CN1072629A - 电缆的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种与绝缘的或有防护层导体或类 似物的工艺过程有关的方法，其中塑料材料在导体 (1)的表面上至少被挤压成一层，由塑料材料(2，3，4) 覆盖的导体以一个预定方式被冷却。为了避免由塑 料材料的收缩引起的问题，在导体(1)和与其相邻的 塑料材料在绝缘和防护层工艺过程中冷却到一个预 定程度以后，塑料材料的表面层和与其相邻的塑料材 料部分在一个充有一种介质的加热区间中被重新加 热到一个预定的温度。

Description

本发明涉及一种方法，在该方法中塑料材料在一个导体或类似的导体表面上被至少挤压成一层，并且由塑料材料覆盖的该导体及类似导体与绝缘及防护层工艺过程有关地以预定方式进行冷却。
在电缆的生产中，在从熔点温度到室温过渡过程中由于塑料材料、例如聚乙烯单位体积大的变化，将出现很多问题。这是由于单位体积大的变化是在电缆中产生不利收缩现象的原因，它导致了围绕着导体的塑料层被缩小，而且在电缆中引起了扩张和端部的问题。通过给已制成的电缆和绕在一个卷筒上的导体施加一个热处理，明显地减少了收缩效应，于是有一个问题是，由于当电缆绕在卷筒上弯曲着时释放了应力，所以当电缆被伸长时又会产生另外的应力状态。绕在一个卷筒上的电缆的热处理也需要许多时间，至少2天至3天，同时也需要许多能量。
本发明的目的是提供一种方法，该方法能消除现有技术中的不利因素。这是利用根据本发明的一种方法来达到的，其特征在于：导体和与其相邻的塑料材料在绝缘与防护工艺过程中冷却到一个预定的程度以后，塑料材料的表面层和与其相邻的塑料材料部分在一个充满一种介质的加压区间中被重新加热到一个预定的温度。
本发明的主要优点是，上面提及的收缩问题能在很短的时间内被消除，并且比现有技术中使用的能量消耗低的多。一个在能量消耗方面获得节省的例子是，当使用根据本发明的方法时，一个专门电缆的热处理需要大约32kwh/km的能量。当使用现有技术对一个绕在一卷筒上的电缆热处理时，如果该电缆的温度从20℃上升到100℃能量损耗大约是46kwh/km。此外，大量的能量在加热电缆卷筒和在热处理区间的损耗中被消耗掉。本发明另一优点是：与现有技术相反地，代替绕在卷筒上的电缆，根据本发明的热处理是在伸直的电缆上进行的。
下面将通过在附图中所示的实施例更加详细地描述本发明，附图为：
图1：表示一个高压电缆的一个绝缘后的导体的典型截面图;
图2：表示当电缆导体进入到工艺过程的冷却步骤时，不同参数的变化的一曲线图;
图3：表示当应用根据本发明的方法时，在图2中参数变化的曲线图;
图4：表示当温度降到20℃时，从图2和图3中计算得到的塑料材料层的直径与实际直径相比较的曲线图。
图1表示了一个高压电缆的一个绝缘导体的典型横截面图。在导体1的周围设置了一个薄的半导电塑料层，即一个导体防护层2。该导体防护层2由一个绝缘层3所覆盖，并且在最外层还包括了一个相当薄的半导电电晕防护层4。制成的电缆进一步包括数目不等的不同层，然而这些不同层在现有技术中是公知的，并且就这一点论它们不直接涉及到本发明。在此将不详细地描述这些不同层。在中压和高压电缆中的导体上的塑料层的厚度例如是在从5到35mm的范围内变化。一种广泛使用的绝缘材料是交联的或热塑的聚乙烯。
在导体1上的层2至4是在一个所谓的三重挤压头中在该导体上同时被挤压成型，通常由三个分离的塑料挤压机为导体提供用于不同层的塑料材料。当使用交联的绝缘材料时，为了避免在塑料挤压机中一个不适时的交联反作用，该塑料的最大挤压温度大约为140℃。为了减少反作用时间，绝缘材料在塑料挤压机后面一般被加热到大约190°到210℃范围的一个温度上。加热一般是借助于在一个加压管中的蒸汽或热辐射来进行的。压力的需要是为了防止由在交联反作用中形成的气体产生气泡。当为防止直径的缩小时，一个过快的表面冷却也可以有助于在绝缘层中形成气泡。
