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《52座立塔的背后》——线缆产能过剩！
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交联工艺学 第一章 概论
第一章第一节概论交联电缆概况一、交联电缆在输电系统中作用 电能生产和其他工业最大的不同是能量不能贮存，因而，各动力 能源的供给、能量的转变过程、电能的输送和使用必须构成一个有机 的整体， 在任何时候电能的生产都要根据不断变化着的负荷随时进行 调节，将电能源源不断地输送给用户。 把一些发电厂、变电所、输电线路和许多用户连接成一个发电、 输变电、用电的整体，称为电力系统。它的明显优点是安全、经济、 可靠和节省投资。电力系统可以是区域性的，全国性的，甚至是国际 性的。 电力网是电力系统的一部分，其作用是进行电能的输送和分配。 电能的输送和分配一般都利用三相交流电， 这是因为交流电容易改变 电压，三相交流发电机和电动机构造简单，运行可靠，造价便宜。但 它的缺点是在输送过程中，电能损耗较大。为了减少输电过程中的电 能损耗，对于长距离输送电能目前正在发展直流输电。电能的传输， 是通过电缆输送到几十公里、几百公里、甚至上千公里以外地方的。 电力电缆在输电和配电系统中是不可分割的组成部分，越来越多 输电配电线路安装于人口和建筑稠密的区域， 电缆系统不但可以节约 空间，而且可以有利于环境美化。 到了 90 年代末期，在电力电缆线路中，1kV～35kV 中低压电缆 已全部为交联电缆所取代， 110kV 高压交联电缆基本上取代了充油电 缆，220kV 以上超高压交联电缆也将逐步取代充油电缆，预计不久将 来交联绝缘电缆将取代其他电力电缆的绝缘品种。 二、国外交联聚乙烯电缆的发展 交联聚乙烯绝缘电缆从发明至今已有半个世纪了，1952 年，查尔 司 (Charlesby) 在一次核反应堆试验中利用辐射能将聚乙烯交联成交 联聚乙烯，从而发明了交联聚乙烯绝缘。1957 年美国 GE 公司在上述 原理基础上，采用过氧化物(DCP)作为化学交联反应剂，首先在电缆 工业中制造了交联电缆，在
年间就研制生产了 5kV～ 35kV 等级交联电缆，
年研制成功了 69kV～138kV 交联电 缆，八十年代初，日本六大公司研制的 275kV 超高压电缆均已分别 正式投入运行。 1970 年， 138kV 交联聚乙烯电缆样品开始在 WALTZMILL 进行运 行试验。1973 年美国电力研究院对 36 条地下输电系统进行了技术改 造研究，耗资 2600 万美圆。同年电气公司最先用矿物质或有机粉料作为电压稳定剂来填充交联聚乙烯。1974 年，美国能源研究开发局 下属电力研究院与通用公司合作，打算研制 138kV～345kV 交联电 缆。研究工作在通用电器公司的研究中心进行。1977 年中期，他们 宣告研究成功 138kV、 230kV 和 345kV 交联聚乙烯电缆设计、 制造和 敷设技术，并取得了专利。 美国除了发展交联聚乙烯电缆以外，也同时发展聚乙烯和乙丙橡 胶绝缘高压电缆，因此力量比较分散。同时美国不愿意放弃传统的蒸 汽交联工艺，绝缘品质不高，这是美国发展高压电缆进展不快的原因 之一。另外美国的钢管充油电缆一直十分流行，就像英国使用自容式 充油电缆那样，电力公司对交联高压电缆的应用持保守心理，不愿意 放弃原有的输电方式，因此使交联高压电缆得不到充分的发展。 日本是从 1959 年开始从美国引进这项技术， 从六十年代初日本各 大电线电缆公司开始大力发展交联电缆，住友电气公司在 1960 年便 制造出 6kV 交联电缆，以后的交联电缆的电压等级逐年提高：1961 年――33kV；1962 年――66kV；1965 年――77kV；1969 年―― 110kV；1971 年――138kV；1973 年――154kV；1978 年――187kV； 1979 年――275kV；1982 年――500kV。 日本的住友、古河、日立、藤仓、昭和以及大日六个大型电线电 缆公司研制交联电缆的时间几乎相同。 它们都有相当完善的交联系统 和自己的“独创技术” 。 1962 年古河电气公司已完成了 66kV、77kV 级交联聚乙烯电缆试 制。1965 年，住友电气公司研究成功三层共挤新工艺，1967 年发明 了红外线交联法，1970 年研制成可剥离的交联型绝缘屏蔽。1972 年 住友电气公司的交联电缆产品已远销美国，并着手研制 275kV 交联 电缆。1973 年，该公司新建了 80 米高的高塔，安装了新式连续交联 机组。1977 年住友电气公司开始出口红外线交联技术。1979 年住友 电气公司制造了世界第一根 275kV 交联聚乙烯电缆，在日本名古屋 变电站敷设运行。同年，日立电线公司制造的 275kV 交联聚乙烯电 缆敷设于奥谷电站。日本日立、住友、古河、藤仓四大公司共建立的 一条 500kV 电缆线路现已竣工投产，由日本千页到东京湾，线路长 约 40km（电缆长度 240km）是世界上最长的一根 500kV 电缆线路。 三、国内交联电缆生产情况 我国交联绝缘电缆起步较晚， 大约从 60 年代开始研制交联聚乙烯 电缆。1971 年上海电缆厂和沈阳电缆厂研制成功 10kV～35kV 交联 聚乙烯电缆，80 年代初上海电缆厂将原有的蒸汽交联法改为干式交 联法， 1982 年沈阳电缆厂引进了瑞典西沃兹(Sieverts)公司的二手干式 交联生产机组，到 1983 年上海电缆厂进行交联设备改造工程，由上 海电缆厂、沈阳电缆厂、上海电工机械厂和上海电缆研究所三厂一所消化吸收引进技术的基础上， 共同研制开发国内第一条干式交联生产 机组。