低壓電纜交聯(lián)工藝研究

蔡紅祥++鄭大白++盧亞亞++盧巖++李翔

【摘 要】目前低壓電力電纜常用二步法交聯(lián)以及蒸汽交聯(lián)工藝。本文主要介紹了硅烷交聯(lián)原理，交聯(lián)工藝的比較，對普通硅烷料不同溫度、濕度以及不同廠家材料的自交聯(lián)情況以及快速交聯(lián)料的自交聯(lián)情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度越高、濕度越大，熱延伸越好；材料配方的不同，也對熱延伸速度產(chǎn)生較大的影響。

【關鍵詞】低壓 交聯(lián) 工藝 比較

引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）具有良好的電氣性能、機械物理性能以及方便可靠的加工性能，現(xiàn)已取代聚乙烯（PE）作為電纜絕緣并得到廣泛的市場應用。眾所周知，聚乙烯（PE）具有良好的物理以及化學性能，加工方便，但同時也存在一些缺點，如：熔點低，耐熱性能差，制品機械性能差，耐導體長期運行溫度只能達到70℃，因此為了提高聚乙烯（PE）的這些缺點，國內(nèi)外專家研究了許多改性方法，交聯(lián)就是其中一種[1]。目前的交聯(lián)工藝主要有硅烷交聯(lián)（又稱濕法交聯(lián)）、DCP過氧化物交聯(lián)（干法交聯(lián)）、輻照交聯(lián)等。交聯(lián)后的PE材料具有優(yōu)異的電氣、物理以及加工性能。本文主要對硅烷交聯(lián)工藝進行研究總結(jié)。

1 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜簡介

1.1 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）原理

XLPE是通過化學或物理方法（高能射線照射）將PE進行改性（交聯(lián)）而得，未交聯(lián)前PE是一種線性分子結(jié)構(gòu)的高分子材料，線性分子間結(jié)合力主要以范德華力為主，并且溫度越高，范德華力越弱，在55℃臨界溫度即可發(fā)生材料變形。而經(jīng)過改性后得到的XLPE，其結(jié)構(gòu)已由原來的線性分子結(jié)構(gòu)變成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大分子間的結(jié)合力由原來的范德華力變?yōu)榱私宦?lián)鍵，因此其具有更多優(yōu)異的性能[2]：

（1）耐熱性：網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的XLPE具有十分優(yōu)異的耐熱性，在300℃以下不會分解、碳化，長期工作溫度可達90℃，熱壽命可達40年。

（2）絕緣性：XLPE保持了PE原有的優(yōu)良絕緣特性，且絕緣電阻進一步增大，其介質(zhì)損耗角正切值很小，受溫度影響小。

（3）機械性：由于大分子間建立了新的化學鍵，XLPE的硬度、剛度、耐磨性和抗沖擊性均有提高，彌補了PE易受環(huán)境應力而龜裂的缺點。

1.2 交聯(lián)工藝分類

XLPE電纜發(fā)展至今已有半個多世紀，我國交聯(lián)電纜起步較晚，大概從六十年代才開始研制XLPE電纜。目前常用的交聯(lián)工藝主要為三大類：

（1）硅烷交聯(lián)。此工藝是美國Dow Coring公司在20世紀60年代發(fā)明的，后來經(jīng)過改進，逐步形成了一步法與二步法的硅烷交聯(lián)工藝，常用作1kV～3kV電力電纜的生產(chǎn)。

（2）DCP過氧化物交聯(lián)。1957年由美國GE公司使用并首先發(fā)明XLPE電纜，常用作中高壓電力電纜的生產(chǎn)。

（3）輻照交聯(lián)。此技術開始于20世紀50年代中期，美國電子化學公司利用高能電子射線照PE，分子由線型變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常用作絕緣厚度較薄的產(chǎn)品生產(chǎn)。

2 硅完交聯(lián)工藝

2.1 硅烷交聯(lián)原理

硅烷交聯(lián)工藝分為一步法和二步法，因一步法對溫度敏感，溫度的高低使得材料存在過度交聯(lián)、接枝不好等問題，應此目前使用最廣的是二步法。

硅烷交聯(lián)主要分兩個過程：1）第一個過程：采用有機過氧化物等引發(fā)劑將乙烯基硅烷在熔融狀態(tài)下接枝到PE分子上。過氧化物受熱分解產(chǎn)生的自由基奪走PE分子鏈上的氫原子，形成的PE大分子鏈自由基與硅烷分子的雙鍵發(fā)生反應。2）第二個過程：接枝后的硅烷通過熱水或水蒸汽水解而交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)時，水分子通過聚合物分子間隙與接枝在聚合物鏈上的硅烷發(fā)生置換反應，形成-SI-O-SI-交叉鏈，其化學過程示意如圖1所示[3]。