如果热塑的聚乙烯被用作绝缘材料，那么塑料的挤压温度在170°和230℃之间。由于在该塑料材料中不产生反作用，所以在这种情况下象这样的压力是不需要的，然而为了避免由于该塑料材料的收缩而形成气泡，由空气或温水作用的冷却必须很慢地进行。由于这种原因，由一个热塑材料绝缘的电缆也在一定的压力下进行冷却，即在大于大气压力的一个压力上。
目前惯用的一个低密度的可被过氧化物交联的聚乙烯作为在中压和高压电缆中的绝缘材料，并且制造过程一般利用一种叫干硫化作用的方法，因此根据本发明的方法将参考上述所提及的材料和硫化作用原理在下面加以描述。干硫化作用意思是绝缘材料的交联是在完全干燥的条件下在一个压缩的防护气体中发生。干燥防护气体例如是氮气。虽然下面的描述取决于上面提及的材料，然而值得注意的是其它的原理和材料也并未排斥在本发明的保护范围之外。
在干硫化作用中，图1中所示的绝缘导体从三重挤压头引出到一个加热管中，该管通常由氮气加压的，以致于一般由热辐射来加热塑料层到显然高于塑料材料挤压温度的一个温度上，以便加速交联的反作用，利用一个计算机来计算例如导体的速度和加热管的交联截面的温度分布这样的运行参数。
图2是一个曲线图，它表示带有塑料层的导体在从交联截面引出到一个20℃的加压水冷却步骤的温度5，绝缘材料的中心点的温度6和表面层的温度7及外径8为一个时间函数。绝缘导体的直径在20℃时是30mm，而导体1本身的直径是10mm。通过一个计算机程序来获得这些值，该程序把塑料分成10个圆柱对称层并且计算各层的热膨胀和各层之间的热传递。
在上述特殊的情况下，当温度从熔点大约110℃降到20℃时塑料的单位体积减少了大约13%。实际上可以设想与塑料相比，金属导体是完全坚实的，整个体积的变化必定在横截面上发生，即在径向的方向上。
图2说明了一个用在关于导体绝缘处理过程中的冷却方法，在该过程中被绝缘的导体以一个预定的方式被冷却。
在本发明中，没有以上述的方法进行冷却，但是必须在导体1和它相邻的塑料材料于绝缘处理过程中已被冷却到一个预定程度以后，塑料材料的表面层和其相邻的塑料材料部分被重新加热到一个预定的温度。在一个优选的实施例中，在导体1和与它相邻的塑料材料实质上已被冷却到塑料材料的熔点以后，塑料材料和与它相邻的塑料材料部分被重新加热到略微低于该塑料材料的熔点的温度。
图3表示与图2中所示的曲线相对应的曲线，该曲线是使用根据本发明的方法所获得的曲线。图3表示导体温度9绝缘体中心点的温度10，表面层的温度11和外径12是一个时间的函数。
如图3所示，当导体的温度已经降到117℃时，开始用140℃的水为导体加热。加热一直进行到绝缘材料中心点的温度上升到100℃为止，此后，重新开始用20℃的水冷却导体。当其它条件是相同的时候，在图2和图3中所示的曲线大约为7分钟时间是相同的。从图3所示的曲线中能够看到最外层的温度11在7分钟后迅速上升到大约140℃，而在导体中的温度9的减小变得很慢，并且直径12增加。在大约9.1分钟时，能够看到从导体到中心点的塑料的温度是大约100℃，而从中心点到外层的温度＞100℃。如果对于这种塑料假设100℃的温度是一种机械硬化温度，也就是塑料在低于这个温度时，就热膨胀和机械拉力而言，它表现为类似于固化物质，如金属。从图3中的直径曲线12显示出外层被硬化到一个31.7mm的直径。从图2中也能显示出当外层直径是33.0mm时，外层的温度7完全降到低于100℃。
