电缆交联工艺学.docx

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电缆交联工艺学

第三章交联电缆用原材料

使用材料的质量好坏，直接影响到电缆产品的质量，因而电缆的发展很大程度上取决于使用材料的发展。

电缆使用材料的品种多、数量大、从生产成本中看，材料费用约占百分之七十以上。

交联电缆使用的导体及绝缘材料主要有铜、铝、交联聚乙烯料和内、外半导电料。

第一节导体用金属材料

交联电缆导体使用的导体材料，首先必须具有良好的导电性能；第二，有良好的机械强度；第三，具有一定的防腐蚀能力；第四，在冷热状态下都具有良好的工艺性能；第五，在资源上能保证供应。

铜、铝等金属是常用的导体材料，铜的导电性能好，铝的导电性能和机械物理性能虽然不如铜，但其具有资源丰富，重量轻等特点，也已成为应用较广的导体材料。

一、铜、铝性能

作为导体使用的铜、铝一般都用电解法制成，纯度很好，铝导体的纯度应在99.5%以上，铜导体的纯度应在99.9%以上。

钒、钛、锰等是电解铝中影响导电性能较大的杂质。

砷、铁、锑、锌等则是电解铜中影响导电性能较大的杂质。

标准中规定有这些含量的限量。

电解铜中含氧量在0.001%以下称为“无氧铜”。

1、铜、铝物理性能

纯铜是玫瑰红色金属，表面生成氧化铜膜后呈紫红色，因此俗称为紫铜。

工作用纯铜和纯铝的物理性能见表2——1。

表2——1纯铜和纯铝的物理性能

项目

性能

铜

铝

熔点℃

沸点℃

比重g/Cm3

线膨胀系数1/℃（0～100℃）

抗拉强度kg·f/mm2

伸长率%

弹性模数kg·f/mm2

电阻率Ω·mm2/m（20℃）

1083

2310

8.89

1.65～17.0×10-6

35～45（硬态）

50（软）＜50（硬）

10800

0.017241（软）

658

1800

2.7

23×10-6

15～18（硬）

0.5～2（硬）

6300

0.028264（硬）

2、铜和铝的化学成分

电缆用铜线锭化学成分必须符合国家标准（GB468——83）中关于特二号铜的规定见表2——2。

表2——2Cu的化学成分

铜

杂质不大于（%）

不大于

%

锑

砷

铁

镍

铅

锡

硫

氧

锌

磷

总和

99.90

0.002

0.002

0.002

0.005

0.002

0.005

0.002

0.005

0.006

0.005

0.001

0.10

电缆用铝化学成分必须符合国家标准（GB468——83）中关于特二号铝、一号铝的规定，铝的化学成分见表2——3。

表2——3铝的化学成分

牌号

代号

化学成分%

铝不小于

杂质不大于

铁

硅

铁+硅

铜

总和

特二号铝

Al——0

99.6

0.25

0.18

0.36

0.010

0.40

一号铝

Al——1

99.5

0.30

0.22

0.45

0.015

0.50

二、铜的主要特点

1、导电性好，仅次于银而居第二，如以铜的电导率为100%，银的电导率则为108.5%。

2、导热性好，仅次于银和金而居第三位，导热系数为银的73%。

3、塑性好，热加工时，首次压力加工量可达30%～40%。

4、耐腐蚀性好，它与盐酸或稀硫酸作用甚微，铜在干燥的空气中具有较好的耐腐蚀性，但在潮湿空气中表面易生成有毒的铜绿。

5、机械性能好，有较高的炕拉和伸长率。

6、易焊接。

三、铝的主要特点

1、导电性能好。

仅次于银、铜、金。

而位于第四位，按相同体积比较，约为铜的60%～65%。

2、导热性能良好。

3、比重小，约为铜的1/3。

4、耐腐蚀性良好。

铝在空气中与氧反应，很快生成一层致密的氧化铝膜，它能防止内层铝进一步氧化。

5、塑性好，可用压力加工方法制成各种形状的产品。

6、资源丰富，价格便宜。

铝的缺点是机械性能较差。

第二节交联聚乙烯绝缘材料

一、技术性能

交联聚乙烯绝缘材料应具备下列的主要性能：

1、高的击穿场强（脉冲、工频、操作波）；

2、低的介质损耗角正切（tgδ）；

