低压电缆交联工艺研究

【摘 要】目前低压电力电缆常用二步法交联以及蒸汽交联工艺。本文主要介绍了硅烷交联原理，交联工艺的比较，对普通硅烷料不同温度、湿度以及不同厂家材料的自交联情况以及快速交联料的自交联情况进行了研究，发现温度越高、湿度越大，热延伸越好；材料配方的不同，也对热延伸速度产生较大的影响。

【关键词】低压 交联 工艺 比较

引言

交联聚乙烯（XLPE）具有良好的电气性能、机械物理性能以及方便可靠的加工性能，现已取代聚乙烯（PE）作为电缆绝缘并得到广泛的市场应用。众所周知，聚乙烯（PE）具有良好的物理以及化学性能，加工方便，但同时也存在一些缺点，如：熔点低，耐热性能差，制品机械性能差，耐体长期运行温度只能达到70℃，因此为了提高聚乙烯（PE）的这些缺点，国内外专家研究了许多改性方法，交联就是其中一种[1]。目前的交联工艺主要有硅烷交联（又称湿法交联）、DCP过氧化物交联（干法交联）、辐照交联等。交联后的PE材料具有优异的电气、物理以及加工性能。本文主要对硅烷交联工艺进行研究总结。

1 交联聚乙烯（XLPE）电缆简介

1.1 交联聚乙烯（XLPE）原理

XLPE是通过化学或物理方法（高能射线照射）将PE进行改性（交联）而得，未交联前PE是一种线性分子结构的高分子材料，线性分子间结合力主要以范德华力为主，并且温度越高，范德华力越弱，在55℃临界温度即可发生材料变形。而经过改性后得到的XLPE，其结构已由原来的线性分子结构变成了三维网状结构，大分子间的结合力由原来的范德华力变为了交联键，因此其具有更多优异的性能[2]：

（1）耐热性：网状立体结构的XLPE具有十分优异的耐热性，在300℃以下不会分解、碳化，长期工作温度可达90℃，热寿命可达40年。

（2）绝缘性：XLPE保持了PE原有的优良绝缘特性，且绝缘电阻进一步增大，其介质损耗角正切值很小，受温度影响小。

（3）机械性：由于大分子间建立了新的化学键，XLPE的硬度、刚度、耐磨性和抗冲击性均有提高，弥补了PE易受环境应力而龟裂的缺点。

1.2 交联工艺分类

XLPE电缆发展至今已有半个多世纪，我国交联电缆起步较晚，大概从六十年代才开始研制XLPE电缆。目前常用的交联工艺主要为三大类：

（1）硅烷交联。此工艺是美国Dow Coring公司在20世纪60年明的，后来经过改进，逐步形成了一步法与二步法的硅烷交联工艺，常用作1kV～3kV电力电缆的生产。

（2）DCP过氧化物交联。1957年由美国GE公司使用并首先发明XLPE电缆，常用作中高压电力电缆的生产。

（3）辐照交联。此技术开始于20世纪50年代中期，美国电子化学公司利用高能电子射线照PE，分子由线型变为三维网状结构。常用作绝缘厚度较薄的产品生产。

2 硅完交联工艺

2.1 硅烷交联原理

硅烷交联工艺分为一步法和二步法，因一步法对温度敏感，温度的高低使得材料存在过度交联、接枝不好等问题，应此目前使用最广的是二步法。

硅烷交联主要分两个过程：1）第一个过程：采用有机过氧化物等引发剂将乙烯基硅烷在熔融状态下接枝到PE分子上。过氧化物受热分解产生的自由基夺走PE分子链上的氢原子，形成的PE大分子链自由基与硅烷分子的双键发生反应。2）第二个过程：接枝后的硅烷通过热水或水蒸汽水解而交联成网状结构。交联时，水分子通过聚合物分子间隙与接枝在聚合物链上的硅烷发生置换反应，形成-SI-O-SI-交叉链，其化学过程示意如图1所示[3]。

2.2 不同硅烷交联工艺的比较

目前低压电缆绝缘的交联工艺以硅烷交联为主，主要方式为温水交联和蒸汽交联。温水交联是将挤塑好的绝缘线芯直接放于90～95℃的热水池中进行交联；蒸汽交联将挤塑好的绝缘线芯放在高温蒸汽房利用蒸汽进行交联。两种方式的特点介绍如下：

2.2.1 温水交联

优点：（1）交联用的媒质是液态水，只需要把水加热到95℃即可。（2）装卸线芯时热量逃逸少，温度下降慢，能量利用率高。（3）液态水的流动性以及热传导使得各处温度基本一致，交联度均匀。

缺点：（1）装卸线芯麻烦，需要使用吊机。（2）使用的水易脏，需经常换。（3）操作存在安全隐患，有跌落水池的危险。

2.2.2 蒸汽交联

优点：（1）装卸线芯容易、操作方便，可使用叉车或地轨。（2）采用一次性蒸汽，交联场地环境相对干净。（3）由于蒸汽不是重复利用，因此线芯一般较干净。

缺点：（1）线芯周转时需要停蒸汽和降温，不同批次需要重新补充蒸汽。（2）常压蒸汽没有压力，很难进入到线芯内层，容易造成交联度不均匀的现象。但若使用0.5～0.7MPa饱和蒸汽，水汽易渗透到缆缝里，可提高交联度[4]。（3）蒸汽从底部开始上升易冷凝成水，无法循环，易造成蒸汽房内各处温度不一致，使得不同位置放的线芯交联度存在差异。

