电线电缆交联工艺学发展回顾

Science &Technology Vision 科技视界
1交联绝缘电缆发展
1957年美国GE 公司采用过氧化烯物作为化学交联反应剂,首先在电缆工业中制造了交联电缆,1965年35kV 交联电缆研制成功,继而69~138kV 等级电缆相继研制成功。

日本在交联电缆研究发展上显得比美国更为成功,住友电气公司在1959年从美国引进了交联技术后,在短短20年内相继研制成功了33kV,66kV,110kV,138kV,154kV,275kV,500kV 电压等级电缆。

日本住友、古河、日立、藤仓、昭和等大型电线电缆公司研制交联电缆的时间基本处于同步阶段,发展水平相当。

我国的交联电缆研制起步较晚,大约从上世纪60年代开始,1971年上海电缆厂和沈阳电缆厂研制成功10~35kV 交联聚乙烯电缆。

1983年由上海电缆厂、沈阳电缆厂和上海电缆研究所在消化吸收引进瑞典Sieverts 公司的干式交联生产机组,为交联电线电缆大面积推广奠定了技术基础。

从上世纪80年代中期开始,国内交联电缆需求增加,我国的干式交联生产线如雨后春笋般的建立起来,但是由于企业缺少交联生产技术认识,加上国产的原材料质量存在问题,交联电缆的击穿故障率较高,直接影响到了交联电缆的安全运行。

为此在全国范围内开展了交联生产线的整顿和验收,为此电线电缆企业人员素质、工艺水平、体系管理等方面得到了提升。

上世纪90年代开始,国内又掀起了超高压电缆生产线的高潮。

到目前为止全国拥有交联生产线企业4000余家,立塔VCV 生产线100余条,生产能力已经达到500kV 电压等级,产能已居世界第一位。

2交联工艺简介
电线电缆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。

物理交联也称之为辐照交联一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆。

中高压电缆采用过氧化物交联,用化学方法将线性分子通过化学交联反应链接起来,从而转化为立体网状结构。

化学交联方法比辐照交联工艺简单,操作更安全。

试验数据显示:辐照交联聚乙烯的交联度为70%,而化学交联可达80-90%,交联度更高,质量更稳定。

3辐照交联
辐照交联电缆工艺的发明始于上世纪60年代美国,该工艺不需要加入交联剂,采用高能粒子射线(如β射线)照射线性分子聚合物,在聚合物链上打开游离基团,形成接点,由于接点活性很大,能把两个或多个线型分子交叉连接起来。

鉴于辐照能量原因,辐照工艺一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆。

该工艺的一些主要优点有:
(1)生产速度快,占地小;
(2)适用于该工艺的材料种类多,如PE、PVC、PP、EPDM、CPE,几乎包含了所有聚合物品种;
(3)辐照后的产品具有优良的耐热、耐磨和电气性能;
(4)相比其他工艺,能耗低。

但辐照交联工艺也存在一些问题:(1)设备投入较大;
(2)适合小截面,薄绝缘电线电缆产品。

4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工艺方法,和辐照交联相比,该方法适用于各种电压等级和大小截面的交联聚乙烯绝缘电缆的生产。

氧化物交联按照不同的工艺又可以细分为:蒸汽交联、干式交联、长承模交联、加压熔盐交联、硅油交联、硅烷交联等工艺。

4.1蒸汽交联及干式交联
蒸汽交联是比较古老的一种交联方法,以橡皮连续硫化技术为背景演化而来。

美国GE 公司于1957年研究成功。

主要技术方法是在一定压力和温度的过热蒸汽中加压媒质,实现交联。

日本住友电气公司于1959年引进这项技术。

但蒸汽交联工艺存在致命的缺点:在高温高压条件下,蒸汽在交联管内与熔融状态的聚乙烯接触,水分渗透扩散到绝缘内。

在电缆冷却过程中,绝缘内部的水蒸气达到饱和状态形成微孔,在通电状态下继而引发树枝放电。

该工艺方法生产出来的产品品质存在不稳定性,能耗成本也较高,于是上世纪60年代起,又出现了一些新的干式交联工艺,如红外交联。

红外线交联法也叫做辐射交联法,是日本住友电气公司于1967年发明的一种干式交联工艺方法。

后来通过不断的改进变成了适用于电线电缆生产的一种常用的工艺方法。

该工艺方法是在金属导体上挤包一层含有有机过氧化物交联剂的交联聚乙烯,再加一定压力的惰性气体中辐射加热使聚乙烯发生交联反应。

交联机组分成两个区域,每个区域都能独立控制温度。

后来该工艺又演变为电热干式交联工艺所代替,称CCV 悬挂式交联工艺。

加热和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,流动的氮气还可以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冷却,使线芯表面在较低的温度下进入水冷却却部分,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生产速度。

交联聚乙烯绝缘中,含水量仅为0.018%,而蒸汽交联的含水量达0.29%;交流和冲击击穿强度比蒸汽交联高50%,最大场强可达7kV/mm,而蒸汽交联只有5kV/mm。