3、相当高的绝缘电阻；

4、优良的耐树枝（移滑）放电、局部放电性能；

5、具有一定的柔软性和机械强度；

6、绝缘性能长期稳定等。

交联聚乙烯绝缘料是由聚乙烯加入其他添加剂组成的。

不同的交联方法，加入交联聚乙烯绝缘混合料中的添加剂也不同，但都是将聚乙烯分子结构从线型变成立体网状型，从而大大地提高了聚乙烯耐热和机械性能。

1、交联聚乙烯绝缘料的机械物理和电气性能见表2——4

表2——4交联聚乙烯料机械物理和电气性能

序号

检验项目

单位

指标

1

密度

G/Cm3

0.922±0.003

2

抗张强度

Mpa

≥17.0

3

断裂伸长率

%

≥420

4

脆化温度

℃

-76

5

135℃168h空气箱热老化后

抗张强度变化率%

断裂伸长率%

6

热延伸：

200℃0.2Mpa15min

负荷下伸长率%

冷却后永久变形%

7

凝胶含量

%

≥80

8

介电常数50Hz20℃

≤2.30

9

介质损耗正切50Hz20℃

≤0.0005

10

体积电阻率1kV20℃

Ω·m

≥1×1014

11

介电强度20℃

kV/mm

≥35

2、杂质含量

交联绝缘料对杂质检查非常严格，在包装每一批绝缘料时，取出一些粒料，用特制的挤出机，在不用滤网的情况下，将样品挤成100条薄膜，每条80g重。

从100条薄膜中任意抽出20条在50倍放大镜下检查，并将最大的杂质尺寸记录下来。

35kV交联聚乙烯绝缘料杂质含量指标见表2——5，杂质颗粒数不大于C1为合格批，大于C2为不合格批。

大于C1而不大于C2，应重复抽样试验，试验结果不大于C1为合格批，大于C!

为不合格试验批。

表2——5杂质颗粒数

杂质粒径mm

颗粒数C1

颗粒数C2

0.12～0.25

0.26～0.5

0.51～1.00

＞1.00

10

3

0

0

15

6

1

0

对于生产高压电缆超净化绝缘料，被制成的薄片在大一个等级10000的净化室内用自动激光检测系统进行扫描，同时，连续的颗粒分流由电子颗粒检测器进行检测。

确保集装箱内的产品达到超净标准。

即1.0kg薄片的最大允许杂质数目，大于100μm杂质为0个。

此外，在装箱时，电子颗粒检测仪对颗粒进行分析，如发现有杂质，该包装的产品会从包装设备上分流出去。

二、过氧化物交联聚乙烯是由聚乙烯基料、交联剂和抗氧剂组成。

1、聚乙烯

聚乙烯是单体乙烯的聚合物，它的分子式为：

[—CH2——CH2—]n

根据聚合的方法可以分为高压聚乙烯和低压聚乙烯。

高压聚乙烯是将气态单体在1000～2000大气压下加热聚合而成，高压聚乙烯的密度，结晶程度、软化点均较低压聚乙烯低，硬度也小。

根据分子量的大小可以分成高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯。

一般来说，高分子量聚乙烯具有较好的物理性能和较差的加工性能。

应当指出，分子量大小与密度大小互不相关，分子量大，不一定是高密度，例如就有高分子量低密度聚乙烯。

一般用熔融指数来指示平均分子量的大小，而密度与软化点有直接的关系。

由于聚乙烯分子在化学结构和几何结构上都很规则，对称，所以聚乙烯很容易结晶。

不过它的分子链富有柔顺性，要聚乙烯不含结晶结构是很困难的，但要它全部为结晶结构也不可能。

一般聚乙烯为结晶相和非结晶相两相共存物，结晶含量的百分数称为结晶度。

聚乙烯根据支链的情况结晶度也可能不同，高压聚乙烯含支链的数目较多，因而，结晶度较低，在室温下约为55%～70%。

低压和中压聚乙烯的支链较少，因而结晶度较高，在室温下约为80%～90%。

聚乙烯的结晶度随温度变化而变化。

聚乙烯的原料来源丰富，价格低廉；电气性能优异，具有小的tgδ值和介电常数，在通常温度下，具有一定的韧性和柔软性。

过氧化物交联聚乙烯中的聚乙烯基料，通常采用熔体指数为2.0左右的低密度聚乙烯。

采用低密度聚乙烯是因为它结晶度低，加工温度低，可以使用分解温度低，交联效率高，性能好的二古基过氧化物（过氧化二异丙苯），不会因为过氧化物的过早分解而在加工过程中引起焦烧。

