交联电力电缆​的结构以及交联方法

交联电力电缆的结构以及交联方法

一．基本结构

交联电缆一般是由导体、绝缘和护层三部分构成。

1．导体

导体是指能传导电流的物体，又称为导电线芯。用作电线电缆导体的材料，首先要有良好的导电性能，即电阻要小，以减少电流在线路上的损耗。损耗与电流大小、电阻大小有直接关系，并表现在导体的发热上。

电缆就是利用导体来传导电流的，因而电线电缆的规格都以导体的截面表示。

电力电缆的导体，可以制成整根实心的，或是由多根单线绞合而成，形状可以是圆形的和扇形的结构。绞合线芯可以采用非紧压和紧压线芯两种。交联电缆 的导电线芯通常采用绞合结构，1kV交联电缆通常采用扇形、半圆形和圆形。6kV以上交联电缆采用圆形紧压线芯。

(1)圆形导电线芯

圆形导电线芯，其绞合排列一般采用“正规绞合”的形式，绞合原则是：

1)中心一般为一根单线，第二层为六根单线，以后每层比内层多六根，单线采用相同的线径。

2)每层单线的绞合方向应和前一层方向相反，最外层应用左向绞合。这种结构可保证电缆导电线芯的稳定性和一定的柔软性。

(2)扇形和半圆形导电线芯

    扇形和半圆形的导电线芯不是理想的对称形状，因此，设计多根线芯排列时考虑到弯曲情况下的稳定性极为重要。为使非紧压扇形线芯具有足够的可曲度和稳定性，在设计不紧压扇形芯时，必须遵守下列规则：

    1)中央导线规则 扇形芯的中央导线必须位于扇形芯的中心线上，否则，当线芯弯曲时，位于中心线上部导线将被拉伸，而下部的将受压缩而可能挤出，这将引起扇形破坏而损伤绝缘。

    2)移滑规则 扇形芯中心线上导线的直径一般较大，处在其两侧的导线应能沿中心线上导线滑动而不改变扇形芯形状，这一规则称为移滑规则，否则，当扇形芯绞合成缆时，扇形可能被破坏而损伤绝缘 

2．绝缘

绝缘是将绝缘材料按其耐受电压程度的要求，以不同的厚度包复在导体外面而成，起着使带电体与其他部分隔绝的作用。绝缘层的材料必须具有良好的电气绝缘性能，主要表现为承受电压的大小。一般地讲，同一质量的绝缘层愈厚，耐电压也越高。

绝缘也要具有一定的机械物理性能和加工制造的工艺性能。例如制造低压电缆时，尽管从电气性能方面考虑可以采用很薄的绝缘，但从机械性能与加工工艺考虑，仍以稍厚一些为好，原因是绝缘过薄，加工较困难，容易损坏。电缆通电以后，导体要发热。因此，比较理想的绝缘材料，应有良好的绝缘性能，和良好的热传导性能。

绝缘在电和热的作用下，内部会产生变化，天长日久，绝缘性能就要降低。交联聚乙烯具有优良的电气绝缘性能，经过交联后，它的耐热和机械性能大幅度地提高，是目前理想的绝缘材料。

导体包覆绝缘层后称为绝缘线芯。每个导体上的绝缘层，称为线芯的绝缘或简称芯绝缘。

根据国家标准GBl2706和GBll017规定，不同电压等级交联电缆绝缘厚度见表1—1。

表1—1交联电缆绝缘厚度

3．护层

护层是电缆外层的保护部分。根据电缆的用途以及使用环境和绝缘的不同，护层有许多不同型式和结构，它们所起的作用也不尽相同。交联电缆护层主要有裸护套和铠装型两种，在不经受机械外力情况下，选用裸护套，即直接在绝缘线芯外面挤包一层塑料，如果用于直埋或要经受一定的机械外力，需要包上金属带铠装；110kV高压交联电缆或其它电缆埋设在水下，则需要防水护层，包上一层铅套、铝套或铝塑综合防水层。

由于它经受不住机械损伤，因而还需包上钢丝、钢带。钢丝、钢带容易被腐蚀，铅套、铝套在恶劣环境下也容易被腐蚀，因而还需包上各种防腐材料，如沥青、黄麻、塑料等。这些都统称为外护层。其中钢丝、钢带称为铠装层，沥青、黄麻、塑料称为防护层。此外在导体上、绝缘层上、电缆芯上或电线电缆外层，为了防止外界电磁波干扰或是起均匀电埸作用，还包有金属带、丝或半导电塑料等材料。这些都称为屏蔽层。

