交聯(lián)電力電纜的結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)方法

一．基本結(jié)構(gòu)

交聯(lián)電纜一般是由導(dǎo)體、絕緣和護層三部分構(gòu)成。

1．導(dǎo)體

導(dǎo)體是指能傳導(dǎo)電流的物體，又稱為導(dǎo)電線芯。用作電線電纜導(dǎo)體的材料，首先要有良好的導(dǎo)電性能，即電阻要小，以減少電流在線路上的損耗。損耗與電流大小、電阻大小有直接關(guān)系，并表現(xiàn)在導(dǎo)體的發(fā)熱上。

電纜就是利用導(dǎo)體來傳導(dǎo)電流的，因而電線電纜的規(guī)格都以導(dǎo)體的截面表示。

電力電纜的導(dǎo)體，可以制成整根實心的，或是由多根單線絞合而成，形狀可以是圓形的和扇形的結(jié)構(gòu)。絞合線芯可以采用非緊壓和緊壓線芯兩種。交聯(lián)電纜 的導(dǎo)電線芯通常采用絞合結(jié)構(gòu)，1kV交聯(lián)電纜通常采用扇形、半圓形和圓形。6kV以上交聯(lián)電纜采用圓形緊壓線芯。

(1)圓形導(dǎo)電線芯

圓形導(dǎo)電線芯，其絞合排列一般采用“正規(guī)絞合”的形式，絞合原則是：

1)中心一般為一根單線，第二層為六根單線，以后每層比內(nèi)層多六根，單線采用相同的線徑。

2)每層單線的絞合方向應(yīng)和前一層方向相反，最外層應(yīng)用左向絞合。這種結(jié)構(gòu)可保證電纜導(dǎo)電線芯的穩(wěn)定性和一定的柔軟性。

(2)扇形和半圓形導(dǎo)電線芯

    扇形和半圓形的導(dǎo)電線芯不是理想的對稱形狀，因此，設(shè)計多根線芯排列時考慮到彎曲情況下的穩(wěn)定性極為重要。為使非緊壓扇形線芯具有足夠的可曲度和穩(wěn)定性，在設(shè)計不緊壓扇形芯時，必須遵守下列規(guī)則：

    1)中央導(dǎo)線規(guī)則 扇形芯的中央導(dǎo)線必須位于扇形芯的中心線上，否則，當線芯彎曲時，位于中心線上部導(dǎo)線將被拉伸，而下部的將受壓縮而可能擠出，這將引起扇形破壞而損傷絕緣。

    2)移滑規(guī)則 扇形芯中心線上導(dǎo)線的直徑一般較大，處在其兩側(cè)的導(dǎo)線應(yīng)能沿中心線上導(dǎo)線滑動而不改變扇形芯形狀，這一規(guī)則稱為移滑規(guī)則，否則，當扇形芯絞合成纜時，扇形可能被破壞而損傷絕緣 

2．絕緣

絕緣是將絕緣材料按其耐受電壓程度的要求，以不同的厚度包復(fù)在導(dǎo)體外面而成，起著使帶電體與其他部分隔絕的作用。絕緣層的材料必須具有良好的電氣絕緣性能，主要表現(xiàn)為承受電壓的大小。一般地講，同一質(zhì)量的絕緣層愈厚，耐電壓也越高。

絕緣也要具有一定的機械物理性能和加工制造的工藝性能。例如制造低壓電纜時，盡管從電氣性能方面考慮可以采用很薄的絕緣，但從機械性能與加工工藝考慮，仍以稍厚一些為好，原因是絕緣過薄，加工較困難，容易損壞。電纜通電以后，導(dǎo)體要發(fā)熱。因此，比較理想的絕緣材料，應(yīng)有良好的絕緣性能，和良好的熱傳導(dǎo)性能。

絕緣在電和熱的作用下，內(nèi)部會產(chǎn)生變化，天長日久，絕緣性能就要降低。交聯(lián)聚乙烯具有優(yōu)良的電氣絕緣性能，經(jīng)過交聯(lián)后，它的耐熱和機械性能大幅度地提高，是目前理想的絕緣材料。

