CN100498981C - 缆式热电偶测温电力电缆及其制作工艺方法 - Google Patents

Abstract

缆式热电偶测温电力电缆及其制作工艺方法，属于电缆技术领域。该电缆设有在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和三根分别在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆。将测温元件包裹绞合在电力电缆三相线芯的中间构成缆芯，在缆芯的外表面挤包聚氯乙烯外护套。本发明结构合理简单，生产制作容易，工艺先进，成本低，产品使用操作性能好。测温元件可以在电缆过载，温度升高时，达到感应高温的目的。有利于对电缆温度进行在线检测，随时了解电缆的温度变化，及时发现电缆故障并进行报警，避免事故发生。

Description

缆式热电偶测温电力电缆及其制作工艺方法

技术领域

本发明涉及一种能够方便测温的电力电缆的结构和该电缆的制造工艺方法，属于电缆技术领域。

背景技术

现有的电力电缆种类很多，一般由导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、铜带屏蔽、阻燃层和外护层等组成。例如专利号为02264084.3的一种新型阻燃电力电缆，有很好的阻燃防火性能。但是，随着机组容量的增大，自动化水平相应提高，电缆用量越来越多。一台200MW发电机组，各类电缆长达200～300km。某电厂一期工程2台500MW超临界参数发电机组，电缆用量达3000km。由于电缆长度增加，其火灾事故的发生几率也相应增加。

火力发电厂一旦发生电缆火灾，将造成严重损失。目前在建和运行中的火力发电厂，大多仍采用易燃电缆，电缆防火问题尤为突出。

美国在1965～1975年统计的3285次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就占30.5％，直接损失约4000万美元。

日本曾对电力、钢铁、石油化学、造纸等工厂企业调查，有78％的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占40％。

据有关资料统计，近20年来，我国火电厂发生电缆火灾140多次，其中1986～1992年7年间竟达75次。有24个电厂发生过2次及以上电缆火灾事故，个别电厂达4～6次。70％以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中40％的火灾事故造成特大损失。1975～1985年间，因电缆着火延燃造成的重大事故发生60起，造成直接和间接损失达50多亿元。

由电缆故障引起的火灾导致大面积的电缆烧损而被迫停机，短时间内无法恢复生产，从而造成重大经济损失。通过事故的分析，引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间接头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行造成的电缆头过热烧穿绝缘等。

通过多次事故分析发现，电缆沟内火灾的发生主要原因是由于动力电缆中间接头制作质量不良所造成的，而从电缆头过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢、时间较长，通过电缆在线监测系统完全可以防止、杜绝此类事故的发生。

电缆中间接头的压接质量好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故，统计表明建厂10年后的发电厂，基建时制作的电缆头90％以上均因质量不良引发故障而更换。

目前常用的电缆温度监测方法有：

感温电缆式测温系统：将感温电缆与电力电缆平行安放，当电力电缆温度超过固定温度值时，感温电缆被短路。系统仅能一次性使用，不能测出电缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏；不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析。

热敏电阻式测温系统：可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验，因此也不常采用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述情况，研制开发出一种便于对电缆温度进行在线检测和了解电缆的温度变化，及时发现电缆故障的缆式热电偶测温电力电缆及其制作工艺方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一、缆式热电偶测温电力电缆，包括导体、绝缘、内外屏蔽和外护套，其特征是电缆设有在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和三根分别在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，测温元件包裹绞合在电力电缆三相线芯的中间，聚氯乙烯外护套设置在测温元件和电力电缆构成的缆芯的外表面。所述的紧压绞合铜线导体的断面为大于25mm²圆形。

二、缆式热电偶测温电力电缆，包括导体、绝缘、内外屏蔽和外护套，其特征是电缆设有在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和三根分别在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，测温元件包裹绞合在电力电缆线芯的中间，聚氯乙烯外护套设置在测温元件和电力电缆构成的缆芯的外表面。

三、缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是将先预制的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，在成缆机上进行同心式绞合成一根测温元件包裹在电力电缆三相线芯中间的缆芯，在缆芯的外表面挤包聚氯乙烯外护套。所述的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层，是把NTC材料以粉末形式灌进铜内导体和铜镍合金外导体之间构成NTC金属氧化物半导电层，然后在拉拔机上拉制成一定直径的测温元件芯，再在拉制的测温元件芯上挤包一层聚四氟乙烯绝缘层。所述的在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层，是在将单线直径为1.0mm～3.0mm铜线经绞线机紧压绞合的断面大于25mm²的圆形导体外表面上，用三台挤出机同时挤包交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层和交联半导电外屏蔽层，在外屏蔽层上绕包铜带金属屏蔽层。

