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1、第四部分 交联电缆工艺,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的作用电能生产和其它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
2、压，三相交流发电机和电动机的构造简单，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，越来越多的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，而且有利于环境美化。,到了90年代末期，在电力电缆线路中，1kV35kV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，预计不久的将来交联绝缘电缆将取代其
3、它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，查尔斯(charlesby)在一次核反应堆试验中利用辐射能将聚乙烯交链成交联聚乙烯，从而发明了交联聚乙烯绝缘。1957年美国GE公司在上述原理上基础上，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19601965年间，就研制生产了5kV35kV等级交联电缆，19691971年研制成功了69kV138kV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
4、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2600万美元。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开发局的电力研究院与通用公司合作，打算研制138kV345kV交联电缆。研究工作在通用电缆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
5、一。另外美国的钢管充油和充气电缆一直十分流行，就象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
6、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已的“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
7、乙烯电缆敷设于奥谷电站。日本日立、住友、古河、藤仓四大公司共同建立的一条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(电缆长度为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，大约从六十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10kV35kV交联聚乙烯电缆，80年代初上海电缆厂将原有的蒸气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
8、所三厂一所在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引进的热潮，从原来的两、三家一下子猛增到几十多家生产企业。这些生产线大多是从芬兰NOKIA，美国DAVIS、ROYL和德国TROESIER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，国产交联电缆的击穿故障率高，直接影响到交联电缆的推广和安全运行。,在这种背景之下，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