導(dǎo)體包覆絕緣層后稱為絕緣線芯。每個導(dǎo)體上的絕緣層，稱為線芯的絕緣或簡稱芯絕緣。

根據(jù)國家標準GBl2706和GBll017規(guī)定，不同電壓等級交聯(lián)電纜絕緣厚度見表1—1。

表1—1交聯(lián)電纜絕緣厚度

3．護層

護層是電纜外層的保護部分。根據(jù)電纜的用途以及使用環(huán)境和絕緣的不同，護層有許多不同型式和結(jié)構(gòu)，它們所起的作用也不盡相同。交聯(lián)電纜護層主要有裸護套和鎧裝型兩種，在不經(jīng)受機械外力情況下，選用裸護套，即直接在絕緣線芯外面擠包一層塑料，如果用于直埋或要經(jīng)受一定的機械外力，需要包上金屬帶鎧裝；110kV高壓交聯(lián)電纜或其它電纜埋設(shè)在水下，則需要防水護層，包上一層鉛套、鋁套或鋁塑綜合防水層。

由于它經(jīng)受不住機械損傷，因而還需包上鋼絲、鋼帶。鋼絲、鋼帶容易被腐蝕，鉛套、鋁套在惡劣環(huán)境下也容易被腐蝕，因而還需包上各種防腐材料，如瀝青、黃麻、塑料等。這些都統(tǒng)稱為外護層。其中鋼絲、鋼帶稱為鎧裝層，瀝青、黃麻、塑料稱為防護層。此外在導(dǎo)體上、絕緣層上、電纜芯上或電線電纜外層，為了防止外界電磁波干擾或是起均勻電埸作用，還包有金屬帶、絲或半導(dǎo)電塑料等材料。這些都稱為屏蔽層。

4．高壓電纜的防水層

油紙電纜均采用壓鉛機和壓鋁機擠包金屬套，對于中低壓交聯(lián)電纜一般在有化學腐蝕的環(huán)境或水底敷設(shè)時才采用。但對于高壓電纜一般規(guī)定使用金屬護套。采用擠包的皺紋鋁金屬套較為理想，但一臺連續(xù)式壓鋁機價格貴，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，皺紋焊接的鋁套電纜使用的可靠性已愈來愈多為人們所認識，各電纜企業(yè)采用先進的氬弧焊接技術(shù)，并裝有超聲波等在線檢測裝置，保證了焊接的密封性，為了檢驗是否漏焊，生產(chǎn)廠家又加了一項中間檢驗裝置，將整盤焊接后的電纜進行浸水氣密性試驗，且進行百分之百的檢驗。

二、 交聯(lián)方法

交聯(lián)絕緣的品種雖多，但主要分為物理交聯(lián)和化學交聯(lián)兩大類。物理交聯(lián)也稱為輻照交聯(lián)，一般適用于絕緣厚度較薄的低壓電纜。中高壓電纜一般采用過氧化物交聯(lián)，即用化學方法將線性分子通過化學交聯(lián)反應(yīng)起來，轉(zhuǎn)化為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；瘜W交聯(lián)一般還可分為過氧化物交聯(lián)和硅烷接枝交聯(lián)兩種?；瘜W交聯(lián)方法比高能輻射交聯(lián)工藝簡單，操作安全，輻照交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)度約為70％，而化學交聯(lián)可達70～90％。

一）、輻照交聯(lián)

1960年美國瑞侃公司(Rachem)就已開發(fā)了輻照交聯(lián)電纜。這種方法不要求加入交聯(lián)劑。五十年代初，美國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用放射性同位素、反應(yīng)堆廢料、反應(yīng)堆輻照本身以及電子加速器的能源來使聚乙烯交聯(lián)。后來發(fā)現(xiàn)，只有電子加速器產(chǎn)生的高能射線才具有足夠的密集輻照功率和使用效率，并可用于電線電纜制造。

輻照是采用高能粒子射線(如β射線)照射線性分子聚合物，在其鏈上打開若干游離基團，簡稱為接點。接點活性很大，可把兩個或幾個線型分子交叉聯(lián)接起來。輻照交聯(lián)一般適用于絕緣厚度較薄的低壓電纜。它的主要優(yōu)點有：

(1)生產(chǎn)速度快，占用空間小；

(2)可加工材料種類多，如PE、PVC、CPE、PP、幾乎所有聚合物，產(chǎn)品品種多；

(3)產(chǎn)品有更好的的耐熱、耐磨和較高的電氣性能；可阻燃；

(4)電耗低。

 但也存在一些問題：

(1)設(shè)備一次性投資大；

(2)對較大截面電纜的輻照不均勻，經(jīng)反復(fù)照射后，電纜彎曲次數(shù)太多，不適合于10kV及以上電纜的生產(chǎn)。主要適用于電氣裝備電纜，對較小截面電纜和lkV～10kV架空電纜也是可以的。