四、缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是将先预制的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，在成缆机上进行同心式绞合成一根测温元件包裹在电力电缆三相线芯中间的缆芯，在缆芯的外表面挤包聚氯乙烯外护套。所述的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层，是把NTC材料以粉末形式灌进铜内导体和铜镍外导体之间构成NTC金属氧化物半导电层，然后在拉拔机上拉制成一定直径的测温元件芯，再在拉制的测温元件芯上挤包一层聚四氟乙烯绝缘层。所述的在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层，是在将单线直径为1.0mm～3.0mm铜线经绞线机紧压绞合的断面大于25mm²的圆形导体外表面上，用挤出机挤包交联聚乙烯绝缘层，在交联聚乙烯绝缘层上绕包铜带金属屏蔽层。

本发明的电力电缆与测温元件的设计，保证成缆时，测温元件的尺寸与电力电缆能很好地进行同心绞合，电力电缆制造都必须符合国家有关标准，其结构尺寸只依据规格而变化，不可作尺寸调整，所以测温元件的设计就成了关键，如其设计尺寸偏大，成缆时它们之间就会互相挤压甚至于造成损坏，而且保证它们之间配合稳定；另一方面，如果测温元件结构尺寸偏小，同样会引起它们之间的不稳定配合，特别是测温元件会出现滑动。

测温元件的材料选择和灌装、拉拔工艺，与一般的矿物绝缘电缆的绝缘层不同，本发明的测温元件内外导体之间采用NTC金属氧化物，其性能是：在一定温度范围内，材料电阻与温度的升高成反比，这样就可以在电缆过载，温度升高时，内外导体产生的电流能很好的导通。一般情况下，NTC材料在300℃以下都能稳定的工作，为了保证内外导体与NTC工作温度相适应，选用“T”型热电偶作热电导体，当电缆出现局部过热时，它会感应出电动势，从而达到感应高温的目的。当材料选定后，其生产工艺就成了关键技术，一般情况下，与矿物绝缘电缆生产一样，可以采用瓷柱装配，但由于市场上购买的NTC瓷柱密度特别大，硬度也特别大，很难实现拉拔，所以，先把NTC瓷柱碾成粉末，再进行灌装，在灌装生产中控制偏差在3％以内，从而很好地满足了设计要求。

缆式热电偶测温电力电缆，电力传输是主要功能，所以该电缆的主要部分为电力电缆部分，为了保证电力的有效、安全的传输，电力电缆完全按照相应国家标准，其中包括电缆的导体、绝缘、内外屏蔽、护层等结构、尺寸严格按照相关国家标准生产，但同时，为了保证把测温元件能绞入进去，电力电缆的导体采用25mm²以上的紧压绞合铜线圆形导体，而且，为了保证电缆在运行过程中电缆相导体的电磁平衡，我们采用同心绞合，并在每根相导体上绕包金属铜带作为屏蔽层，以防止运行过程中对测温元件的电磁干扰。

测温元件报警功能，由于电缆在运行过程中，有时不可避免地会出现局部过热，最终导致电缆故障或丧失电力传输功能，因此，及时预报过热就显得尤为重要，为了解决这一技术问题，采用热电偶来做为测温元件。所谓热电偶就是采用热电效应进行温度测量的测温元件，如图4所示，将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同(T0≠T)，则在两导体间产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。根据上述原理，我们采用铜作内导体，康铜作为外导体，它之间构成“T”热电偶，同时为了保证在温度升高后，内外导体之间以NTC金属氧化物做为其连接部分，NTC的工作原理是：在温度升高时，其电阻降低，这样，就能有效地保证感应点的电流传输。

本发明构思新颖，选材科学，结构合理，生产制作工艺先进简单、容易，成本低，产品使用操作性能好。测温元件采用铜作内导体，铜镍合金作外导体，采用NTC(负电阻温度系数)金属氧化物作半导电层，测量温度达300℃，内、外导体构成T型热电偶。在一定温度范围内，NTC材料电阻与温度的升高成反比，这样就可以在电缆过载，温度升高时，内外导体产生的电流能很好的导通。一般情况下，NTC材料在300℃以下都能稳定的工作，为了保证内外导体与NTC工作温度相适应，选用“T”型热电偶作热电导体，当电缆出现局部过热时，它会感应出电动势，从而达到感应高温的目的。测温元件包裹在电力电缆中间进行同心式绞合，有利于对电缆温度进行在线检测，随时了解电缆的温度变化，及时发现电缆故障并进行报警，提醒工作人员进行维护，避免事故发生。

