电力电缆制造工艺
时间：2014-10-24 阅读：502
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：通过离线加热把过氧化物副产物去除，这通常是HV或EHV电缆的基本工序，但也是经常用于中压海底电缆；
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，因此拉丝后的线材通常必须加热以获得适当的物理性能，这个工艺叫退火。退火可以通过感应加热过程实现。在这个过程中，通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。此外也可以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。
绞合导体是通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zui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，尤其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。*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（通常是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善。
1＋2三层挤出在其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。但是在这个工艺中，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*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，但管道内可以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可以离开硫化管的温度。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。在其他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。这样可以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。通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*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，可以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线上可以生产绝缘厚度zui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。通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。通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线可以用来生产绝缘厚度zui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线通常只用于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。但是生产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，所以氮气是的媒质。
长承模连续硫化（MDCV）
在MDCV工艺中，硫化管是在挤出机后水平布置的。与CCV和VCV线不同的是，硫化管中不需要使用氮气来加热和硫化电缆。MDCV工艺要求模具的外径等于电缆外径，因此电缆可以充满管道和模具。把聚合物加热到熔融态以及以及进行交联时，产生的热膨胀造成的压力阻止了微孔的生成。
与CCV工艺相比，由于电缆被模具全部封套，MDCV工艺没有下垂的问题。但是，在聚合物熔融而没有交联时，保证导体中心位置非常重要。中心位置的保持，可以通过对一短段电缆施加很大的张力，使电缆处于真正的水平位置而达到。这也降低了对长冷却管的需求。也可以使用特殊的高粘度聚合物。这些特殊的方法通常用于1000mm2以上的导体。MDCV仅用于生产HV和EHV电缆。
3.2 挤出－湿法交联工艺
在湿法交联工艺中，采用同CCV生产线上把经过硫化的过氧化物混合物挤出到导体上的相似方法，把绝缘线芯的混合物挤出到导体上，但不用随后通过高温高压的硫化物。与之相反，挤出后立即用水冷却电缆。把电缆卷绕到线盘上后，放入到较高温度（约70~75℃）和温度的房间或者水浴中来完成交联。湿法交联只有在不存在以及有合适的催化剂的条件下才能发生，因此它*没有过氧化物交联工艺的热激发的预硫化等情况出现。过氧化物交联工艺中，挤出停车和过于精细的滤网都会导致焦烧。特别是用硅烷作为交联剂的聚合物。在电力电缆制造中，湿法交联的挤出机更适合使用滤网（100~200μm孔径）,而且适应于停车时没有过氧化物那种材料焦烧的危险。
3.3 硫化－概述
在过氧化物硫化工艺中，通过在钢质的硫化管内施加循环的高温、高压、通常是干燥的氮气来产生热和压力。氮气的温度量级为300℃到450℃，压力是10kg/cm2。高温导致了过氧化物反应形成交联网状结构。在60m之后，表面温度迅速降低到接近室温，但是导体温度的下降十分缓慢。高压促使交联过程中释放的气体保留在熔融态聚合物中，从而避免了产生微孔。这些微孔能产生局部放电以及使电缆绝缘性能快速下降。在绝缘*固化离开CV硫化管前，都必须保持压力。
湿法交联和过氧化物交联工艺各有利弊。过氧化物交联需要高且长的厂房来安置交联线，还需要配备气体加热和压力设备。使用湿法交联生产电缆制造成本相对较低，因为厂房成本和能耗较低。对于生产多种不同规格短段电缆厂来说，湿法交联工艺生产线相对较短的长度是一个特别的优点，因为在从一种规格到另一种规格的转变过程中，所产生的废料zui少。