(3)設(shè)備開工率低。

二）、過氧化物交聯(lián)

過氧化物交聯(lián)法是通過加入交聯(lián)劑而引發(fā)交聯(lián)的方法。它主要優(yōu)點是適合各種電壓等級和各種截面的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜生產(chǎn)，特別是35kV及以上的中高壓電纜。

 1．蒸汽交聯(lián)(SCP)

蒸汽交聯(lián)制造技術(shù)是以橡皮連續(xù)硫化技術(shù)為背景演化而來的一種最“古老”的交聯(lián)方法。此方法是以壓力為15～20kg/cm2，溫度180～200℃的過熱水蒸汽為加熱和加壓媒質(zhì)，使聚乙烯實現(xiàn)交聯(lián)。蒸汽交聯(lián)是美國GE公司于1957年研究成功的。日本住友電氣公司于1959年引進了這項技術(shù)，并于1960年投產(chǎn)。

由于水蒸汽在交聯(lián)管內(nèi)直接與熔融狀態(tài)的聚乙烯接觸，水份會向絕緣內(nèi)滲透擴散。在電纜冷卻過程中，絕緣內(nèi)部的水蒸汽達到飽和狀態(tài)而形成微孔，繼而引發(fā)樹枝放電。這是此方法的致命弱點。此外交聯(lián)管內(nèi)的壓力與溫度直接相關(guān)。要提高溫度，必須同時增大壓力。溫度每升高10℃，壓力將要增大5kg，這實際上是不可能的。況且，蒸汽交聯(lián)每小時需要蒸汽200～300公斤，折合電能200～300kW。于是，六十年代起，又出現(xiàn)了一些新的干式交聯(lián)工藝。

2．紅外線交聯(lián)法(RCP)與干式交聯(lián)

紅外線交聯(lián)法也叫做熱輻射交聯(lián)法(RCP)，是日本住友電氣公司于1967年發(fā)明的一種干式交聯(lián)工藝。

用紅外線使聚合物交聯(lián)的方法，早在1937年法國通用電氣公司(GE)就已取得了專利，用于橡膠制品硫化。1961年美國格雷(w．R．Grace)取得了用紅外線輻照法制造聚乙烯薄膜的專利。日本住友電氣公司從上述兩件專利受到啟發(fā)，1966年6月申請了一件專利，是在導(dǎo)體上擠包一層含有有機過氧化物交聯(lián)劑的交聯(lián)聚乙烯，再加2kg/cm2以上壓力的惰性氣體輻射加熱，使聚乙烯發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

1967年4月，住友電氣公司又申請了一份專利，提出整個交聯(lián)機組由輻射加熱部分、予冷卻部分和水冷卻部分組成，輻射加熱部分分成兩個區(qū)域，每個區(qū)域能各自獨立控制溫度。在長期交聯(lián)反應(yīng)過程中，交聯(lián)管內(nèi)壁形成了一層過氧化物沉積的黑色污垢，這就是一層自然形成的紅外線發(fā)射的黑體，在其它國家RCP工藝就為一般電熱干式交聯(lián)工藝所代替，稱CCV懸掛式交聯(lián)工藝

加熱和預(yù)冷卻部分用氮氣保護。在加熱交聯(lián)管內(nèi)，氮氣的主要作用是作為傳熱媒質(zhì)，保護聚乙烯在較高溫度下表面不發(fā)生氧化降解，對絕緣施加壓力可使不發(fā)生或少發(fā)生氣隙，流動的氮氣還可帶走大量的由冷卻水揮發(fā)出來的水分和交聯(lián)反應(yīng)中過氧化物分解出來的水分。

在預(yù)冷卻部分氮氣的主要作用是對電纜絕緣線芯表面進行預(yù)冷卻，使線芯表面在較低的溫度下進入水冷卻部分，從而防止線芯驟冷和水侵入絕緣內(nèi)。由于采用電加熱，故可以用提高溫度的方法提高生產(chǎn)速度。交聯(lián)聚乙烯絕緣中，含水量僅為0．018％，而蒸汽交聯(lián)的含水量達O．29％；交流和沖擊擊穿強度比蒸汽交聯(lián)高50％；最大場強可達7kV／mm，而蒸氣交聯(lián)只有5kV／mm。

