硅烷交联聚乙烯绝缘电缆工艺

电线电缆专辑 技术应用Cable Special

78　｜　电气时代２００３年第５期ＥＡ由于电力事业的不断发展， 电力电缆的需求量日益增大，其年总产值已达到电缆行业总值的３０％以上，其中塑力缆占有相当大的比例。塑力缆的代表是ＰＶＣ绝缘电缆，经过近６０年的发展，其生产工艺技术已发展的比较成熟。但是，由于ＰＶＣ属极性材料，不适于制造高压电缆；另外，ＰＶＣ绝缘电缆在发生火灾时，释放出大量的卤素，给环境造成严重污染。为此，采用聚乙烯作为绝缘材料的生产工艺应运而生，即交联工艺。聚乙烯是非极性材料，具有良好的电性能，但其分子结构呈线性，挤包成绝缘层后易开裂，一直没有被应用到电缆行业上。２０世纪６０年代初，美国ＧＥ公司发明了聚乙烯交联工艺。在一定的条件下，加入催化剂，发生化学反应，改变聚乙烯分子结构，使聚乙烯分子构成三维结构的分子，由四个分子联在一起，形成空间网状结构，从而解决聚乙烯容易开裂的问题。使得交联聚乙烯绝缘电缆得以广泛推广应用。随着技术的不断发展，交联聚乙烯的交联生产工艺主要有采用电子辐射的辐射交联、采用聚乙烯中加入过氧化物在高温高压下进行的化学交联、采用有机硅作交联剂的硅烷交联。硅烷交联的原理硅烷交联严格地讲亦属于化学交联的一种方式，最初是由英国道康宁公司发明的。按生产方法不同又分为两步法和一步法。两步法首先是将不饱和硅烷分子通过有机过氧化物接枝到聚乙烯分子上，形成活性硅烷基，又称Ａ料，接枝后的聚乙烯分子仍保持热塑性。然后将含有催化剂的聚乙烯母料，又称Ｂ料，严格按一定比例混合，通过挤出机挤包到电缆导体上，在常压水汽中完成交联。此生产方法由于存在以下几个问题，没有得到广泛推广。需要专门生产Ａ料的设备或厂家；Ａ、Ｂ两种料存放周期较短，不利保存；增加了原材料受污染的几率。一步法是在两步法的基础上发展而来的，是将低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ）、线性低密度聚乙烯（ＬＬＤＰＥ）、液态硅烷等通过精确的重力计量在长径比为３０∶１螺杆挤出机一次完成混合、接枝、挤包到电缆导体上，亦在常压水汽中完成交联。一步法所用原材料保存期较长，无需增加中间生产环节，得到的产品质量高，因而被广泛推广应用。目前，瑞士Ｍａｉｌｅｆｆｅｒ公司、芬兰Ｎｏｋｉａ公司、德国Ｔｒｏｅｓｔｅｒ公司均可以提供一步法硅烷交联聚乙烯电缆生产线。上海、无锡、浙江、河北和山东等地近几年也先后从国外引进了一步法硅烷交联电缆生产线，并投入生产运行。其中杭州东冠电缆公司研制的ＹＪＶ２２硅烷交联电缆和我公司研制的ＹＪＬＶ系列硅烷交联电缆都已通过了国家新产品定型鉴定。交联的电缆“水树”现象“水树”现象是导致交联聚乙烯电缆发生故障的主要原因。表现为在交联聚乙烯绝缘层呈扇形树枝状的混浊白色形态。“水树”的产生将直接影响电缆绝缘特性及其使用寿命，根据资料介绍：６ｋＶ挤交联聚乙烯电缆的水树枝长度在０．５ｍｍ以内时，工频击穿电压约降低２０％～５０％。“水树”多产生在交联聚乙烯绝缘层或绝缘层与半导电层的界面之间，主要由于绝缘层内含有杂质或界面不光滑引起电场分布不均匀，使绝缘层中的水份不规则扩展而形成。绝缘层内水份也是产生“水树”的重要原因，降低绝缘层内的水份是避免产生水树的措施之一。但无论是化学交联还是硅烷交联都需要有水的环境。化学交联中的湿法交联是在高温高压的蒸汽管道内进行的，其绝缘层的水份含量较硅烷交联聚乙烯绝缘电缆工艺胜利油田 张卫东 朱益飞在一定的条件下，改变聚乙烯分子结构，使聚乙烯分子构成三维结构的分子，由四个分子联在一起，形成空间网状结构，从而解决聚乙烯容易开裂的问题。电线电缆专辑 技术应用Cable Special