过氧化物交联工艺使用的半导电材料不能用于湿法交联工艺，因为存在过氧化物交联剂。用于湿法交联的半导电料必须小心制造，导电碳黑须仔细选择，以确保良好的加工和交联。对于湿法交联的电缆，可剥离和粘结型绝缘屏蔽都是可行的。
湿法交联工艺与过氧化物交联工艺相比的另一个可能缺点，是瞬时生产量低。因为在高温度房间内，所需停留的时间将导致工艺中啬很多工作，降低整个制造过程的速度。但是，它能够避免焦烧以及在生产中快速改变电缆规格等诸多优点会弥补上述不足。电缆绝缘厚度的增加会大大增加交联时间。在给定条件下的交联时间是绝缘厚度平方的函数。
湿法交联完成之后，电缆绝缘层通常会存在非常少量的水分（10~120ppm）。与CCV生产线上使用高压蒸汽交联中产生的极大量水分（1000到5000ppm）相比，这是有趣的。
4 冷却
在过氧化物交统中，电缆在离开压力氮气或蒸汽交联管之后还须进一步冷却。zui常见的是在电缆上线盘之前，在压力条件下用流动冷水进行冷却。冷却程度由出口处导体和绝缘层的温度共同决定。一般情况下，线芯装盘之前二者的温度都要低于70℃。在某些情况下，输电用的电缆使用气体冷却，而不是用水冷却。这需要降低线速，但使水分进入绝缘层的几率减到zui小。
电缆冷却必须逐渐由交联温度降到略高于室温。如果电缆降温太快，绝缘聚合物内会“锁定”机械应力，这能导致电缆安装后产生绝缘收缩的问题。
与电缆设计有关，无论是交联工艺（不充足的交联时间）还是冷却时间（不充足的冷却时间）都会限制线速，认识到这一点非常重要。解决交联和冷却限制点的普遍切实的一种方法是使用且有*交联速率的绝缘材料和半导电屏蔽料。对于CV生产线，通过将交联和冷却限制点从5.5mm至9mm，可极大地提高生产力。
5 除气
所有过氧化物交联的电缆都会有一些分解副产物残留在其结构中。这些副产物会影响到电缆的性能。副产物有关的问题可能包括：
气压会导致电缆预制附件移位变形，如弹性体终端（EPR或硅橡胶）和接头等。
电介质损耗增加，除气工艺可使高压电应力电缆的介质损耗减小到3个量级。
气压会使金属箔护层变形，金属箔断裂或者电气接触间断。
掩盖生产缺陷，致使将来使用中出现故障－高压下含有气体的孔洞或者屏蔽缺陷在正常例行试验条件下不一定会显示局部放电。
应该注意的是：电缆绝缘芯在使用一段时间后会将气体释出。但这种积极的效果在短期会消散，所以提前处理电缆副产物和除气问题。ANSI/ICEA 649[3.7]标准中要求所有的中压电缆生产之后在厂内放置7天来自然去除气体，然后再进行例行试验。
输电级电缆增加的绝缘厚度，意味着自然去除气体必须增添高温除气工序。在室温下即使很长时间的去除气体也是无效的。在金属护层生产前应采取上述措施进行除气。
升高处理温度可以减少除气时间。温度范围一般在50~80℃之间，zui常用的就是60~70℃。在电缆的除气工序中，要极度小心确保不损伤电缆线芯，这一点非常重要。实践已经表明，伴随着的绝缘热膨胀、软化，会导致“扁平电缆”或破坏外半导电屏蔽层，从而损伤绝缘线芯。这些损伤会直接导致例行电气试验的失败，抵消了除气工艺的益处。因此，随着电缆重量增加，除气温度通常需要适当降低。
采用副产物含量小的绝缘材料是解决副产物/除气问题的一个非常好的方法。是zui初浓度的减少使得除气的负担降低。实际上，利用以下两个等效方法可以降低这种负担：
A） 可以降低温度，以减少绝缘线芯损伤的风险，并降低能耗；
B）根据不同的电缆尺寸，除气时间可以减少25%~35%；
6 中性导体和金属屏蔽
电缆的金属外护套和绝缘外护套一般都是在电缆芯成型后再加上去。这道工序总量和挤出/交联/冷却的过程相分离。有多种金属屏蔽的类型可应用于MV或HV电缆设计中。同心包覆圆线、扁带状金属外护套，以及铜带金属屏蔽等是常见的应用。
在使用同心屏蔽时，有两个重要因素需要考虑到：1）同心屏蔽要紧密地包在绝缘线芯周围，但是不能过紧。若是过紧，可能就会陷到绝缘线芯中而破坏电缆。虽然屏蔽必须要能够适应绝缘线芯受热后的膨胀，但若是包得过松，屏蔽线会扭结或皱起而穿透外护套。在挤出外护套时，若屏蔽太松散，外护套会流到屏蔽下面。所有这些总量都是人们不希望发生的，必须避免。2）在使用同心屏蔽时要选择合适的绞合系数（单位长度上螺旋圈数）。若每单位长度的电缆转数过多就会造成材料的浪费和金属屏蔽不必要的高阻抗。而电缆的转数过少，金属屏蔽就会让电缆在卷绕到线盘或安装使用时不能适当弯曲。某些用户使用纵包皱纹铜带屏蔽。纵包皱纹铜带屏蔽有一定的重叠部分，有时会在其间涂敷胶粘剂以防止水气侵入。合适的重叠对这些屏蔽带子是非常重要的。皱纹与皱纹之间在重叠处应对齐。所有阻水带和复合材料都不能起皱或扭转，否则会降低其使用效果。
输电级电缆几乎都要有一层实体金属护套，例如焊接的皱纹铜套、挤出的皱纹铝套、售出的铅套、或者胶合的铜箔或铝箔护层。金属箔复合层有时会和圆铜线或扁铜带一起使用。当使用各种制造工艺生产这些屏蔽时，zui重要的因素有以下几点：
1）当电缆弯曲时屏蔽不能开列；
2）屏蔽要形成*的密封，焊接处不能出现针孔；
3）金属屏蔽（金属箔、金属套、金属线等）和电缆绝缘屏蔽之间必须保持良好的电气接触。
7 绝缘外护套
有许多不同的混合料用于电缆绝缘外护套，这些材料可以用加压挤出或者较松地“套”到电缆上。在大多数情况下，外护套的加工独立于其他制造工序，差不多总是zui后一道工序。如不考虑生产技术，外护套加工过程有三个重要的方面要注意：
1）外护套必须满足电缆规定的zui大和zui小厚度的要求；
2）冷却方法不能造成机械应力。通常都是让电缆通过长的流动水的冷却槽来实现，水槽的水温经过仔细选择。如果护套冷却过快，可能容易产生开裂和/或收缩。这对早期的单峰HDPE和MDPE材料很重要，但对由多模态工艺生产出的材料来说总量少得多。
3） 带有绝缘外护套的电缆必须要经过火花试验，一般在护套冷却后电缆绕到线盘之前进行该试验，这是为了确定护套上没有针孔或缺漏。在火花试验中，确保电缆的金属屏蔽接地很重要。