3．長承模(MDCV)交聯(lián)

長承模交聯(lián)是美國阿納康達電線電纜公司(Ana．conda)于1959年發(fā)明的，同年便申請了專利，稱為MCP工藝。后來由于電線電纜行業(yè)競爭十分激烈，該公司退出了交聯(lián)聚乙烯電纜制造競爭，而使這種新工藝未能付諸實用。1971年大日本電線電纜公司和三菱石油化學公司合作，購買了阿納康達公司的專利，使此法得以實現(xiàn)，稱為MDCV工藝。1973年大日日本電線電纜公司申請了MDCV工藝的專利。MDCV的原文含義是“三菱一大日連續(xù)交聯(lián)法”，而技術(shù)上的含義是長承模交聯(lián)工藝法。

MDCV法采用水平式交聯(lián)管。此交聯(lián)管緊裝在擠出機頭上。擠出模子長達20米。擠出絕緣線芯時，向管內(nèi)充入潤滑油，并使聚乙烯在此模具內(nèi)發(fā)生交聯(lián)。

MDCV法的特點是設(shè)備投資少。占地面積小，能穩(wěn)定地生產(chǎn)大截面電纜，生產(chǎn)速度與CCV交聯(lián)機組相當，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，電纜的交流擊穿場強比蒸汽交聯(lián)電纜高60％～70％。不過，當需要生產(chǎn)不同規(guī)格的電纜時，要更換整個長承模，靈活性不強，因此在世界上推廣不快。

4．加壓熔鹽交聯(lián)(PLCV)工藝

此方法最初是由意大利卡萊羅公司(Careillo)發(fā)明。1976年8月，該公司與英國通用工程公司合作研究，使之用于制造交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。1977年英國通用工程公司的杰拉樂德·斯馬特(Gerald Smaa_rt)發(fā)表了這項成果，并向英國BICC公司出售了第一臺設(shè)備。PLCV系統(tǒng)中所用的鹽與橡皮硫化的LCM法所用的鹽一樣，是由53％的硝酸鉀、40％的亞硝酸鈉和7％的硝酸鈉組成的無機鹽混合物。

這種混合物在145～150℃時熔化，直到540℃時，性能仍然穩(wěn)定。熔鹽交聯(lián)管是密封的，并加3—4大氣壓的壓力，熔鹽溫度200～250℃。冷卻段也采用加壓方式。熔鹽段長度40m，冷卻段長20m。熔鹽的傳熱性好，故生產(chǎn)速度快。產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本為罐式硫化的31～34％，耗電量為蒸汽連續(xù)硫化的14．5％。該工藝現(xiàn)已較多地用在橡套生產(chǎn)線中。 

5．硅油交聯(lián)(FZCV)工藝

1979年、日本藤倉電線公司的鹿間貞吉等人發(fā)明了硅油交聯(lián)(FZCV)。此方法用加壓硅油作為加熱和冷卻媒質(zhì)。在硅油的壓力作用下，電纜可懸浮在硅油中而不致擦管和偏芯。硅油的壓力和溫度可循環(huán)使用。藤倉電線公司于1979年開始用兩臺FZCV機組生產(chǎn)275kV交聯(lián)聚乙烯電纜，一舉解決了用懸掛式交聯(lián)機組生產(chǎn)大截面交聯(lián)聚乙烯電纜高壓技術(shù)問題。雖然FZCV機組的成本較高，但仍比建造立塔和交聯(lián)設(shè)備經(jīng)濟。

在上述交聯(lián)方法中，均為外部加熱式交聯(lián)方法。1975年西德的門奇(G．Menger)提出通過導(dǎo)體加熱法來縮短交聯(lián)時間。他用實驗證明，每1毫米厚的聚乙烯絕緣，交聯(lián)時間約1分鐘。這樣，只有減慢出線速度或增大交聯(lián)管長度才行。若用1000安培的電流使導(dǎo)體溫度升高到200℃，則交聯(lián)時間縮短20％。

三、、硅烷交聯(lián)