电气时代２００３年第５期　｜ 79ＥＡ高，可达到１０００～２０００ｐｐｍ；采用惰性气体加热的干式交联电缆绝缘层内含水较少，大约为３０～５０ｐｐｍ；而硅烷交联是在常压水汽中进行，且交联反应过程是吸水反应，因而硅烷交联聚乙烯中含水份比较低，大约为５０～２００ｐｐｍ。由此可见，硅烷交联工艺产生水树现象几率相对较低，尤其是在中、低压等级电缆不会对绝缘层产生影响。在生产过程中要解决水树现象，需从以下几个方面做工作：１）采用内半导电层、绝缘层、外半导电层三层共挤的生产方式，保证各层之间界面光滑，减少界面之间的污染。２）建立严格的加料工艺流程，原材料的输送、加入、存放均采用全封闭形式。３）选用纯净的聚乙烯原料。生产所用设备及原材料供应由于硅烷交联是在常压水汽中进行的，不需要有耐高温高压的封闭管道，因而其生产工艺及设备相对简单，整条生产线主要有龙门式放线架、储线器、后涨紧履带牵引机、３台挤出机及三层共挤十字机头、重力计量加料系统、线径测量装置、分段不同温度冷却系统、履带牵引机、喷码机、龙门式收排线架和自动控制操作系统。硅烷交联聚乙烯电缆所使用的主要原材料有：低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ）、线性低密度聚乙烯（ＬＬＤＰＥ）、液态硅烷、内外层半导电材料等。其中，低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯国内可生产；液态硅烷及不可剥离半导电材料目前需依赖国外在中国的代理商来获得，但其配方中所占比例仅为２％，因此硅烷交联聚乙烯电缆所需原材料在国内可全部采购到。在中、低压电缆领域的发展硅烷交联工艺需在常压水汽中完成交联，其绝缘层水份含量为５０～２００ｐｐｍ，与干法交联相比，绝缘层内含水量较高，因而在高压和超高压等级电缆范畴内不占优势。但在中、低压等级电缆范畴内占有一定的优势。根据我们调研的情况了解到，交联聚乙烯电缆取代ＰＶＣ绝缘电缆在电力行业已达成共识，通过对硅烷交联聚乙烯电缆成本核算可看出，硅烷交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘电缆的成本与ＰＶＣ绝缘电缆成本基本持平，但采用交联聚乙烯电缆传输的电流要比ＰＶＣ绝缘电缆多３０％。其成本比较见附表。表中只对１ｋＶ级硅烷交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘电缆与ＰＶＣ绝缘电缆的成本做出比较，ＰＶＣ绝缘料价格为１万元／ｔ，比重为１．３６ｔ／ｍ３，硅烷交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘料价格为２万元／ｔ，比重为０．９２ｔ／ｍ３。另外，从国内市场需求的角度来看，随着我国城市电网和农村电网改造工作的全面展开，对交联聚乙烯绝缘电缆的需求量正在逐年增大，尤其是１０ｋＶ以下，短距离、多规格的交联聚乙烯绝缘电缆。在这一领域内，硅烷交联与化学交联相比具有较大优势：投资少，按我公司引进的硅烷交联生产线价格计仅为化学交联ＣＣＶ生产线价格的１／３；工艺浪费少，电缆废品率低。ＣＣＶ生产线开机一次大约需１５０ｍ工艺引线报废；设备操作、维修简单，无高温高压管道密封问题；开机运转成本低，不需大功率的管道电加热装置。通过以上比较可以看出硅烷交联工艺在中、低压等级电力电缆领域内具有广阔的发展前景。硅烷交联工艺在国内还属于一种较新的生产工艺，它的应用还需要我们不断地去开发和研究，同时硅烷交联聚乙烯绝缘电缆所需的原材料实现全国产化也是摆在我们面前的一个新课题。据国外有关最新文献资料介绍表明，采用硅烷交联工艺制造高压电力电缆的技术难题已攻克，而且其产品质量和化学交联工艺制造的电缆一样优异。实践证明，随着国内生产工艺技术的不断发展，硅烷交联工艺必将在更多的领域得到更广泛的推广应用。ＥＡ附　表导体截面／ｍｍ２ＰＶＣ绝缘电缆单边厚度 ＰＶＣ用量 成本／（元／ｋｍ） ＰＶＣ平均成本 ９１６．３／（元／ｋｍ）ＸＬＰＥ　绝缘电缆单边厚度 用量 成本　／（元／ｋｍ） ＸＬＰＥ平均成本 ９１０．３／（元／ｋｍ）注：电缆厚度单位为ｍｍ；ＰＶＣ用量单位为ｋｇ／ｋｍ。１０１．０１９．５１９５０．７８．７１７３１６１．０２５．６２５６２５１．２３５．８３５１３５１．２４０．４４０４５０１．４５６．１５６１７０１．４６４．９６４９９５１．６８６．１８６１１２０１．６９５．５９５５１８５１．８１２０１２００２４０２．０１４８１４８０３００２．２１８５１８５０４００２．４２２５２２５００．７１０．６２１１０．９１７．０３４００．９１９．７３９４１．０２６．０５１９１．１３３．５６７０１．１３８．５７６９１．２４７．０９４１１．４６１．６１２３２１．６７８．４１５６８１．７９４．３１８８５１．８１１１．１２２２１