2.3 普通绝缘线芯自交联研究

目前大多厂家采用蒸汽交联方式，绝缘材料使用的普通硅烷料。为更好地对产品生产进行指导和质量保障，针对性的对普通XLPE绝缘料，在不同的温度、湿度等条件下，进行自交联研究试验与对比。

2.3.1 相同湿度，不同温度下热延伸情况研究

众所周知，蒸汽交联能够进行下去，两个因素不可缺少：温度以及水。一般情况下，蒸汽交联的温度达到90℃，并且蒸汽源源不断，但是设想因为空气中也有水份，如果将线芯置于正常湿度下，交联度会发生怎样的变化，为此，取8根绝缘线芯（未经过蒸汽交联），分别置于湿度相同，但温度不同的烘房中，分别经过7天以及14天取样测试热延伸，结果见表1。

从表1中可看出，温度相同时，热延伸随温度升高而逐渐降低，温度越高，相同时间内，热延伸指标越好。同一温度下，缆芯存放时间越长，热延伸指标越好，这也说明，在室外，温度的高低会影响交联的速度，但是不会阻止交联的发生。

2.3.2 相同温度，不同湿度下热延伸情况研究

取两组（两根为一组）相同长度，相同规格的绝缘线芯（未经过蒸汽交联），分别置于22℃以及35℃的温度下，对每组中的一根进行不定期撒水，经过7天以及14天后取样测试热延伸，结果见表2。

从表2中可看出，温度相同r，经过表面撒水的绝缘线芯热延伸均比不撒水的指标好。这说明，湿度的大小同样会影响交联的速度，湿度越大，交联度越好，但是7天取样的热延伸全部断裂，说明相比于温度，湿度对交联的影响要低一些，蒸汽交联过程中，温度为主要因素，若出现热延伸指标不合格，首先可考虑改变交联温度。

2.3.3 不同厂家的普通绝缘料自交联热延伸情况对比

取两根相同规格的绝缘线芯，使用不同材料厂家的绝缘料进行挤塑，不经过蒸汽交联，置于室内（温度、湿度相同），经过7天以及14天取样测试热延伸，结果见表3。

由表3可看出，相比于B厂家，A厂家提供的绝缘材料交联度较好，较快。交联速度的快慢取决于接枝料的不同以及催化剂含量的多少，因此不同厂家的绝缘料配方的不同会导致交联的速度存在一些差异。

2.4 快速交联线芯自交联试验

为最大程度减少大长度收线时内部缆芯交联不充分的问题，针对性的采用可可快速交联的XLPE绝缘料进行自交联研究试验，从而对产品生产以及大长度收线进行指导和质量保障，确保热延伸能够达到要求。

2.4.1 不同规格线芯自交联热延伸对比

取两根不同规格的绝缘线芯（未经过蒸汽交联），放置在室内，分别经过6天以及11天取样测试热延伸情况，结果见表4。

从表中可看出，240mm2的绝缘线芯，即使厚度达到2.4mm，经过6天的热延伸也可达到100%，11天热延伸达到50%；同时对比70 mm2以及240mm2可看出绝缘厚度越薄，热延伸越指标越好，达到标准要求所需的时间越短。

2.4.2 不同型号绝缘料自交联热延伸对比

取两根相同规格的线芯，分别使用普通绝缘料以及快速交联料进行绝缘挤制，不经过蒸汽交联，置于室内，经过7天以及14天取样测试热延伸，结果见表5。

从表中可看出，普通绝缘料需经过14天自交联，才刚好符合标准要求（标准：≤175%），而快速交联料7天热延伸就可达到100%，这说明快速交联料具有较强的自交联能力，可大大缩短交联时间。大长度收线时，使用快速交联料可更好的确保产品质量，即使蒸汽交联过程中交联度不够，其在后续的生产过程中也会快速地进行自交联，确保热延伸指标达到要求。

3 结语

目前，低压绝缘的交联方式以二步法以及硅烷蒸汽交联为主，温度和水是硅烷绝缘料能够交联的两个必备条件。在不用蒸汽交联的情况下，普通硅烷交联绝缘料以及快速硅烷绝缘料都能够进行自交联，交联速度随温度的不同和湿度的不同存在一些差别：

（1）相同湿度下，温度越高，交联越快。240mm2普通绝缘线芯（绝缘标称厚度1.7mm）室温下自交联14天，热延伸达到175%，而67℃下，只需要自交联7天，就可达到175%。

（2）相同温度下，湿度越大，交联越快。但是相比于温度，湿度对交联的影响要小。若热延伸出现不合格或过交联情况，可首先考虑改变温度。

（3）配方的不同，交联速度存在一些差异。就材料本身而言，交联速度的快慢取决于接枝料的不同以及催化剂含量的多少。相比于普通绝缘料，更改配方后的快速交联料的自交联能力更强，240mm2的线芯，室温下6天热延伸就可达到100%，11天热延伸达到50%，大大缩短了交联时间。

（4）绝缘线芯大长度收线时，使用快速交联料能更好的确保热延伸指标的合格，保证产品的质量。即使蒸汽交联过程中交联度不够，其在后续的生产过程中也会快速地进行自交联，确保热延伸指标达到要求。

参考文献

[1]陈博文，张勇，磊等.电缆制造工艺对硅烷交联聚乙烯热延伸的影响[J].电线电缆，2012（1）：44-46.

[2]朱晓辉.交联工艺对交联聚乙烯绝缘特性的影响[D].天津：天津大学电气与自动化工程学院，2010.

[3]刘焕新.二步法硅烷交联电缆的投资价值分析，全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集[C].浙江：国家电网公司电力科学研究院，2008，1074-1077.

[4]黎驹，符雨恩.热水交联与常压蒸汽交联两种工艺比较[J].电线电缆，2007（4）：21-23.