附图说明

图1所示为本发明的缆式热电偶测温电力电缆的结构示意图；

图2所示为本发明的测温元件的结构示意图；

图3所示为本发明的缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法流程图；

图4所示为本发明的测温元件的热电偶原理示意图；

图中：1导体、2内屏蔽层、3绝缘层、4外屏蔽层、5金属屏蔽层、6测温元件、7外护套、8内导体、9半导电层、10外导体、11护层、12拉丝、13绞合、14(内屏蔽)、绝缘、(外屏蔽)挤出、15绕包铜带、16清洗、烘干、17装配、18拉拔、19挤包聚四氟乙烯、20成缆、21挤包聚氯乙烯。

具体实施方式

一、缆式热电偶测温电力电缆，由铜内导体8、铜镍合金外导体10、NTC金属氧化物半导电层9和聚四氟乙烯绝缘护层11构成测温元件6。铜内导体8为线状，铜镍合金外导体10为管状，铜内导体8串套在铜镍合金外导体10内，铜内导体8与铜镍合金外导体10之间设置NTC金属氧化物半导电层9。在铜镍合金外导体10外表面挤包聚四氟乙烯绝缘护层11。在断面为25mm²的圆形紧压绞合铜线导体1外表面挤包交联半导电内屏蔽层2、交联聚乙烯绝缘层3和交联半导电外屏蔽层4，在外屏蔽层4上再绕包铜带金属屏蔽层5构成6kV以上的电力电缆。在紧压绞合铜线导体1外表面仅挤包交联聚乙烯绝缘层3和绕包铜带金属屏蔽层5构成6kV以下的电力电缆。将测温元件包裹在三根6kV以上电力电缆的中间同心绞合成缆芯，在缆芯上挤包聚氯乙烯外护套7构成6kV以上等级的缆式热电偶测温电力电缆。将测温元件包裹在三根6kV以下电力电缆的中间同心绞合成缆芯，在缆芯上挤包聚氯乙烯外护套7构成6kV以下等级的缆式热电偶测温电力电缆。

二、缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法

(一)、电力电缆制造

1、将已退火的铜杆(一般直径为φ8.0mm)进行拉丝，经拉丝机拉制成单丝直径为1.0mm～3.0mm的小规格单线，对拉制的单线进行退火；

2、根据一般导体截面不小于25mm²的工艺要求，选择退火后的单线直径在φ1.0mm～φ3.0mm若干根，采用54B(或6B、30B、61B)绞线机进行紧压绞合，制成截面为25mm²紧压绞合铜线导体1。

3制造电力电缆，6kV及以上的电力电缆，采用三层共挤法，用三台挤出机在紧压绞合铜线导体1上分别挤包交联半导电内屏蔽层2、交联聚乙烯绝缘层3、交联半导电外屏蔽层4，在外屏蔽层4上绕包铜带金属屏蔽层5。6kV及以下的电力电缆，用挤出机在紧压绞合铜线导体1上挤包交联聚乙烯绝缘层3、在交联聚乙烯绝缘层3上绕包铜带金属屏蔽层5。

(二)测温元件制造

将线状铜内导体8、管状铜镍合金外导体10，用弱酸或弱碱溶液进行清洗、烘干16后进行装配17，即：铜内导体8串套在铜镍合金外导体10内，在铜内导体8与铜镍合金外导体10之间灌进粉末状的NTC金属氧化物半导电层9。然后，在拉拔机上进行拉拔18制成设计直径的元件，在拉拔后的元件上挤包聚四氟乙烯19绝缘护层11。

(三)、成缆

在成缆机上将一根测温元件包裹在电力电缆三相线芯中间同心式绞合成缆芯，在绞合成缆20的缆芯外表面挤包聚氯乙烯21外护套7，制作好合格的缆式热电偶测温电力电缆。

缆式热电偶测温电力电缆的制作，涉及到电力电缆和测温元件，根据电力电缆的组合尺寸，来确定测温元件的最大外径，并且让电力电缆绕着测温元件进行成缆，这样，就可以：(1)保证相线芯间的电磁平衡，防止电缆运行时出现某相导体过载现象，并能有防止对测温元件的电磁干扰；(2)保证结构紧凑，不会增加电缆外径，使得电缆从外观上看来与普通电力电缆没有什么两样，有利于节支降耗；(3)有效实现了电缆运行高温报警，由于测温元件与所有电力电缆相互接触，所以可以监测电缆各相线芯运行情况。