4.2长承模交联
该交联方法是美国人于1959年发明的,日本电缆企业购买该专利,通过与三菱公司的联合技术攻关,延伸发明了MDCV 工艺专利。

MDCV 法采用水平交联管,交联管装在挤出机头部位,挤出模子长达20米。

在挤出绝缘线芯同时,向管内充入润滑油,并使聚乙烯在此模具内发生交联。

MDCV 法的设备投入少,占地面积小,而且能稳定地生产大截面电缆,生产速度与CCV 交联机组相当,绝缘交流击穿场强比
电线电缆交联工艺学发展回顾
The Review of Development of Wire and Cable Cross-linking Process
胡亚南
(江苏省产品质量监督检验研究院,江苏南京210007)
【摘要】交联工艺是电线电缆产品生产过程中应用最为广泛的工艺之一。

交联聚乙烯绝缘电缆从发明至今已超过半个世纪。

在这段时间里交联工艺一直在不断的发展和提高,电线电缆品质也在不断提升。

本文着重介绍交联工艺的发展历史和现状,通过介绍,让读者了解电线电缆交联工艺技术发展历程。

【关键词】交联工艺;电线电缆;发展历程
【Abstract 】Cross-linking process is widely used in wire and cable production.The cross-linking polyethylene (PE )insulation of cable has been half a century,Throughout this period,the cross-linking process has been developed,and the quality of wire and cable has been improved also.The development of Cross-linking process is introduced in this paper,and the readers can know the features of cross-linking process in the long course of development.
【Key words 】Cross-linking process;Wire and cable;Process
作者简介:胡亚南(1960—),女,高级工程师,从事电线电缆检测技术工作。

77
. All Rights Reserved.
Science &Technology Vision
科技视
界(上接第37页)揉合文化人类学、历史学、建筑学、生态学、景观生态学、环境科学、规划学、设计学、生态恢复学等关系学科,由于视角聚焦于苏皖沿淮内涝频发的生态脆弱地区,乡村聚落景观生态评价和预警机制研究显得格外重要。

用于乡村聚落景观生态分析评价体系的方法有很多,有的偏重于质的研究,也有的偏重于定量研究,例如,在指标选取与层次分析基础上构建聚落景观评价指标体系;或运用RS 和GIS 技术以及景观分析方法,从乡村聚落用地、规模、形态、分离度4个方面进行景观空间格局分析;或采用加权平均模型建立乡村聚落生态环境质量评价等。

聚落景观评价指标体系中,生态环境、人居需求、生活方式、经济模式与资源状况等等都是关键要素,这些要素构成的系统是一个矛盾的对立统一体,要素间关系出现危机和恶化,系统将走向健康的反面。

因此,以上述指标为参考可以建立一个苏皖沿淮生态脆弱地区的预警评价指标体系。

苏皖沿淮内涝地区乡村聚落景观生态预警就是对人类活动导致的沿淮乡村聚落生态系统和人居环境质量退化、恶化的及时报警,当预警系统监测到土地规划不合理、人口压力超极限、防洪排涝设施满负荷等等,就会给出退化、恶化趋势和危机临界点,提前预警。

这个预警评价指标体系,包括系统识别、环境预测预警评价指标体系与分级指标体系。

可以建构起目标层、功能层、要素层、指标层等若干层次,每个层次又分别建立子系统的指标体系。

并根据各系统因子关联性和影响力计算指标权重系数,最终评定预警等级。

依据预警模式与参数、预警目标与内涵,预警等级可分为不良状态预警、负向演化预警和恶化速度预警等。

乡村聚落景观生态预警系统的建立是积极的,有实践价值的。

在新农村建设的关键时期,迫切需要加大对乡村聚落景观生态的科研力度。

本课题的针对性和指导性是十分明显的,尤其是在苏皖沿淮内涝地区应加强对流域性乡村聚落景观生态恢复与保护、生态村流域空间
布局、水系景观生态恢复、乡村聚落景观扩散的生态控制及流域性人类聚居生态学等系列问题的动态研究。

4结语
人类的历史是不断试错与探索的过程,几千年来,人与自然的关系也从适应到抗争,再到和谐相处,发生了质的变化,随着科学认识的进步,人类不断缩短着自己的试错周期。

苏皖沿淮内涝地区乡村聚落景观设计肩负新农村建设的历史使命,针对内涝地区生态景观重建,流域性乡村聚落空间分布序列,以及现实迫切需要建立的聚落景观生态预警系统,积极筹建富有淮河流域特征的乡村聚落景观试点工程,希望结合沿淮乡村水土相连格局,再造一条苏皖沿淮新农村水乡田园风光带。