9、顿的指导思想是贯彻GBT一10300(即ISO一9000系列)标准，协助企业建立和完善交联电缆生产专用的质量管理体系，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处于受控状。为此对国内17条CCV交联生产线进行了整顿验收，达到管理有序、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浪，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
10、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
11、，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)扇形和半圆形导电线芯 扇形和半圆形的导电线芯不是理想的对称形状，因此，设计多根线芯排列时考虑到弯曲情况下
12、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，处在其两侧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
13、要表现为承受电压的大小。一般地讲，同一质量的绝缘层愈厚，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。导体包覆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
14、芯绝缘。根据国家标准GBl2706和GBll017规定，不同电压等级交联电缆绝缘厚度见表11。,表11交联电缆绝缘厚度,3护层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，护层有许多不同型式和结构，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，在不经受机械外力情况下，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高压交联电缆或其它电缆埋设在水下，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
15、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埸作用，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弧焊接技术，
16、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，生产厂家又加了一项中间检验装置，将整盘焊接后的电缆进行浸水气密性试验，且进行百分之百的检验。,第三节 交联方法交联绝缘的品种虽多，但主要分为物理交联和化学交联两大类。物理交联也称为辐照交联，一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆。中高压电缆一般采用过氧化物交联，即用化学方法将线性分子通过化学交联反应起来，转化为立体网状结构。化学交联一般还可分为过氧化物交联和硅烷接枝交联两种。化学交联方法比高能辐射交联工艺简单，操作安全，辐照交联聚乙烯的交联度约为70，而化学交联可达7090。,一辐照交联1960年美国瑞侃公司(Rachem)就已开发了
17、辐照交联电缆。这种方法不要求加入交联剂。五十年代初，美国已经发现用放射性同位素、反应堆废料、反应堆辐照本身以及电子加速器的能源来使聚乙烯交联。后来发现，只有电子加速器产生的高能射线才具有足够的密集辐照功率和使用效率，并可用于电线电缆制造。辐照是采用高能粒子射线(如射线)照射线性分子聚合物，在其链上打开若干游离基团，简称为接点。接点活性很大，可把两个或几个线型分子交叉联接起来。辐照交联一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆。它的主要优点有：,(1)生产速度快，占用空间小；(2)可加工材料种类多，如PE、PVC、CPE、PP、几乎所有聚合物，产品品种多；(3)产品有更好的的耐热、耐磨和较高的电气性能；可
