低壓電纜交聯工藝研究

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以及蒸汽交聯工藝。本文主要介紹了硅烷交聯原理，交聯工藝的比較，對普通硅烷料不同溫度、濕度以及不同廠家材料的自交聯情況以及快速交聯料的自交聯情況進行了研究，發現溫度越高、濕度越大，熱延伸越好；材料配方的不同，也對熱延伸速度產生較大的影響。

【關鍵詞】低壓 交聯 工藝 比較

引言

交聯聚乙烯（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，國內外專家研究了許多改性方法，交聯就是其中一種[1]。目前的交聯工藝主要有硅烷交聯（又稱濕法交聯）、DCP過氧化物交聯（干法交聯）、輻照交聯等。交聯后的PE材料具有優異的電氣、物理以及加工性能。本文主要對硅烷交聯工藝進行研究總結。

1 交聯聚乙烯（XLPE）電纜簡介

1.1 交聯聚乙烯（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）而得，未交聯前PE是一種線性分子結構的高分子材料，線性分子間結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℃臨界溫度即可發生材料變形。而經過改性后得到的XLPE，其結構已由原來的線性分子結構變成了三維網狀結構，大分子間的結合力由原來的范德華力變為了交聯鍵，因此其具有更多優異的性能[2]：

（1）耐熱性：網狀立體結構的XLPE具有十分優異的耐熱性，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原有的優良絕緣特性，且絕緣電阻進一步增大，其介質損耗角正切值很小，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易受環境應力而龜裂的缺點。

1.2 交聯工藝分類

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

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

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

（3）輻照交聯。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，分子由線型變為三維網狀結構。常用作絕緣厚度較薄的產品生產。

2 硅完交聯工藝

2.1 硅烷交聯原理

硅烷交聯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、接枝不好等問題，應此目前使用最廣的是二步法。

硅烷交聯主要分兩個過程：1）第一個過程：采用有機過氧化物等引發劑將乙烯基硅烷在熔融狀態下接枝到PE分子上。過氧化物受熱分解產生的自由基奪走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成網狀結構。交聯時，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 不同硅烷交聯工藝的比較

目前低壓電纜絕緣的交聯工藝以硅烷交聯為主，主要方式為溫水交聯和蒸汽交聯。溫水交聯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；蒸汽交聯將擠塑好的絕緣線芯放在高溫蒸汽房利用蒸汽進行交聯。兩種方式的特點介紹如下：

2.2.1 溫水交聯

優點：（1）交聯用的媒質是液態水，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）液態水的流動性以及熱傳導使得各處溫度基本一致，交聯度均勻。

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

優點：（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，交聯場地環境相對干凈。（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，很難進入到線芯內層，容易造成交聯度不均勻的現象。但若使用0.5～0.7MPa飽和蒸汽，水汽易滲透到纜縫里，可提高交聯度[4]。（3）蒸汽從底部開始上升易冷凝成水，無法循環，易造成蒸汽房內各處溫度不一致，使得不同位置放的線芯交聯度存在差異。

2.3 普通絕緣線芯自交聯研究

目前大多廠家采用蒸汽交聯方式，絕緣材料使用的普通硅烷料。為更好地對產品生產進行指導和質量保障，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，交聯度會發生怎樣的變化，為此，取8根絕緣線芯（未經過蒸汽交聯），分別置于濕度相同，但溫度不同的烘房中，分別經過7天以及14天取樣測試熱延伸，結果見表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，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的速度，但是不會阻止交聯的發生。

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，相同規格的絕緣線芯（未經過蒸汽交聯），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，經過7天以及14天后取樣測試熱延伸，結果見表2。

從表2中可看出，溫度相同時，經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的速度，濕度越大，交聯度越好，但是7天取樣的熱延伸全部斷裂，說明相比于溫度，濕度對交聯的影響要低一些，蒸汽交聯過程中，溫度為主要因素，若出現熱延伸指標不合格，首先可考慮改變交聯溫度。

2.3.3 不同廠家的普通絕緣料自交聯熱延伸情況對比

取兩根相同規格的絕緣線芯，使用不同材料廠家的絕緣料進行擠塑，不經過蒸汽交聯，置于室內（溫度、濕度相同），經過7天以及14天取樣測試熱延伸，結果見表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度較好，較快。交聯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的速度存在一些差異。

2.4 快速交聯線芯自交聯試驗

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

2.4.1 不同規格線芯自交聯熱延伸對比

取兩根不同規格的絕緣線芯（未經過蒸汽交聯），放置在室內，分別經過6天以及11天取樣測試熱延伸情況，結果見表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熱延伸對比

取兩根相同規格的線芯，分別使用普通絕緣料以及快速交聯料進行絕緣擠制，不經過蒸汽交聯，置于室內，經過7天以及14天取樣測試熱延伸，結果見表5。

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

3 結語

目前，低壓絕緣的交聯方式以二步法以及硅烷蒸汽交聯為主，溫度和水是硅烷絕緣料能夠交聯的兩個必備條件。在不用蒸汽交聯的情況下，普通硅烷交聯絕緣料以及快速硅烷絕緣料都能夠進行自交聯，交聯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，交聯越快。240mm2普通絕緣線芯（絕緣標稱厚度1.7mm）室溫下自交聯14天，熱延伸達到175%，而67℃下，只需要自交聯7天，就可達到175%。

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

（3）配方的不同，交聯速度存在一些差異。就材料本身而言，交聯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料的自交聯能力更強，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%，大大縮短了交聯時間。

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

參考文獻

[1]陳博文，張勇，磊等.電纜制造工藝對硅烷交聯聚乙烯熱延伸的影響[J].電線電纜，2012（1）：44-46.

[2]朱曉輝.交聯工藝對交聯聚乙烯絕緣特性的影響[D].天津：天津大學電氣與自動化工程學院，2010.

[3]劉煥新.二步法硅烷交聯電纜的投資價值分析，全國第八次電力電纜運行經驗交流會論文集[C].浙江：國家電網公司電力科學研究院，2008，1074-1077.

[4]黎駒，符雨恩.熱水交聯與常壓蒸汽交聯兩種工藝比較[J].電線電纜，2007（4）：21-23.