当然，随着高分解温度的化学交联剂的发展，可能使某些性能受到影响以及交联过程中容易变形，熔体指数太低，则对加工安全性不利，而且挤压表面的光滑性受到影响。

2、过氧化物

过氧化物是使聚乙烯产生交联作用的交联剂，一个好的交联剂应该满足下列要求：

1）过氧化物的分解温度既要高于其本身的熔点，又要高于聚乙烯的熔点，这样在分解前先熔化，易混合均匀。

分解特性曲线陡峭，即在没有达到分解温度前很少分解，而一旦达到分解温度能够迅速和完全分解。

2）过氧化物加工范围宽，加工性能好且交联效率高。

3）过氧化物要有高的浓度和纯度，无污染，低的挥发性，其分解物要少，且要求分解物容易挥发。

能满足上述要求的有机过氧化物很少，目前用于交联聚乙烯的交联剂以过氧化二异丙苯（DCP）为最好。

交联剂的用量应从其对性能的影响角度来选择，交联剂用量大，则机械、耐热性、耐油和耐溶剂性增强，而对电性能、抗冲击性能和耐寒性则变差。

交联剂一般在2份左右。

3、抗氧剂

为了防止交联聚乙烯在加工和使用过程中的氧化老化，必须加入抗氧剂。

抗氧剂具有阻止过氧化物的分解和吸收过氧化物分解出来的游离基，使其不发生链破坏反应，这些作用也会反映到用作交联剂的过氧化物上，使交联剂不易产生交联反应。

因在所选用的抗氧剂要求既有高的抗氧化效力，又能对交联反应的不利影响为最小，且无毒。

目前国内大多数生产厂家采用了300#抗氧剂，但其熔点高，不易混合均匀，故有些生产厂家采用熔点为90℃抗氧剂以代替165℃的300#抗氧剂。

抗氧剂一般在0.5份左右。

三、硅烷交联聚乙烯绝缘料

硅烷交联也是化学交联的一种。

硅烷交联料发展至今已有七种料之多。

尽管工艺方法不同，但这些材料所加入的添加剂基本相同，都加入一种有机锡催化剂、硅烷、引发剂、抗氧剂等。

1、二步法硅烷交联料

二步法硅烷交联料分A料和B料，A料称为接枝母料，由制造厂将硅烷交联剂与聚乙烯基料在挤塑机上接枝和造粒。

B料称为催化剂母料，其制造过程中基本上和A料相同。

在挤出成型前A料和B料以19:

1的比例进行混合，但须随混随用，停留时间不能超过3小时，否则将发生先期交联。

A料和B料在保存期也应严格密封，保存期不应超过半年。

2、一步法硅烷交联料

1）Monosil一步法硅烷交联料电缆厂可直接购买基料和化学原料生产。

材料成本最低，但设备投资高，需要一台长径比为30的螺杆挤塑机，其料斗上方有3～4个计量料斗，分别供聚乙烯、过氧化物、炕氧剂等计量投料用，一套液体硅烷和催化剂注射装置，在料斗颈布注入。

2）为了改进硅烷送料装置，可将液态硅烷吸附在多孔性聚丙稀塑料中，这种材料可用普通的挤塑机挤出。

由于它接枝和挤出成型一次完成，也属于一步法硅烷交联。

3）还有一种采用多孔性PE基料，更容易吸附液态硅烷。

3、共聚法硅烷交联料

共聚法交联料是在吸取两步法和一步法的优点基础上开发而成的。

共聚法也是使用硅烷共聚单体——乙烯基——三甲氧基硅烷，只是采用的工艺不同，它是在高压法聚乙烯反应器中，使乙烯与硅烷共聚单体发生共聚反应，这项工艺的关键是，所选用的共聚单体必须是含有一种能够与乙烯发生反应生成聚合物链的不饱和基团。

乙烯硅烷共聚物与Sioplas接枝化合物在结构上基本相同。

由于硅烷共聚物的制造是在聚乙烯反应器中进行的，所以它能够确保高的清洁度，而且也避免了接枝时过氧化物残渣的污染问题。

硅烷共聚体更为主要的优点是，在聚合反应时因为硅烷共聚单体一次投入，实现了交联晶格的有规则分布，所以所需的硅烷量要比硅烷接枝化合物需要的硅烷的含量低。

由于共聚法工艺的先进和独特。

制得的硅烷交联聚乙烯料有以下优点：

1）贮存稳定性好，存贮时间一般可超过一年，而接枝产品只有六个月。

2）共聚法交联聚乙烯加工过程中，混入的游离物及杂质极少，因而提高了电缆绝缘性能和机械性能。

3）它可以在普通的挤塑机上加工时，产生的气体较少，成型加工稳定性好。

4、固相一步法硅烷交联料

生产厂将硅烷通过白碳黑等载体渗吸到PE基料中去，设备和材料成本均很低，该材料的接枝和成型同时完成，但电缆厂要有熟练的控制生产技术，否则绝缘表面容易毛躁甚至形成裂纹。