18、阻燃；(4)电耗低。但也存在一些问题：(1)设备一次性投资大；(2)对较大截面电缆的辐照不均匀，经反复照射后，电缆弯曲次数太多，不适合于10kV及以上电缆的生产。主要适用于电气装备电缆，对较小截面电缆和lkV10kV架空电缆也是可以的。(3)设备开工率低。,二过氧化物交联过氧化物交联法是通过加入交联剂而引发交联的方法。它主要优点是适合各种电压等级和各种截面的交联聚乙烯绝缘电力电缆生产，特别是35kV及以上的中高压电缆。1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。此方法是以压力为1520kg/cm2，温度180200的过热水蒸汽为加热和加压媒
19、质，使聚乙烯实现交联。蒸汽交联是美国GE公司于1957年研究成功的。日本住友电气公司于1959年引进了这项技术，并于1960年投产。,由于水蒸汽在交联管内直接与熔融状态的聚乙烯接触，水份会向绝缘内渗透扩散。在电缆冷却过程中，绝缘内部的水蒸汽达到饱和状态而形成微孔，继而引发树枝放电。这是此方法的致命弱点。此外交联管内的压力与温度直接相关。要提高温度，必须同时增大压力。温度每升高10，压力将要增大5kg，这实际上是不可能的。况且，蒸汽交联每小时需要蒸汽200300公斤，折合电能200300kW。于是，六十年代起，又出现了一些新的干式交联工艺。,2红外线交联法(RCP)与干式交联红外线交联法也叫做热
20、辐射交联法(RCP)，是日本住友电气公司于1967年发明的一种干式交联工艺。用红外线使聚合物交联的方法，早在1937年法国通用电气公司(GE)就已取得了专利，用于橡胶制品硫化。1961年美国格雷(wRGrace)取得了用红外线辐照法制造聚乙烯薄膜的专利。日本住友电气公司从上述两件专利受到启发，1966年6月申请了一件专利，是在导体上挤包一层含有有机过氧化物交联剂的交联聚乙烯，再加2kg/cm2以上压力的惰性气体辐射加热，使聚乙烯发生交联反应。,1967年4月，住友电气公司又申请了一份专利，提出整个交联机组由辐射加热部分、予冷却部分和水冷却部分组成，辐射加热部分分成两个区域，每个区域能各自独立控
21、制温度。在长期交联反应过程中，交联管内壁形成了一层过氧化物沉积的黑色污垢，这就是一层自然形成的红外线发射的黑体，在其它国家RCP工艺就为一般电热干式交联工艺所代替，称CCV悬挂式交联工艺。,加热和预冷却部分用氮气保护。在加热交联管内，氮气的主要作用是作为传热媒质，保护聚乙烯在较高温度下表面不发生氧化降解，对绝缘施加压力可使不发生或少发生气隙，流动的氮气还可带走大量的由冷却水挥发出来的水分和交联反应中过氧化物分解出来的水分。,在预冷却部分氮气的主要作用是对电缆绝缘线芯表面进行预冷却，使线芯表面在较低的温度下进入水冷却部分，从而防止线芯骤冷和水侵入绝缘内。由于采用电加热，故可以用提高温度的方法提高
22、生产速度。交联聚乙烯绝缘中，含水量仅为0018，而蒸汽交联的含水量达O29；交流和冲击击穿强度比蒸汽交联高50；最大场强可达7kVmm，而蒸气交联只有5kVmm。,3长承模(MDCV)交联长承模交联是美国阿纳康达电线电缆公司(Anaconda)于1959年发明的，同年便申请了专利，称为MCP工艺。后来由于电线电缆行业竞争十分激烈，该公司退出了交联聚乙烯电缆制造竞争，而使这种新工艺未能付诸实用。1971年大日本电线电缆公司和三菱石油化学公司合作，购买了阿纳康达公司的专利，使此法得以实现，称为MDCV工艺。1973年大日日本电线电缆公司申请了MDCV工艺的专利。MDCV的原文含义是“三菱一大日连续
23、交联法”，而技术上的含义是长承模交联工艺法。,MDCV法采用水平式交联管。此交联管紧装在挤出机头上。挤出模子长达20米。挤出绝缘线芯时，向管内充入润滑油，并使聚乙烯在此模具内发生交联。MDCV法的特点是设备投资少。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6070。不过，当需要生产不同规格的电缆时，要更换整个长承模，灵活性不强，因此在世界上推广不快。,4加压熔盐交联(PLCV)工艺此方法最初是由意大利卡莱罗公司(Careillo)发明。1976年8月，该公司与英国通用工程公司合作研究，使之用于制造交联聚乙烯绝缘电力电缆