计算机程序把导体的塑料绝缘材料在20℃时分成10个相同厚度的层。当每层的温度完全降低到低于100℃时，该程序也存储每一层的内直径和外直径。假如每层是相互分开时，那么当每层的温度从100℃降到20℃时，当然所有层厚度以相同比例变化。由于情况不是这样，例如，根据图2或图3不论导体是否被冷却，外层的直径是30mm。根据图2，当施加冷却时外层的直径不得不从33.0mm缩小到30mm，而根据图3冷却时，温度从100℃降到20℃时，外层的直径从31.7缩小到30mm。
当温度降到20℃时，如果相互分开的各层的直径与实际的直径相比，就可以得到在图4中所示的百分比曲线图。曲线13是根据图2由冷却得到的曲线，而曲线14是根据本发明的由在图3中所说明的冷却得到的曲线。曲线13表示，当分开时最外层保留有大约4.6%的超尺寸，以致于在其中实际上有一切向压缩力，该压缩力扩展到层5，然后变成拉伸应力。利用根据本发明的方法冷却的导体的外层仅仅保留大约0.1%的超尺寸，并且切向力形成的张力几乎穿过塑料层的整个厚度，明显的是最内层在两种情况下表现为性能类似，因为导体1放置在它的下面，该导体1被认为是不变化的。当在各层中的切向压缩力增加了施加在导体上的表面压力时，根据图3的冷却在塑料和导体之间提供了一个比根据图2的冷却更大的摩擦力。因此根据本发明的冷却减小了轴向的收缩。
根据本发明的方法有一个广泛的不同的应用范围，其中一个应用的例子是在芬兰的专利说明书52299和相应的美国专利4035129中描述的设备实施，在该专利中一个管子限定了一个导体穿过其中的空间。在该设备中管子也作为一个加热电阻。通过把管子冷却部分均匀分成由分开的气体或水循环的分离区域，可以实现电缆的热处理。如果冷却介质是水，也就是水冷却，并且在热处理部分中水加热被利用，那么管子加热水，而水加热导体。当使用气体时，导体的加热主要是由热辐射来进行的。在这两种情况下，当然需要防止在热处理部分和其两侧上的冷却区域之间的冷却介质的混合。
上述的实施例决不是打算限制本发明，而本发明在权利要求所描述的范围内可以作出改型。明显的是本发明无论如何不是被限定到一交联反作用上，而它也可以被应用在其它的连接方式中。例如，由于过快的冷却，应力作用可能发生在一些类型电缆相对厚的外保护层上，利用热处理这种有利方式可以消除这些应力，本发明不限于中压和高压电缆，而它可更广泛地被应用，例如在光缆的外保护层中。

Claims (5)

1、一种与绝缘的或有防护层的导体或类似物的工艺过程有关的方法，其中塑料材料在导体(1)的表面上至少被挤压成一层，并且覆盖有塑料材料(2，3，4)的导体以一种预定的方式被冷却，其特征在于：在导体和与其相邻的塑料材料在绝缘和防护过程中冷却到一个预定程度以后，塑料材料的表面层与其相邻的塑料材料部分在一个充有一种介质的加压区间中被重新加热到一个预定的温度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在导体（1）的塑料材料和与其相邻的塑料材料实质上已经冷却到塑料材料的熔点以后，塑料材料的表面层和与其相邻的塑料材料部分实质上被加热到塑料材料的熔点。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介质是蒸汽。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介质是气体。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介质是水。
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