度是工艺中两个重要的参数,在保证产品具有优良的机械性能和电气性能的前提下,力求提高生产速度。正确的工艺温度和速度,可以通过试验来确定。
在选择最快生产速度(即最大硫化速度)时,应权衡绝缘层表面温度及其在这个温度下交联的时间所带来的利弊,即对机械性能和电气性能的影响。对于交联聚乙烯绝缘,如果硫化时间不超过0.5min,则绝缘层温度可以保持在400℃;如果硫化时间为15min,则绝缘层温度可以保持在350℃。
虽然交联聚乙烯绝缘在350~400℃时仍很稳定,但实验和试验表明,在高温和长时间下交联,会对交联绝缘体的性能带来一系列的不利影响。在高温下的交联必须特别慎重,特别是绝缘层厚度大的产品,一般应采用较低温度和较长时间的交联,以确保绝缘性能的稳定性,决不能盲目地追求高速度。
6.交联的基本要求
(1)绝缘无微孔,水分含量低。采用全干式交联和冷却工艺系统,使得绝缘层中的水分含量和微孔降至最低。全干式交联生产线可以采用氮气冷却也可以采用水冷却,水冷却多用于中压电缆的生产系统。全干式交联工艺技术可以应用于悬链式和立式生产线中。
(2)层间界面光滑。电缆绝缘层和内、外半导电层交界面应连续、光滑。尤其在高压和超高压电缆中,任何半导电屏蔽层上的凹凸缺陷,都会导致局部的电场集中,从而加速绝缘老化。因此,在高压和超高压电缆生产中,应选用超光滑的半导电材料。
(3)绝缘同心度高。绝缘的同心度是指导体相对于绝缘层的同轴对称性。由于圆形导体电缆的电场分布为同轴圆柱体电场,所以绝缘层的同轴对称性(即同心度)就显得十分重要。绝缘同心度取决于挤出、交联和冷却各个工艺过程,但无论多么完善的工艺,都无法实现绝对的同心,尤其是悬链式交联生产线。
悬链式交联生产线主要是由于绝缘的重力下垂而导致绝缘的圆整度不够理想,绝缘的下垂程度取决于绝缘硬度(与材料、温度和交联相关),直径比(挤出外径/导体直径),导体的旋转速度。
在交联生产线中,保持电缆同心度可以采取以下措施。1)分料器料路对称,机头温度分布均匀。
2)交联管高温区温度分布均匀,电缆尽量置于交联管道中心位置。3)电缆在交联管道中适当旋转。
4)充分冷却,确保电缆经过转向导轮时不会造成变形。
(4)绝缘杂质含量少。高压和超高压电缆对杂质控制的要求相当严格,必须采用超净绝缘料,全封闭式材料净化处理系统,和超净料的自动落料装置。在挤出时使用高效过滤网,可以过滤掉大于30μm的杂质。
先进的交联设备,在绝缘机头处安装了杂质检测装置,对绝缘层材料进行连续扫描,将绝缘层内的杂质大小、数量、位置和距离全部记录下来,便于质量控制与分析。
(5)绝缘内部机械应力小。减小绝缘内部机械应力的措施有以下两种。
1)采用在线松弛装置。将冷却后的绝缘再加热到一定的温度,以消除热应力。采用该装置后,可使高压电缆和超高压电缆的击穿电压提高,减小绝缘的收缩量,改善电缆的质量。
2)改善交联工艺。适当降低绝缘表面交联温度,加长预冷管长度,稳定生产速度,使绝缘缓慢冷却,并向导体中心收缩,产生绝缘与导体间的压力和绝缘与导体间位移的摩擦力。如果预冷段过短,绝缘冷却过快,电缆绝缘向绝缘中心收缩,使绝缘与导体间产生应力。
(6)除净绝缘层中的气体。电缆绝缘在交联反应过程中,会产生一些低分子气体,在流入下道工序之前,应除净气体,否则会引起胀气现象。绝缘线芯的除气处理,对于35kV及以下的较薄绝缘层,在常温下放置几天即可,对于110kV及以上的较厚绝缘层,常温下气体的逸出与挥发速度很慢,应在绝缘线芯下线后送入烘房,以提高除气的速度与效果,从而缩短生产周期,提高生产效率。
六、成缆
将多根绝缘线芯按一定的规则绞合成电缆的工艺过程叫成缆。绝缘线芯直径相同的叫
对称成缆,否则叫非对称成缆。实际生产中,成缆包括两道工序,即线芯(填充)绞合和绕包带层。
1.成缆节距比
表157
成缆节距比范围
成缆节距的长度与成缆直径的比值为节距比,这是成缆工序控制的一个主要指标,成缆节距比范围见表15
7。