[1]汪佩.安徽省淮河流域行蓄洪生态功能区可持续发展初步研究[D].合肥工业大学,2007.
[2]周寅康,周成虎,汤其成.中国近500年流域性洪涝初步研究[J].南京大学学报,1996(02).
[3]谭良斌,周伟,刘加平,等.传统民居聚落的生态再生和规划研究[J].规划师,2005,21(10).
[4]GILMANR.The eco-village challenge[J].LivingTogether,1991(02).
注释:
①周寅康,周成虎,汤其成.中国近500年流域性洪涝初步研究[J].南京大学学报,1996(02):314.
[责任编辑:陈双芹]
蒸汽交联高60%。

但是MDCV 工艺在实际生产中比较死板,当需要生产不同规格的电缆时,需要更换整个长承模,比较繁琐,因此推广不快,并没有得到大面积的应用。

4.3加压熔盐交联
1976年8月,意大利卡罗莱公司与英国通用工程公司合作研究,发明了加压熔盐交联工艺使之用于生产交联聚乙烯绝缘电力电缆。

该工艺中所用的盐与橡皮硫化的LCM 法所用的盐一样,主要成分有:硝酸钾53%、亚硝酸钠40%,硝酸钠组成的无机盐混合物7%。

混合物在145~150℃时熔化,在高温状态(540℃)时性能仍然稳定。

生产时交联管是密封的,施加3~4大气压力,熔盐温度200~250℃,冷却段也采用加压方式。

熔盐段长度40m,冷却段长20m。

熔盐的传热性能好,故生产速度快。

产品质量好,生产成本也非常低,耗电量为蒸汽连续硫化的14.5%。

该工艺较多地用在橡套生产线中。

4.4硅油交联
日本藤仓公司在1979年发明了硅油交联工艺。

该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。

藤仓公司于1979年开始用两台硅油交联机组生产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。

虽然机组的成本较高,但仍比建造立塔和交联设备经济。

4.5硅烷交联
硅烷交联又称温水交联,由英国道康宁公司于1960年提出开发,也称为SioplasE 法,即硅烷接枝交联工艺,分为接枝和挤出两个工序进行,也称为两步法交联。

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,该料粒称为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70~90℃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。

但该工艺也存在一些缺点:①基料接枝聚乙烯容易与空气中水分发生先期交联,贮存时间较短,一般半年。

②基料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。

③二步法需要通过多次的混合,容易导致杂质的混入,一般适用于10kV 及以下电缆绝缘的制造。

为了克服两步法交联工艺的缺陷,1977年意大利BICC 公司和瑞士Maillefer 公司合作研究,在两步法基础上又发明了一步法硅烷交联
工艺。

一步法交联工艺将聚乙烯基料、抗氧剂和液态硅烷同时计量、混合,将绝缘层的接枝和挤出由一道工序来完成,故称为一步法。

该工艺成本最低,杂质的污染概率降低。

但是这种工艺技术难度大,设备资金投资比二步法大,需要配备一套液态硅烷的送料系统。

到目前为止,硅烷交联工艺仍是目前生产低压电力电缆应用最为广泛的交联工艺之一。

4.6紫外交联
紫外交联是目前国内近期的一项新的交联工艺,早期由中国科学技术大学和中国通信信号总公司焦作铁路电缆工厂合作研制、联合开发成功了紫外光辐照法生产交联聚乙烯绝缘电力电缆和控制电缆。

紫外光交联原理:以聚烯烃为主要原料掺入适量的光引发剂,用紫外光照射,通过光引发剂吸收特定波长的紫外光引发产生聚烯烃自由基,从而发生一系列快速聚合反应,生成具有三维网状结构的交联聚烯烃。

经过交联的聚烯烃材料具有优良耐高温性、抗溶剂性,优异的电气性能和明显增强的力学性能等。

与目前国内外广泛采用的高能辐照(γ射线、电子束、中子束等)和化学法(过氧化物和硅烷法)相比较,紫外光交联法在技术原理上类似于高能电子束辐照法;在工艺流程上又类似于过氧化物热引发的化学交联法,采用连续生产工艺。

因此,紫外光交联技术是继化学交联和辐射交联之后发展起来的又一种新交联技术,对两种传统技术起着取长补短的作用。

5总结语
电线电缆交联工艺是一门集高能物理学、高分子化学、机械工程学等学科为一体的复杂工艺学。

经过半个多世纪的发展,生产技术和工艺水平已经日趋成熟,为高电压、大容量电力传输提供了安全可靠的载体,工业大发展也具备了动力供应的能源基础,可以毫不隐晦的说,如果没有交联工艺的发展,世界经济的发展必然会受到很大的影响。

随着新材料、新技术的不断发展,相信交联工艺学也会迎来新一轮的发展。

[1]王金锋,郑晓泉,李彦雄.聚乙烯中水树枝-电树枝的相互转化[J].电线电缆,2012,5:25-30.
[2]JB/T10437-2004电线电缆用可交联聚乙烯绝缘料[S].
[责任编辑:汤静]
78
. All Rights Reserved.。