4．高压电缆的防水层

油纸电缆均采用压铅机和压铝机挤包金属套，对于中低压交联电缆一般在有化学腐蚀的环境或水底敷设时才采用。但对于高压电缆一般规定使用金属护套。采用挤包的皱纹铝金属套较为理想，但一台连续式压铝机价格贵，随着焊接技术的发展，皱纹焊接的铝套电缆使用的可靠性已愈来愈多为人们所认识，各电缆企业采用先进的氩弧焊接技术，并装有超声波等在线检测装置，保证了焊接的密封性，为了检验是否漏焊，生产厂家又加了一项中间检验装置，将整盘焊接后的电缆进行浸水气密性试验，且进行百分之百的检验。

二、 交联方法

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。中高压电缆一般采用过氧化物交联，即用化学方法将线性分子通过化学交联反应起来，转化为立体网状结构。化学交联一般还可分为过氧化物交联和硅烷接枝交联两种。化学交联方法比高能辐射交联工艺简单，操作安全，辐照交联聚乙烯的交联度约为70％，而化学交联可达70～90％。

一）、辐照交联

1960年美国瑞侃公司(Rachem)就已开发了辐照交联电缆。这种方法不要求加入交联剂。五十年代初，美国已经发现用放射性同位素、反应堆废料、反应堆辐照本身以及电子加速器的能源来使聚乙烯交联。后来发现，只有电子加速器产生的高能射线才具有足够的密集辐照功率和使用效率，并可用于电线电缆制造。

辐照是采用高能粒子射线(如β射线)照射线性分子聚合物，在其链上打开若干游离基团，简称为接点。接点活性很大，可把两个或几个线型分子交叉联接起来。辐照交联一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆。它的主要优点有：

(1)生产速度快，占用空间小；

(2)可加工材料种类多，如PE、PVC、CPE、PP、几乎所有聚合物，产品品种多；

(3)产品有更好的的耐热、耐磨和较高的电气性能；可阻燃；

(4)电耗低。

 但也存在一些问题：

(1)设备一次性投资大；

(2)对较大截面电缆的辐照不均匀，经反复照射后，电缆弯曲次数太多，不适合于10kV及以上电缆的生产。主要适用于电气装备电缆，对较小截面电缆和lkV～10kV架空电缆也是可以的。

(3)设备开工率低。

二）、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方法。它主要优点是适合各种电压等级和各种截面的交联聚乙烯绝缘电力电缆生产，特别是35kV及以上的中高压电缆。

 1．蒸汽交联(SCP)

蒸汽交联制造技术是以橡皮连续硫化技术为背景演化而来的一种最“古老”的交联方法。此方法是以压力为15～20kg/cm2，温度180～200℃的过热水蒸汽为加热和加压媒质，使聚乙烯实现交联。蒸汽交联是美国GE公司于1957年研究成功的。日本住友电气公司于1959年引进了这项技术，并于1960年投产。

由于水蒸汽在交联管内直接与熔融状态的聚乙烯接触，水份会向绝缘内渗透扩散。在电缆冷却过程中，绝缘内部的水蒸汽达到饱和状态而形成微孔，继而引发树枝放电。这是此方法的致命弱点。此外交联管内的压力与温度直接相关。要提高温度，必须同时增大压力。温度每升高10℃，压力将要增大5kg，这实际上是不可能的。况且，蒸汽交联每小时需要蒸汽200～300公斤，折合电能200～300kW。于是，六十年代起，又出现了一些新的干式交联工艺。

2．红外线交联法(RCP)与干式交联

红外线交联法也叫做热辐射交联法(RCP)，是日本住友电气公司于1967年发明的一种干式交联工艺。

用红外线使聚合物交联的方法，早在1937年法国通用电气公司(GE)就已取得了专利，用于橡胶制品硫化。1961年美国格雷(w．R．Grace)取得了用红外线辐照法制造聚乙烯薄膜的专利。日本住友电气公司从上述两件专利受到启发，1966年6月申请了一件专利，是在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2kg/cm2以上压力的惰性气体辐射加热，使聚乙烯发生交联反应。

1967年4月，住友电气公司又申请了一份专利，提出整个交联机组由辐射加热部分、予冷却部分和水冷却部分组成，辐射加热部分分成两个区域，每个区域能各自独立控制温度。在长期交联反应过程中，交联管内壁形成了一层过氧化物沉积的黑色污垢，这就是一层自然形成的红外线发射的黑体，在其它国家RCP工艺就为一般电热干式交联工艺所代替，称CCV悬挂式交联工艺

加热和预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预冷却，使线芯表面在较低的温度下进入水冷却部分，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O．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，而蒸气交联只有5kV／mm。

3．长承模(MDCV)交联

长承模交联是美国阿纳康达电线电缆公司(Ana．conda)于1959年发明的，同年便申请了专利，称为MCP工艺。后来由于电线电缆行业竞争十分激烈，该公司退出了交联聚乙烯电缆制造竞争，而使这种新工艺未能付诸实用。1971年大日本电线电缆公司和三菱石油化学公司合作，购买了阿纳康达公司的专利，使此法得以实现，称为MDCV工艺。1973年大日日本电线电缆公司申请了MDCV工艺的专利。MDCV的原文含义是“三菱一大日连续交联法”，而技术上的含义是长承模交联工艺法。