24、。1977年英国通用工程公司的杰拉乐德斯马特(Gerald Smaa_rt)发表了这项成果，并向英国BICC公司出售了第一台设备。PLCV系统中所用的盐与橡皮硫化的LCM法所用的盐一样，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145150时熔化，直到540时，性能仍然稳定。熔盐交联管是密封的，并加34大气压的压力，熔盐温度200250。冷却段也采用加压方式。熔盐段长度40m，冷却段长20m。熔盐的传热性好，故生产速度快。产品质量好，生产成本为罐式硫化的3134，耗电量为蒸汽连续硫化的145。该工艺现已较多地用在橡套生产线中。,5硅油交联(FZCV)工艺19
25、79年、日本藤仓电线公司的鹿间贞吉等人发明了硅油交联(FZCV)。此方法用加压硅油作为加热和冷却媒质。在硅油的压力作用下，电缆可悬浮在硅油中而不致擦管和偏芯。硅油的压力和温度可循环使用。藤仓电线公司于1979年开始用两台FZCV机组生产275kV交联聚乙烯电缆，一举解决了用悬挂式交联机组生产大截面交联聚乙烯电缆高压技术问题。虽然FZCV机组的成本较高，但仍比建造立塔和交联设备经济。,在上述交联方法中，均为外部加热式交联方法。1975年西德的门奇(GMenger)提出通过导体加热法来缩短交联时间。他用实验证明，每1毫米厚的聚乙烯绝缘，交联时间约1分钟。这样，只有减慢出线速度或增大交联管长度才行。
26、若用1000安培的电流使导体温度升高到200，则交联时间缩短20。,三、硅烷交联,硅烷交联又称温水交联，1960年英国道康宁公司(DowConing)提出开发的，也称为Sioplas法，即硅烷接枝交联工艺，它是把接枝和挤出分成两个工序进行，第一步由绝缘料厂将硅烷交联剂与基料在挤出机上接枝和挤出造粒，该料称为A料，同时还提供催化剂和着色剂的母料，称B料。第二步是电缆厂将A，B料以95：5的比例混合。并在普通挤出机上挤包在电缆导体上，再放入7090温水中交联也可以在蒸汽房中交联。该工艺投资成本低，可用一般的挤出机进行加工，材料价格适中，得到广泛地应用。,但也存在以下缺点：(1)接枝聚乙烯容易与空气
27、中水分发生先期交联，缩短了贮存时间，一般贮存期为半年。(2)接枝聚乙烯与催化剂母料的混合物，贮存期一般不超过3h，所以需要边混合边挤塑。(3)由于二步法通过多次的混合，容易导致杂质的混入，故只能用于10kV及以下电缆绝缘的制造。,为了克服Sioplas的局限性，1977年英国BICC和瑞士Maillefer公司合作，在道康宁公司发明的两步法基础上，又发明了一步法硅烷交联工艺，也称作Monosil工艺。它将聚乙烯基料、抗氧剂和液态硅烷同时计量、混合，即是将接枝反应和添加催化剂过程合并，并采用长径比为30：1的挤出机将绝缘挤包在电缆导体上，即将绝缘层的接枝和挤出由一个步骤来完成，故称为一步法。它的
28、材料成本最低，杂质的污染机会减少，而且材料贮存期可以大大增加。但是这种工艺技术难度大，设备投资比二步法大，需要配备一套液态硅烷的送料系统。,到了八十年代日本菱克隆公司在吸取两步法和一步法的优点基础上开发共聚法。共聚法也是使用硅烷共聚单体乙烯基三甲氧基硅烷，只是采用的工艺不同。该工艺不是把有机硅烷接枝到聚合物链上，而是在聚合过程中导入可水解硅烷，从而产生一种易于加工的硅烷共聚物，其方法是在高压反应釜中，使乙烯与硅烷共聚单体发生共聚反应，这项工艺的关键是，所选用的共聚单体必须是含有一种能够与乙烯发生反应生成聚合物链的不饱和基团。乙烯硅烷共聚物与Sioplas接枝化合物结构上基本相同。,由于硅烷共聚