2.2 不同硅烷交聯(lián)工藝的比較

目前低壓電纜絕緣的交聯(lián)工藝以硅烷交聯(lián)為主，主要方式為溫水交聯(lián)和蒸汽交聯(lián)。溫水交聯(lián)是將擠塑好的絕緣線芯直接放于90～95℃的熱水池中進行交聯(lián)；蒸汽交聯(lián)將擠塑好的絕緣線芯放在高溫蒸汽房利用蒸汽進行交聯(lián)。兩種方式的特點介紹如下：

2.2.1 溫水交聯(lián)

優(yōu)點：（1）交聯(lián)用的媒質(zhì)是液態(tài)水，只需要把水加熱到95℃即可。（2）裝卸線芯時熱量逃逸少，溫度下降慢，能量利用率高。（3）液態(tài)水的流動性以及熱傳導使得各處溫度基本一致，交聯(lián)度均勻。

缺點：（1）裝卸線芯麻煩，需要使用吊機。（2）使用的水易臟，需經(jīng)常換。（3）操作存在安全隱患，有跌落水池的危險。

2.2.2 蒸汽交聯(lián)

優(yōu)點：（1）裝卸線芯容易、操作方便，可使用叉車或地軌。（2）采用一次性蒸汽，交聯(lián)場地環(huán)境相對干凈。（3）由于蒸汽不是重復利用，因此線芯一般較干凈。

缺點：（1）線芯周轉(zhuǎn)時需要停蒸汽和降溫，不同批次需要重新補充蒸汽。（2）常壓蒸汽沒有壓力，很難進入到線芯內(nèi)層，容易造成交聯(lián)度不均勻的現(xiàn)象。但若使用0.5～0.7MPa飽和蒸汽，水汽易滲透到纜縫里，可提高交聯(lián)度[4]。（3）蒸汽從底部開始上升易冷凝成水，無法循環(huán)，易造成蒸汽房內(nèi)各處溫度不一致，使得不同位置放的線芯交聯(lián)度存在差異。

2.3 普通絕緣線芯自交聯(lián)研究

目前大多廠家采用蒸汽交聯(lián)方式，絕緣材料使用的普通硅烷料。為更好地對產(chǎn)品生產(chǎn)進行指導和質(zhì)量保障，針對性的對普通XLPE絕緣料，在不同的溫度、濕度等條件下，進行自交聯(lián)研究試驗與對比。

2.3.1 相同濕度，不同溫度下熱延伸情況研究

眾所周知，蒸汽交聯(lián)能夠進行下去，兩個因素不可缺少：溫度以及水。一般情況下，蒸汽交聯(lián)的溫度達到90℃，并且蒸汽源源不斷，但是設想因為空氣中也有水份，如果將線芯置于正常濕度下，交聯(lián)度會發(fā)生怎樣的變化，為此，取8根絕緣線芯（未經(jīng)過蒸汽交聯(lián)），分別置于濕度相同，但溫度不同的烘房中，分別經(jīng)過7天以及14天取樣測試熱延伸，結(jié)果見表1。

從表1中可看出，溫度相同時，熱延伸隨溫度升高而逐漸降低，溫度越高，相同時間內(nèi)，熱延伸指標越好。同一溫度下，纜芯存放時間越長，熱延伸指標越好，這也說明，在室外，溫度的高低會影響交聯(lián)的速度，但是不會阻止交聯(lián)的發(fā)生。

2.3.2 相同溫度，不同濕度下熱延伸情況研究

取兩組（兩根為一組）相同長度，相同規(guī)格的絕緣線芯（未經(jīng)過蒸汽交聯(lián)），分別置于22℃以及35℃的溫度下，對每組中的一根進行不定期撒水，經(jīng)過7天以及14天后取樣測試熱延伸，結(jié)果見表2。

從表2中可看出，溫度相同時，經(jīng)過表面撒水的絕緣線芯熱延伸均比不撒水的指標好。這說明，濕度的大小同樣會影響交聯(lián)的速度，濕度越大，交聯(lián)度越好，但是7天取樣的熱延伸全部斷裂，說明相比于溫度，濕度對交聯(lián)的影響要低一些，蒸汽交聯(lián)過程中，溫度為主要因素，若出現(xiàn)熱延伸指標不合格，首先可考慮改變交聯(lián)溫度。