5、最近市场上又派生出一种用50%共聚料和50%基料参合而成的共混料，在国内也又较多应用。

四、辐照交联材料

由于辐照交联工艺的独创性，它可以对很多聚合物进行辐照加工，除聚乙烯以外，还有聚氯乙烯、乙丙橡胶、乙烯——醋酸乙烯共聚料、

聚丙烯、氯磺化聚乙烯料、含氟塑料、自控温材料等，进行辐照以后，它们具有共同的特点是：

1）高的抗张强度；

2）较高的耐磨性；

3）较大的耐压碎性；

4）较大的耐应力开裂性；

5）提高了耐汽油、矿物油、和其他溶剂的特性；

6）耐烙铁焊接；

7）减少弹性；

8）在高温下不熔融，或不流动。

下面简单介绍主要的辐照交联材料

1、1kV级105℃辐照铰链2聚乙烯电力电缆绝缘料。

1kV级辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料，是由聚乙烯为基料，加入配合剂，经挤出造粒而成，物理性能和电气性能优良，挤出加工工艺在130℃～180℃之间。

长期使用温度105℃。

2、1kV级105℃辐照交联聚乙烯架空绝缘料。

1kV级辐照交联聚乙烯架空绝缘料是由聚乙烯为基料，加入碳黑等配合剂，经挤出造粒而成，物理性能和电气性能优良，抗环境应力开裂性、耐侯性好。

挤出加工工艺在130℃～170℃之间。

长期使用温度105℃。

3、1kV级90℃辐照交联阻燃乙丙弹性体绝缘料。

辐照交联阻燃乙丙弹性体绝缘料是由乙丙橡胶为基料，加入

各种配合剂，经炼胶造粒而成，物理性能和电气性能优良，具有柔软，阻燃、不焦烧性，适用于普通塑料挤出机挤出，可用于矿用电缆，机车车辆电缆，船用电缆，潜油泵电缆及汽车打火线等电缆产品方面。

挤出加工工艺温度在130℃左右。

4、90℃辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料。

90℃辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料，是以氯磺化聚乙烯

为基料，配合各种助剂，经炼胶造粒而成，物理性能优良，具有阻燃、耐油等特点，适用于普通塑料挤塑机挤出，可用于矿用电缆、机车车辆电缆、船用电缆、潜油泵电缆及汽车打火线电缆等电缆产品。

挤出加工工艺温度在90℃～150℃之间。

5、90℃辐照交联阻燃黑色聚烯烃护套料

辐照交联阻燃聚烯烃护套为低卤阻燃料，具有优异加工性能

和机械物理性能，耐环境应力开裂性、耐侯性和阻燃性好，长期工作温度90℃。

挤出加工工艺温度在140℃～195℃之间。

6、1kV级125℃辐照交联阻燃聚烯烃绝缘料

1kV级125℃辐照交联阻燃聚烯烃绝缘料，是由聚乙烯为基料

加入配合剂经共混，造粒而成，具有高阻燃性，耐热等级高的特点，物理性能和电气性能优异。

7、6kV150℃潜油泵力缆绝缘辐照料

6kV150℃潜油泵力缆绝缘辐照料，其基料是采用改性聚乙烯树脂，用该料在辐照交联时具有很强的炕辐射能力，绝缘材料不发生裂解，因此不影响绝缘性能。

但该料不能参有一点以聚乙烯或聚氯乙烯等树脂为基料的电缆料共混挤出，否则电缆在辐照时或辐照后放置过程中，绝缘层会产生光化学反应而造成绝缘分解，形成局部缺陷，使耐压性能急剧下降。