29、物的制造是在反应釜中进行的，所以它能够确保高的清洁度，而且也避免了接枝时过氧化物残渣的污染问题。硅烷共聚物更为主要的优点是，在聚合反应时因为硅烷共聚单体一次投入，实现了交联晶格的有规则分布，所以所需的硅烷量要比硅烷接枝化合物需要的硅烷的含量低。由于共聚法工艺的先进和独特。制得的硅烷交联聚乙烯料具有以下优点：,(1)贮存稳定性好，存贮时间一般可超过一年，而接枝产品只有六个月。(2)共聚法交联聚乙烯加工过程中，混入的游离物及杂质极少，因而提高了电缆绝缘性能和机械性能。(3)它在普通的挤塑机上加工时，产生的气体较少，成型加工稳定性好。,以后又相继开发了固相一步法工艺和固化硅烷工艺。固相一步法工艺是将
30、硅烷通过白碳黑等载体渗吸到PE基料中去。固化硅烷工艺是为了改进硅烷送料方式，可将液态硅烷吸附在多孔性聚丙烯塑料或PE塑料中，形成固化硅烷。这两种均是一步法派生出来。最近市场又派生出一种用50共聚聚料和50基料掺和而成的共混料，在国内也有较多应用。,到目前为止，已有七种硅烷交联工艺生产方式，其中有三种是派生出来的。这七种方法中，除了Monosil一步法设备投资较多，共聚料材料价格较高外，其余均可利用原有设备进行生产；具有生产工艺简单、成品率高、生产成本低等优点。,第二章 交联电缆用原材料使用材料的质量好坏，直接影响到电缆产品的质量，因而电缆的发展很大程度上取决于使用材料的发展。电缆使用材料的品种
31、多、数量大，从生产成本中看，材料费用约占百分之七十以上。交联电缆使用的导体及绝缘材料主要有铜、铝、交联聚乙烯料和内外半导电料。,第一节 导体用金属材料交联电缆导体使用的导体材料，首先必须具有良好的导电性能；第二，有良好的机械强度；第三，具有一定的防腐蚀的能力；第四，在冷热状态下都具有良好的工艺性能；第五，在资源上能保证供应。铜、铝等金属是常用的导体材料，铜的导电性能好，铝的导电性能和机械、物理性能虽然不如铜，但其具有资源丰富，重量轻等特点，也已成为应用较广的导体材料。,一铜、铝性能作为导体使用的铜、铝一般都用电解法制成，纯度很高，铝导体的纯度应在99.5以上，铜导体的纯度应在99.9以上。钒、
32、钛锰等是电解铝中影响导电性较大的杂质。砷、铁、锑、锌等则是电解铜中影响导电性能较大的杂质。标准中规定这些杂质含量的限量。电解铜中含氧在0.001以下的称为无氧铜。,二过氧化物交联聚乙烯组成 过氧化物交联聚乙烯是由聚乙烯基料，交联剂和抗氧剂组成。1聚乙烯 聚乙烯是单体乙烯的聚合物，它的分子式为：CH2 CH2n,根据聚合的方法可以分为高压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯是将乙烯气态单体在10002000大气压下加热聚合而成，高压聚乙烯的密度、结晶程度、软化点均较低压聚乙烯低，硬度也小。根据分子量的大小可以分成高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯。一般来说，高分子量聚乙烯具有较好的物理性和较差的加工性能。
33、应当指出，分子量大小与密度大小互不相关，分子量大，不一定是高密度，例如就有高分子量低密度聚乙烯。一般用熔融指数来表示平均分子量的大小，而密度与软化点有直接关系。,由于聚乙烯分子在化学结构和几何结构上都很规则、对称，所以聚乙烯很容易结晶。不过它的分子链富有柔顺性，要聚乙烯不含结晶结构是很困难的，但要它全部为结晶结构也不可能。一般聚乙烯为结晶相和非结晶相两相共存物，结晶相含量的百分数称为结晶度。,聚乙烯根据支链的情况结晶度也可能不同，高压聚乙烯含支链的数目较多，因而结晶度较低，在室温下约为5570。低压和中压聚乙烯的支链较少，因而结晶度较高，在室温下约为8090。聚乙烯的结晶度随温度的变化而变化。
34、,交联聚乙烯料机械物理和电气性能,聚乙烯的原料来源丰富，价格低廉；电气性能优异，具有小的tg值和介电常数，在通常温度下，具有一定的韧性和柔软性。过氧化物交联聚乙烯中的聚乙烯基料，通常采用熔体指数为20左右的低密度聚乙烯。采用低密度聚乙烯是因为它结晶度低，加工温度低，可以使用分解温度低，交联效率高、性能好的二枯基过氧化物(过氧化二异丙苯)，不会因为过氧化物的过早分解而在加工过程中引起焦烧。,当然，随着高分解温度的化学交联剂的发展，使用高密度聚乙烯也是可以的，熔体指数太高，可能使某些性能受到影响以及交联过程中容易变形，熔体指数太低，则对加工安全性不利，而且挤压表面的光滑性受到影响。,2过氧化物过氧
