电线电缆交联工艺学发展回顾

【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

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。

【参考文献】

[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].