第三节半导电料

交联电缆导电线芯是由多根导线绞合而成，线芯表面无屏蔽时，线芯表面的电场将受到组成线芯的导线半径的影响而呈不均匀分布。

通过理论计算得出，比光滑圆线芯的表面电场强度增加约32%。

根据国家标准GB/T12706规定，U0为1.8kV以上的交联电揽应各有一层内外屏蔽层。

半导电料有可剥离的、交联型的、非交联型的三种，30kV以下电缆的绝缘屏蔽料应采用可剥离型的半导电料，以便于安装和接头。

35kV以上电缆的绝缘屏蔽层如用非剥离型的半导电料，需要用特别的工具才能剥除。

内屏蔽层起均匀电场作用，防止绝缘层与导体之间产生间隙而引起局部放电。

生产高压或超高压交联电缆必须采用超光滑半导电料，由电缆绝缘层和半导电屏蔽层交界面是否光滑是影响电缆使用寿命的非常关键的因素。

界面处半导电屏蔽层上凸起嵌入绝缘层，会导致局部电场强度过高，增加水树现象产生的可能。

一、半导电料的组成

半导电是以EVA或EEA作为基料，加50%左右导电碳黑，加适量抗氧剂、交联剂和润滑剂等，经混合造粒而成。

国内生产的导电碳黑杂质含量高，细度大，影响表观质量。

用于高压交联电缆的超光滑半导电料是采用特制的乙炔碳黑来得到超光滑的表面，使屏蔽与绝缘之间界面更完美，从而大大地提高了电缆性能。

超光滑半导电料目前主要是依靠进口。

二、技术要求

1、外观

呈黑色光滑的3～4mm圆形或扁圆形颗粒，或尺寸不超过5×4×4mm的方形颗粒，大小和色泽均匀，不应有目力可见的焦烧粒子和杂质，不应有明显粉末物质。

2、半导电料代号

系列代号YP

特征代号

交联粘结型N

交联可剥离型B

热塑型S

3、用途代号

导体屏蔽用D

绝缘屏蔽用J

4、表示方法

系列代号、特征代号和用途代号按排序书写表示。

5、举例导体用交联粘结型半导电屏蔽料YPND。

6、用途各品种的用途见表2——6

表2——6各品种的用途

型号

名称

用途

YPND

YPNJ

YPBJ

YPSD

导体屏蔽用交联粘结型半导电屏蔽料

绝缘屏蔽用交联粘结型半导电屏蔽料

绝缘屏蔽用交联可剥离型半导电屏蔽料

导体屏蔽用热塑型半导电屏蔽料

交联电缆导体屏蔽

交联电缆绝缘屏蔽

交联电缆绝缘屏蔽

架空电缆导体屏蔽

7、技术指标

（1）外观

呈黑色光滑的3～4mm圆形或扁圆形颗粒，或尺寸不超过5×4×4mm的方形颗粒，大小和色泽均匀，不应有目力可见的焦烧粒子和杂质，不应有明显粉末物质。

（2）屏蔽料的机械物理和电气性能见表2——7。

（3）含潮量应不大于1000ppm。

表2——7屏蔽料的机械物理和电气性能

序号

试验项目

单位

指标

YPND

YPNJ

YPBJ

YPSD

1

抗张强度

MPa

≥12.5

≥12.5

≥10

≥10

2

断裂伸厂率

%

≥200

≥200

≥200

≥200

3

脆化温度

℃

≤－40

≤－40

≤－40

≤－40

4

135℃168h空气热老化后：

抗张强度变化率最大

断裂伸长率最大

%

%

±40

±40

±40

±40

±40

±40

－

－

5

121℃168h空气热老化后：

抗张强度变化率最大

断裂伸长率最大

%

%

－

－

－

－

－

－

±40

±40

序号

试验项目

单位

指标

YPND

YPNJ

YPBJ

YPSD

6

热延伸200℃0.2MPa、15min

负荷下伸长率

冷却后永久变形

%

%

≤175

≤15

≤175

≤15

≤175

≤15

－

－

7

热变形100℃4h

%

－

－

－

≤10

8

空气热老化100℃168h

体积电阻率90±2℃

Ω·m

≤1000

≤500

≤500

≤1000

9

剥离强度20±5℃

N/cm

－

－

4～45

－

10

空气热老化100℃168h

剥离强度20±5℃

N/cm

－

－

4～45

－

三、高压、超高压电缆所用超光滑半导电料

挤出表面凸起的数目要比通用的半导电料要少，用自动表面光滑度光学分析仪检测表面光滑度，具体方法：

按统计学方法从每批中取样4公斤，用特制的挤出机，将样品挤成厚度为0.4mm的薄膜，对1m2（0.4kg样品）薄膜带通过高分辨光学扫描仪，检测粒子的位置、高度、宽度等并进行储存和处理。

超光滑半导电料光滑度要求见表2——8。

表2——8超光滑半导电料光滑度要求

粒子大小

最多允许的粒子数/平方米

＞200μm

15

＞500μm

1

1.5～2.5mm

0

超光滑半导电料是超净的，通用半导电料含硫0.3%，无机灰0.1%，而超光滑的仅含0.005%的硫，0.01%的灰，比通用的半导电料要干净。