在节距选择时,一般绞合线芯截面愈大,则成缆节距比应愈小;小截面电
缆节距比可选为70~80,因为大截面电缆成缆机械应力很大,若节距比过大将使柔软性降低,不易稳定。
为保证成缆结构的稳定性和成缆后不产生蛇形,应选择较小的成缆节距。圆形XLPE电缆成缆节距比宜选择为25~30,扇形PVC电缆成缆节距比宜选择为40~60。
2.成缆方向
考虑到电缆安装、敷设、中间接头的方便,统一规定成缆的方向为右向。
3.填充
绝缘线芯在成缆后要得到圆整的电缆,必须填充绝缘线芯间的空隙。填充材料主要有:塑料绳、塑料管、塑料条、聚丙烯撕裂膜、石棉绳等。
4.成缆质量控制
塑料绝缘电力电缆绕包的铜带及成缆绕包带,要求绕包平整、紧实、无折叠、打绺、起兜等现象。塑料绝缘电力电缆的不圆度(同一截面上的最大直径与最小直径的差除以最大直径)一般应不超过15%。
5.配模
绝缘线芯在成缆时受到很大的扭力(将产生内应力),为避免过度变形而造成绝缘损伤,成缆一般采用多模来完成。
(1)第一道压模孔径比成缆直径大1.0~2.5mm,只起合拢作用。注意不要使扇形翻身。
(2)第二道压模孔径比成缆直径小0~0.6mm,起第一次紧压作用。
(3)第三道压模孔径比成缆直径小0~0.4mm,起定型作用。包带与包带模的距离愈短成缆愈紧密。
配模的松紧是否合适,可用以下方法检查:(1)电缆在模内不摆动,用手转线芯无松感。
(2)压模与绝缘线芯摩擦产生热量,用手摸压模应不烫手。
(3)绝缘线芯出压模的表面质量应无拉焦、挤、压、划伤痕迹。
七、装铠
电力电缆的铠装有两种形式,即金属带铠装和金属丝铠装。金属带主要有镀锌或涂漆钢带,以及非磁性的铝或铝合金带。金属丝主要有钢丝、镀锌钢丝,以及非磁性的铜丝或
镀锡铜丝,铝或铝合金丝。
在选择铠装材料时,尤其是铠装作为屏蔽层时,应特别考虑腐蚀的可能性,这不仅是为了机械安全,也是为了电气安全。用于交流系统的单芯电缆的铠装应采用非磁性材料,否则,即使采用了特殊结构,电缆的载流量仍将大为降低,应特别谨慎选用。
1.金属带铠装
钢带铠装是用两层厚度为0.2~0.8mm,宽度为20~60mm的钢带,采用间隙式绕包在电缆内衬层的表面上。使用的钢带一般为涂漆钢带或镀锌钢带,钢带的抗拉强度应大于
295MPa,伸长率不小于20%。
金属带铠装应螺旋间隙绕包两层,使外层金属带的中线大致在内层金属带的间隙上方,包带间隙应不大于带宽的50%。
金属带接头处应剪成45°的斜口,斜口经绕包应与电缆轴向平行,接头处重叠3~10mm并焊接牢固,接头应平整、牢固,接头边缘不得有毛刺、尖角翘起等现象。另外,金属带复绕应紧密,并剔除有夹杂、毛刺、砂眼、锈蚀缺陷的金属带。
金属带的绕包方向为左向。
金属带绕包张力的控制原则是:满盘时张力最大,否则金属带易飞出;半盘时应调松,否则会拉坏电缆或造成金属带卷边以致压伤电缆。
2.金属丝铠装
铠装用的钢丝使用低碳钢轧制而成的镀锌钢丝。钢丝的直径一般为φ0.8~φ6.0mm,钢丝的抗拉强度为340~490MPa,伸长率为不小于10%。涂塑钢丝是在镀锌钢丝上挤包或用沸腾法涂敷上一层塑料护层,护层的厚度通常为0.4mm以上,护层材料有聚乙烯和聚氯乙烯。
金属丝的铠装过程与导体线芯的绞合过程差不多。为了提高电缆的柔软性和避免电缆弯曲时金属丝发生变形,金属丝的绞合节距应尽量小些,在实际生产中圆金属丝的绞合节距比为10~12之间,扁金属丝的绞合节距比为8~10之间。
金属丝绕包必须排列紧密、整齐,不得有跳浜、重叠,不应有大于一根金属丝直径的间隙,若有金属丝凸起或有大于半根金属丝直径的间隙时,可用调节金属丝绕包节距的办法加以调整。必要时,可在金属丝铠装外疏绕一条最小标称厚度为0.3mm的金属带。
金属丝铠装的绞合方向为左向。
金属丝接头应对准中心,接头要平整、牢固,焊接处需反复弯折检查,以防虚焊。复绕金属丝时,排线应平齐,不允许排成塔形或鼓形。
金属丝盘的张力应随时检查,各线盘的张力应均匀一致,不得有过松或过紧现象出现。