缆式热电偶测温电力电缆采用缆式热电偶做测温元件，使得电缆具有了：(1)无需外加检测电源，由于热电偶是利用热电效应来进行工作，当其一端温度高于其它部分时，它会自动产生感应电流，只需把感应电流通过补偿导线接到相应的测试仪器，就可通过电流变化情况而观察到电缆的运行情况；(2)由于采用缆式结构，可以有效地连续监测整根电缆的温度变化情况，当整根电缆温度各点变化不一样时，能捕捉到温度变化最大的一点；(3)如果在电缆的两端都进行接收，就可以根据捕捉到的两端间电流差异进行精确定位。

缆式热电偶测温电力电缆的测温元件，采用NTC金属氧化物半导电材料，使缆式热电偶测温电力电缆成为一种火灾报警传感器，使电缆具备了：1)可以任意设计报警温度，在电缆允许的工作温度内，可以任意更改报警温度，使电缆适用性增强；2)可重复利用强，由于电缆工作原理不是熔化，而是根据半导电层的电阻温度变化来工作，所以，在一次报警工作后，无需维护，即可重新使用；3)由于NTC本身是一种感温材料，所以电缆除了可作火灾报警用外，还可应用需要温度测量的地方，增加电缆的应用范围，使得电缆不但可以作为火灾报警探测器来使用，还可作为温度传感器来使用。

为了保证电缆工作能真正的重复利用，采用聚四氟乙烯耐高温材料做绝缘层和护层，聚四氟乙烯其最高长期工作温度为260℃，且不燃烧，使得电缆具有：1)良好的阻燃性能，增强了电缆在火灾环境下的使用寿命；2)良好的耐热性能，提高了电缆在长期高温下的工作寿命和稳定性。

Claims (7)

1、一种缆式热电偶测温电力电缆，包括导体、绝缘、内外屏蔽和外护套，其特征是电缆设有在铜导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和三根分别在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，测温元件包裹绞合在电力电缆三相线芯的中间，聚氯乙烯外护套设置在测温元件和电力电缆构成的缆芯的外表面。

2、根据权利要求1所述的缆式热电偶测温电力电缆，其特征是所述的紧压绞合铜线导体的断面为大于25mm²圆形。

3、一种缆式热电偶测温电力电缆，包括导体、绝缘、内外屏蔽和外护套，其特征是电缆设有在铜导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和三根分别在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，测温元件包裹绞合在电力电缆三相线芯的中间，聚氯乙烯外护套设置在测温元件和电力电缆构成的缆芯的外表面。

4、一种缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是将先预制的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，在成缆机上进行同心式绞合成一根测温元件包裹在三根电力电缆中间的缆芯，在缆芯的外表面挤包聚氯乙烯外护套，所述的设置NTC金属氧化物半导电层是把NTC材料以粉末形式灌进铜内导体和铜镍合金外导体之间构成。

5、根据权利要求4所述的缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是所述的在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、交联半导电外屏蔽层、铜带绕包金属屏蔽层，是在将单线直径为1.0mm～3.0mm铜线经绞线机紧压绞合的断面大于25mm²的圆形导体外表面上，用三台挤出机同时挤包交联半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层和交联半导电外屏蔽层，在外屏蔽层上绕包铜带金属屏蔽层。

6、一种缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是将先预制的在铜内导体外表面依次设置NTC金属氧化物半导电层、铜镍合金外导体和聚四氟乙烯绝缘层构成的测温元件和在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层构成的电力电缆，在成缆机上进行同心式绞合成一根测温元件包裹在电力电缆三相线芯中间的缆芯，在缆芯的外表面挤包聚氯乙烯外护套，所述的NTC金属氧化物半导电层是把NTC材料以粉末形式灌进铜内导体和铜镍合金外导体之间构成。

7、根据权利要求6所述的缆式热电偶测温电力电缆的制作工艺方法，其特征是所述的在紧压绞合铜线导体外表面依次设置交联聚乙烯绝缘层、铜带绕包金属屏蔽层，是在将单线直径为1.0mm～3.0mm铜线经绞线机紧压绞合的断面大于20mm²的圆形导体外表面上，用挤出机挤包交联聚乙烯绝缘层，在交联聚乙烯绝缘层上绕包铜带金属屏蔽层。

Images