2.3.3 不同廠家的普通絕緣料自交聯(lián)熱延伸情況對比

取兩根相同規(guī)格的絕緣線芯，使用不同材料廠家的絕緣料進行擠塑，不經(jīng)過蒸汽交聯(lián)，置于室內(nèi)（溫度、濕度相同），經(jīng)過7天以及14天取樣測試熱延伸，結(jié)果見表3。

由表3可看出，相比于B廠家，A廠家提供的絕緣材料交聯(lián)度較好，較快。交聯(lián)速度的快慢取決于接枝料的不同以及催化劑含量的多少，因此不同廠家的絕緣料配方的不同會導致交聯(lián)的速度存在一些差異。

2.4 快速交聯(lián)線芯自交聯(lián)試驗

為最大程度減少大長度收線時內(nèi)部纜芯交聯(lián)不充分的問題，針對性的采用可可快速交聯(lián)的XLPE絕緣料進行自交聯(lián)研究試驗，從而對產(chǎn)品生產(chǎn)以及大長度收線進行指導和質(zhì)量保障，確保熱延伸能夠達到要求。

2.4.1 不同規(guī)格線芯自交聯(lián)熱延伸對比

取兩根不同規(guī)格的絕緣線芯（未經(jīng)過蒸汽交聯(lián)），放置在室內(nèi)，分別經(jīng)過6天以及11天取樣測試熱延伸情況，結(jié)果見表4。

從表中可看出，240mm2的絕緣線芯，即使厚度達到2.4mm，經(jīng)過6天的熱延伸也可達到100%，11天熱延伸達到50%；同時對比70 mm2以及240mm2可看出絕緣厚度越薄，熱延伸越指標越好，達到標準要求所需的時間越短。

2.4.2 不同型號絕緣料自交聯(lián)熱延伸對比

取兩根相同規(guī)格的線芯，分別使用普通絕緣料以及快速交聯(lián)料進行絕緣擠制，不經(jīng)過蒸汽交聯(lián)，置于室內(nèi)，經(jīng)過7天以及14天取樣測試熱延伸，結(jié)果見表5。

從表中可看出，普通絕緣料需經(jīng)過14天自交聯(lián)，才剛好符合標準要求（標準：≤175%），而快速交聯(lián)料7天熱延伸就可達到100%，這說明快速交聯(lián)料具有較強的自交聯(lián)能力，可大大縮短交聯(lián)時間。大長度收線時，使用快速交聯(lián)料可更好的確保產(chǎn)品質(zhì)量，即使蒸汽交聯(lián)過程中交聯(lián)度不夠，其在后續(xù)的生產(chǎn)過程中也會快速地進行自交聯(lián)，確保熱延伸指標達到要求。

3 結(jié)語

目前，低壓絕緣的交聯(lián)方式以二步法以及硅烷蒸汽交聯(lián)為主，溫度和水是硅烷絕緣料能夠交聯(lián)的兩個必備條件。在不用蒸汽交聯(lián)的情況下，普通硅烷交聯(lián)絕緣料以及快速硅烷絕緣料都能夠進行自交聯(lián)，交聯(lián)速度隨溫度的不同和濕度的不同存在一些差別：

（1）相同濕度下，溫度越高，交聯(lián)越快。240mm2普通絕緣線芯（絕緣標稱厚度1.7mm）室溫下自交聯(lián)14天，熱延伸達到175%，而67℃下，只需要自交聯(lián)7天，就可達到175%。

（2）相同溫度下，濕度越大，交聯(lián)越快。但是相比于溫度，濕度對交聯(lián)的影響要小。若熱延伸出現(xiàn)不合格或過交聯(lián)情況，可首先考慮改變溫度。

（3）配方的不同，交聯(lián)速度存在一些差異。就材料本身而言，交聯(lián)速度的快慢取決于接枝料的不同以及催化劑含量的多少。相比于普通絕緣料，更改配方后的快速交聯(lián)料的自交聯(lián)能力更強，240mm2的線芯，室溫下6天熱延伸就可達到100%，11天熱延伸達到50%，大大縮短了交聯(lián)時間。

（4）絕緣線芯大長度收線時，使用快速交聯(lián)料能更好的確保熱延伸指標的合格，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。即使蒸汽交聯(lián)過程中交聯(lián)度不夠，其在后續(xù)的生產(chǎn)過程中也會快速地進行自交聯(lián)，確保熱延伸指標達到要求。

參考文獻

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