35、化物是使聚乙烯产生交联作用的交联剂，一个好的交联剂应该满足下列要求：1)过氧化物的分解温度既要高于其本身的熔点，又要高于聚乙烯的熔点，这样在分解前先熔化，易混和均匀。分解特性曲线陡峭，即在没有达到分解温度前很少分解，而一旦达到分解温度能够迅速和完全分解。2)过氧化物加工范围宽，加工性能好且交联效率高。3)过氧化物要有高的浓度和纯度，无污染，低的挥发性，其分解物要少，且要求分解物容易挥发。,能满足上述要求的有机过氧化物很少，目前用于交联聚乙烯的交联剂以过氧化二异丙苯(DCP)为最好。交联剂的用量应从其对性能的影响角度来选择，交联剂用量大，则机械、耐热性、耐油和耐溶剂性增强，而对电性能、抗冲击性和
36、耐寒性则变差。交联剂一般在2份左右。,3抗氧剂为了防止交联聚乙烯在加工和使用过程中的氧化老化，必须加入抗氧剂。抗氧剂具有阻止过氧化物分解和吸收过氧化物分解出来的游离剂，使其不发生链破坏反应，这些作用同样也会反映到用作交联剂的过氧化物上，使交联剂不易产生交联反应。因在所选用的抗氧剂要求既有高的抗氧化效力，又能对交联反应的不利影响为最小，且无毒。目前国内大多生产厂家采用300#抗氧剂，但其融点高，不易混合均匀，故有些生产厂家采用熔点为90抗氧剂以代替165的300#抗氧剂。抗氧剂一般在05份左右。,三硅烷交联聚乙烯绝缘料 硅烷交联也是化学交联的一种。硅烷交联料发展至今已有七种料之多。尽管工艺方法不
37、同，但这些材料所加入的添加剂基本相同，都加入一种有机锡催化剂，硅烷、引发剂、抗氧剂等。1二步法硅烷交联料二步法交联料分A料和B料，A料称为接枝母料，由制造厂将硅烷交联剂与聚乙烯基料在挤塑机上接枝和造粒。B料称催化剂母料其制造过程基本与A料相同。在挤出成型前A料和B料以19：1的比例进行混合，但须随混随用，停留时间不能超过3小时，否则将发生先期交联。A料和B料在保存期也应严格密封，保存期不应超过半年。,2一步法硅烷交联料 1)Monosil一步法硅烷交联料电缆厂可直接购买基料和化学原料生产。材料成本最低，但设备投资高，需要一台长径比为30的螺杆挤塑机，其料斗上方有34个计量料斗，分别供聚乙烯、过
38、氧化物、抗氧剂等计量投料用，一套液体硅烷和催化剂注射装置，在料斗颈部注入。,2)为了改进硅烷送料方式，可将液态硅烷吸附在多孔性聚丙烯塑料中，这种材料可用普通的挤塑机挤出。由于它接枝和挤出成型一次完成，也属于一步法硅烷交联。3)还有种采用多孔性PE基料，更容易吸附液态硅烷,3共聚法硅烷交联料共聚法交联料是在吸取两步法和一步法的优点基础上开发而成的。共聚法也是使用硅烷共聚单体乙烯基三甲氧基硅烷，只是采用的工艺不同，它是在高压法聚乙烯反应器中，使乙烯与硅烷共聚单体发生共聚反应，这项工艺的关键是，所选用的共聚单体必须是含有一种能够与乙烯发生反应生成聚合物链的不饱和基团。乙烯硅烷共聚物与Sioplas接
39、枝化合物在结构上基本相同。,由于硅烷共聚物的制造是在聚乙烯反应器中进行的，所以它能够确保高的清洁度，而且也避免了接枝时过氧化物残渣的污染问题。硅烷共聚物更为主要的优点是，在聚合反应时因为硅烷共聚单体一次投人，实现了交联晶格的有规则分布，所以所需的硅烷量要比硅烷接枝化合物需要的硅烷的含量低。由于共聚法工艺的先进和独特。制得的硅烷交联聚乙烯料具有以下优点：,1)贮存稳定性好，存贮时间一般可超过一年，而接枝产品只有六个月。2)共聚法交联聚乙烯加工过程中，混入的游离物及杂质极少，因而提高了电缆绝缘性能和机械性能。3)它可以在普通的挤塑机上加工，产生的气体较少，成型加工稳定性好。,4固相一步法硅烷交联料