硅烷交聯(lián)又稱溫水交聯(lián)，1960年英國道康寧公司(Dow—Coning)提出開發(fā)的，也稱為Sioplas法，即硅烷接枝交聯(lián)工藝，它是把接枝和擠出分成兩個工序進行，第一步由絕緣料廠將硅烷交聯(lián)劑與基料在擠出機上接枝和擠出造粒，該料稱為A料，同時還提供催化劑和著色劑的母料，稱B料。第二步是電纜廠將A，B料以95：5的比例混合。并在普通擠出機上擠包在電纜導(dǎo)體上，再放入70℃～90℃溫水中交聯(lián)也可以在蒸汽房中交聯(lián)。該工藝投資成本低，可用一般的擠出機進行加工，材料價格適中，得到廣泛地應(yīng)用。

但也存在以下缺點：(1)接枝聚乙烯容易與空氣中水分發(fā)生先期交聯(lián)，縮短了貯存時間，一般貯存期為半年。(2)接枝聚乙烯與催化劑母料的混合物，貯存期一般不超過3h，所以需要邊混合邊擠塑。(3)由于二步法通過多次的混合，容易導(dǎo)致雜質(zhì)的混入，故只能用于10kV及以下電纜絕緣的制造。

為了克服Sioplas的局限性，1977年英國BICC和瑞士Maillefer公司合作，在道康寧公司發(fā)明的兩步法基礎(chǔ)上，又發(fā)明了一步法硅烷交聯(lián)工藝，也稱作Monosil工藝。它將聚乙烯基料、抗氧劑和液態(tài)硅烷同時計量、混合，即是將接枝反應(yīng)和添加催化劑過程合并，并采用長徑比為30：1的擠出機將絕緣擠包在電纜導(dǎo)體上，即將絕緣層的接枝和擠出由一個步驟來完成，故稱為一步法。它的材料成本最低，雜質(zhì)的污染機會減少，而且材料貯存期可以大大增加。但是這種工藝技術(shù)難度大，設(shè)備投資比二步法大，需要配備一套液態(tài)硅烷的送料系統(tǒng)。

到了八十年代日本菱克隆公司在吸取兩步法和一步法的優(yōu)點基礎(chǔ)上開發(fā)共聚法。共聚法也是使用硅烷共聚單體——乙烯基－三甲氧基硅烷，只是采用的工藝不同。該工藝不是把有機硅烷接枝到聚合物鏈上，而是在聚合過程中導(dǎo)入可水解硅烷，從而產(chǎn)生一種易于加工的硅烷共聚物，其方法是在高壓反應(yīng)釜中，使乙烯與硅烷共聚單體發(fā)生共聚反應(yīng)，這項工藝的關(guān)鍵是，所選用的共聚單體必須是含有一種能夠與乙烯發(fā)生反應(yīng)生成聚合物鏈的不飽和基團。乙烯硅烷共聚物與Sioplas接枝化合物結(jié)構(gòu)上基本相同。

由于硅烷共聚物的制造是在反應(yīng)釜中進行的，所以它能夠確保高的清潔度，而且也避免了接枝時過氧化物殘渣的污染問題。硅烷共聚物更為主要的優(yōu)點是，在聚合反應(yīng)時因為硅烷共聚單體一次投入，實現(xiàn)了交聯(lián)晶格的有規(guī)則分布，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。由于共聚法工藝的先進和獨特。制得的硅烷交聯(lián)聚乙烯料具有以下優(yōu)點：

(1)貯存穩(wěn)定性好，存貯時間一般可超過一年，而接枝產(chǎn)品只有六個月。

(2)共聚法交聯(lián)聚乙烯加工過程中，混入的游離物及雜質(zhì)極少，因而提高了電纜絕緣性能和機械性能。

(3)它在普通的擠塑機上加工時，產(chǎn)生的氣體較少，成型加工穩(wěn)定性好。

以后又相繼開發(fā)了固相一步法工藝和固化硅烷工藝。固相一步法工藝是將硅烷通過白碳黑等載體滲吸到PE基料中去。固化硅烷工藝是為了改進硅烷送料方式，可將液態(tài)硅烷吸附在多孔性聚丙烯塑料或PE塑料中，形成固化硅烷。這兩種均是一步法派生出來。最近市場又派生出一種用50％共聚聚料和50％基料摻和而成的共混料，在國內(nèi)也有較多應(yīng)用。

到目前為止，已有七種硅烷交聯(lián)工藝生產(chǎn)方式，其中有三種是派生出來的。這七種方法中，除了Monosil一步法設(shè)備投資較多，共聚料材料價格較高外，其余均可利用原有設(shè)備進行生產(chǎn)；具有生產(chǎn)工藝簡單、成品率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。

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