MDCV法采用水平式交联管。此交联管紧装在挤出机头上。挤出模子长达20米。挤出绝缘线芯时，向管内充入润滑油，并使聚乙烯在此模具内发生交联。

MDCV法的特点是设备投资少。占地面积小，能稳定地生产大截面电缆，生产速度与CCV交联机组相当，产品质量明显提高，电缆的交流击穿场强比蒸汽交联电缆高60％～70％。不过，当需要生产不同规格的电缆时，要更换整个长承模，灵活性不强，因此在世界上推广不快。

4．加压熔盐交联(PLCV)工艺

此方法最初是由意大利卡莱罗公司(Careillo)发明。1976年8月，该公司与英国通用工程公司合作研究，使之用于制造交联聚乙烯绝缘电力电缆。1977年英国通用工程公司的杰拉乐德·斯马特(Gerald Smaa_rt)发表了这项成果，并向英国BICC公司出售了第一台设备。PLCV系统中所用的盐与橡皮硫化的LCM法所用的盐一样，是由53％的硝酸钾、40％的亚硝酸钠和7％的硝酸钠组成的无机盐混合物。

这种混合物在145～150℃时熔化，直到540℃时，性能仍然稳定。熔盐交联管是密封的，并加3—4大气压的压力，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。熔盐的传热性好，故生产速度快。产品质量好，生产成本为罐式硫化的31～34％，耗电量为蒸汽连续硫化的14．5％。该工艺现已较多地用在橡套生产线中。 

5．硅油交联(FZCV)工艺

1979年、日本藤仓电线公司的鹿间贞吉等人发明了硅油交联(FZCV)。此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。藤仓电线公司于1979年开始用两台FZCV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FZCV机组的成本较高，但仍比建造立塔和交联设备经济。

在上述交联方法中，均为外部加热式交联方法。1975年西德的门奇(G．Menger)提出通过导体加热法来缩短交联时间。他用实验证明，每1毫米厚的聚乙烯绝缘，交联时间约1分钟。这样，只有减慢出线速度或增大交联管长度才行。若用1000安培的电流使导体温度升高到200℃，则交联时间缩短20％。

三、、硅烷交联

硅烷交联又称温水交联，1960年英国道康宁公司(Dow—Coning)提出开发的，也称为Sioplas法，即硅烷接枝交联工艺，它是把接枝和挤出分成两个工序进行，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。

但也存在以下缺点：(1)接枝聚乙烯容易与空气中水分发生先期交联，缩短了贮存时间，一般贮存期为半年。(2)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)由于二步法通过多次的混合，容易导致杂质的混入，故只能用于10kV及以下电缆绝缘的制造。

为了克服Sioplas的局限性，1977年英国BICC和瑞士Maillefer公司合作，在道康宁公司发明的两步法基础上，又发明了一步法硅烷交联工艺，也称作Monosil工艺。它将聚乙烯基料、抗氧剂和液态硅烷同时计量、混合，即是将接枝反应和添加催化剂过程合并，并采用长径比为30：1的挤出机将绝缘挤包在电缆导体上，即将绝缘层的接枝和挤出由一个步骤来完成，故称为一步法。它的材料成本最低，杂质的污染机会减少，而且材料贮存期可以大大增加。但是这种工艺技术难度大，设备投资比二步法大，需要配备一套液态硅烷的送料系统。

到了八十年代日本菱克隆公司在吸取两步法和一步法的优点基础上开发共聚法。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。该工艺不是把有机硅烷接枝到聚合物链上，而是在聚合过程中导入可水解硅烷，从而产生一种易于加工的硅烷共聚物，其方法是在高压反应釜中，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接枝化合物结构上基本相同。

由于硅烷共聚物的制造是在反应釜中进行的，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。硅烷共聚物更为主要的优点是，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具有以下优点：

(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。

以后又相继开发了固相一步法工艺和固化硅烷工艺。固相一步法工艺是将硅烷通过白碳黑等载体渗吸到PE基料中去。固化硅烷工艺是为了改进硅烷送料方式，可将液态硅烷吸附在多孔性聚丙烯塑料或PE塑料中，形成固化硅烷。这两种均是一步法派生出来。最近市场又派生出一种用50％共聚聚料和50％基料掺和而成的共混料，在国内也有较多应用。

到目前为止，已有七种硅烷交联工艺生产方式，其中有三种是派生出来的。这七种方法中，除了Monosil一步法设备投资较多，共聚料材料价格较高外，其余均可利用原有设备进行生产；具有生产工艺简单、成品率高、生产成本低等优点。

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