40、生产厂将硅烷通过白碳黑等载体渗吸到PE基料中去，设备和材料成本均很低，该材料的接枝和成型同时完成，但电缆厂要有熟练的控制生产技术，否则绝缘表面容易毛糙甚至形成裂纹。5最近市埸上又派生出一种用50共聚料和50基料掺和而成的共混料，在国内也有较多应用。,四辐照交联材料由于辐照交联工艺的独特性，它可以对很多聚合物进行辐照加工，除聚乙烯以外，还有聚氯乙烯、乙丙橡胶、乙烯一醋酸乙烯共聚料、聚丙烯、氯磺化聚乙烯料、含氟塑料、自控温材料等，进行辐照以后，它们具有共同的特点是：1)高的抗张强度；2)较高的耐磨性；3)较大的耐应力开裂性；4)较大的耐压碎性；5)提高了耐汽油、矿物油和其它溶剂的特性；6)耐烙铁焊
41、接；7)减少弹性；8)在高温下不熔融或不流动。,辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料下面简单介绍主要的辐照交联材料：1.1kV级105辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料，1kV级辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料，是由聚乙烯为基料，加入配合剂，经挤出造粒而成，物理性能和电气性优良，挤出加工工艺在130180之间。长期使用温度105。,辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料21kV级105辐照交联聚乙烯架空绝缘料1kV级辐照交联聚乙烯架空绝缘料，是由聚乙烯为基料，加入炭黑等配合剂，经挤出造料而成，物理性能和电气性优良，抗环境应力开裂性、耐侯性好。挤出加工工艺在130170之间。长期使用温度105。,31kV级90辐照交联阻燃
42、乙丙弹性体绝缘料辐照交联阻燃乙丙弹性体绝缘料，是由乙丙橡胶为基料，加入各种配合剂，经炼胶造粒而成，物理性能和电气性能优良，具有柔软、阻燃、不焦烧性，适用于普通塑料挤出机挤出，可用于矿用电缆，机车车辆电缆、船用电缆、潜油泵电缆及汽车打火线等电缆产品方面。挤出加工工艺温度在130右左。,490辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料90辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料，是以氯磺化聚乙烯为基料，配合各种助剂经炼胶造粒而成，物理性能优良，具有阻燃、耐油等特点，适用于普通塑料挤塑机挤出，可用于矿用电缆，机车车辆电缆、船用电缆、潜油泵电缆及汽车打火线电缆等产品。挤出加工工艺温度在90150之间。,第三章 过氧化物交联
43、设备和工艺 第一节 过氧化物交联机理 一化学反应交联聚乙烯料是以低密度聚乙烯、过氧化物交联剂、抗氧剂等组成的混合物料。加热时，过氧化物分解为化学活性很高的游离基，这些游离基夺取聚乙烯分子中的氢原子，使聚乙烯主链的某些碳原子为活性游离基并相互结合，即产生C-C交联键，形成了网状的大分子结构。绝缘料多用过氧化二异丙苯(DCP)作为交联剂；半导电料则用热分解温度较高的过氧化乙烷(DMDBH)为交联剂。以DCP作交联剂为例，聚乙烯交联反应如下：1 DCP分解成两个游离基,1 DCP分解成两个游离基,2 活化聚乙烯，游离基转移及生成枯基醇,3聚乙烯分子间的交联,4 枯基醇是不稳定的化合物，在高温下要分解
44、，有两种机率出现。即：,由于DCP的分解需要高温，在反应中产生H20，CH4及其它生成物，所以整个交联过程必须在高温高压下进行，以增加反应速度和压缩绝缘中的气隙尺寸。,二交联工艺影响交联的因素有材料的活性，交联温度和时间等。1材料的活性。由化学基本原理可知，化学反应速度与参与反应的物质的浓度成比例，其式为 v=Kmn 式中m反应时m物质的浓度；n反应时n物质的浓度：K反应速度常数，与浓度无关。,由上式可知，当物质的浓度一定时，反应速度决定于反应速度常数K。速度常数K是与反应活化能及温度有关的系数。交联反应速度常数和活化能及温度之间的关系可由阿仑尼乌斯方程表示 InK=-ERt+lnA 式中E反
45、应活化能；R气体常数；T温度(K)。,T温度(K)。活化能是衡量材料活性的尺度，它是活化分子具有的最低能量与分子平均能量之差，反应的活化能越低，则在定温下，活化分子数愈多，反应就越快，由上式计算的K值也越大。交联温度在DCP的分解温度以上至聚乙烯分解温度以下，温度增加，反应速度常数K增加，即交联速度增加。,2时间。交联的时间决定于DCP的分解速度，DCP的分解速率与温度有着密切的关系。DCP的分解温度通常用半衰期来衡量，表示DCP分解率50的时间。与温度有关，不同温度下DCP的半衰期不同。DCP 1分钟半衰期的温度大约为175，温度升高，半衰期缩短，即交联速度随温度的升高而加快。,由于整个化学
46、反应与温度，时间，材料之间关系复杂，任一因素都会影响交联聚乙烯的机械物理性能和电性能。DCP的分解率 x=1-exp-（ln2）t 设t=n(n1，2，3，)，代人上式，得 x=1-exp-nln2 由上式可以方便地计算出交联剂DCP的分解率x，表31列出了不同n值时的x值。,表31 DCP的分解率,一般取适宜的交联时间t=510，因为在510半衰期内交联剂(如DCP)可分解97999。在适宜的交联时间范围内，还存在一个最佳交联时间，其值应大于并接近于5，这对于电压等级高的电缆的生产尤为重要。电缆通过硫化管后，既要保证绝缘内层交联状况良好，又要保证绝缘外层不至于过交联。已知T1时交联时间为t1
47、，则在任何温度T时相对应的交联时间为t，t1和t的交换关系为：t=t1expE(1T1T1)R 例如已知某一材料的最佳交联条件为(160，20)，(，min)可求出在其他温度条件下的最佳交联条件，例如为(180，3.1)、(190，1.3)、(200,0.56)、(210,0.25)。,3压力。在交联过程中对制品施加一定压力是完全必要的，因为交联过程中制品材料中的水份，低分子分解物都会以气体形式在绝缘层中出现。如无外界压力作用，气体就会在绝缘层中形成气泡，目前在干式交联中大多采用N2作保护媒质。N2压力：6kVl0kV时08Mpa；35kV时10Mpa；110kV时12Mpa；,三绝缘工艺的基
48、本要求 1无微孔绝缘，水含量最低采用全干式交联和冷却工艺系统。使得绝缘中含水量及微孔降至最低。交联管加热系统应保证加热管的温度均匀，并且无“热点”。该系统应容易操作、反应时间短。全干式交联生产线的气冷用鼓风机使氮气在冷却管中快速循环并实现热交换，因而冷却效率高，气冷大多使用于高压和超高压电缆和生产工艺中。全干式交联生产线也可配备水冷，水冷采用闭路循环和热交换原理，大多应于中压电缆的生产。这种全干式交联工艺可以应用于悬挂式和立式交联生产线之中。,2光滑的层间界面电缆绝缘层和半导电层交界面是否光滑是影响电缆使用寿命的重要因素之一。尤其是对于高压、超高压电缆界面处半导电屏蔽层上的凸起嵌入绝缘层，会导
49、致局部电场强度过高，加速绝缘老化，增加水树现象产生的可能。为了实现层界面光滑，生产高压、超高压电缆应使用超光滑的半导电材料。,3电缆绝缘同心度电缆绝缘同心度是指导体对各绝缘层的位置，有良好的同轴对称性。由于绝缘中的电场分布是电缆长期运行的关键因素，圆形使导体屏蔽层的电场强度最低，是理想的也是所要求的形状，对于电缆同心度的要求也越来越严格。此外，无论在立式生产线，还是在悬挂式生产线上都能生产出符合同心度要求的厚绝缘电缆。绝缘厚的电缆圆度取决于整个交联生产线上的各个工艺过程，即：挤出、交联和冷却，但要求绝对的对称是不可能的，尤其是悬挂式交联生产线。,悬挂式交联线生产厚绝缘不圆度的主原因是绝缘的下垂
50、，绝缘下垂程度取决于绝缘硬度；直径比(绝缘屏蔽直径导体直径)；导体的旋转速度。绝缘硬度取决于所使用的材料、材料温度和交联。小截面导体在熔化的绝缘内部较容易移动，这是因为导体的直径与移动阻力成正比，基本参数是电缆直径与导体直径之比，而非单纯的导体或电缆的直径。,导体旋转速度，提高导体的旋转速度从而减少绝缘在同一方向上的下垂时间，以达到减小下垂的结果。旋转速度是根据导体结构和生产线速度而选定的。导体结构决定了最大的旋转节距，来自放线架的导体，其单位长度仅容许一定限度的旋转。,其次是材料在机头内流动分布不均匀和绝缘材料的粘弹性效应(也被称为塑料材料的记效应)产生绝缘不圆度。这是由于分料器设计不正确，