从 80 年代中期开始，交联电缆需大于供，由此引发了干式交 联生产机组大量引进的热潮，从原来的两、三家一下子猛增到几十家 生产企业。这些生产线大多是从芬兰 NOKIA，美国 DAVIS、ROYL 和德国 TROESTER 等国外著名的设备制造公司引进的，由于当时一 哄而上，缺乏对交联生产技术的认识，加上国产原材料质量较差，国 产交联的击穿故障率高，直接影响到交联电缆的推广和安全运行。 在这种背景下，电线电缆行业协会于 1989 年 11 月正式开始组织 交联电缆生产整顿管理工作，1991 年 3 月在无锡召开了全国交联电 缆生产整顿工作会议。这次整顿的指导思想是贯彻 GB/T――10300 （即 ISO――9000 系列）质量管理体系，使各厂的交联电缆从设计、 采购、工艺准备、生产制造、检查、包装、销售发运到售后服务等一 系列重要环节都进行受控状态。 为此对国内 17 条 CCV 交联生产线进 行了整顿验收，达到了管理有序、体系运行正常、人员素质提高、产 品质量提高、市场扩大、效益增加的目的。 90 年代起国内又掀起引进超高压电缆生产线的热潮， 到目前为止， 全国已有高压生产线约二十几条，其中有十几条可以生产 220kV 超 高压交联电缆，这些生产线全部分布在我国东部和沿海地区。根据我 国有关方面规定：110kV 与 220kV 交联电缆必须通过两部组织的鉴 定，两部撤消后，由省一级经贸委组织；由上海电缆研究所代表国家 机械工业和武汉高压所代表国家电力公司组成的鉴定委员会进行产 品鉴定，到目前为止，已有近二十家通过了 110kV 鉴定，其中四家通 过 220kV 鉴定。第二节交联电力电缆结构、品种、型号和名称一、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的和 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）扇型和半圆形导电线芯 扇形和半圆形导电线芯不是理想的对称状态，因此，设计多根线 芯排列时考虑到弯曲的的稳定性极为重要。 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，处于两恻的 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，同一质量的绝缘层越厚，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。 导体包复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 GB/T12706 和 GB11017 规定， 不同电压等级交联电 缆绝缘厚度见表 1――1。 表 1――1 交联电缆绝缘厚度导体标 称截面 mm2 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 .6/1 0.9 0.9 1.0 1.1 1.1 1.2 1.4 1.6 1.7 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.6/6 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.6 2.8 3.0 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 不同工作电压下的电缆绝缘厚度(mm) 6/10 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 8.7/10 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 12/20 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 21/35 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 26/35 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 64/110 ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― 19.0 18.5 17.5 17.0 16.5 16.0 16.0 16.0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， 护层有许多不同形式和结构。 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、塑料层称为防护层。 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场作用，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 续式压铝机价格昂贵，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狐焊 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。 在进行焊接铝套机械强度试验时，发现焊缝周围金属铝的抗拉强 度略高于铝套本身的抗拉强度 （75N/mm2） ,焊接材料的强度是比原来 的材料要高，因为焊接件材料的金相组织起了变化。并采用空心铝套 进行侧压力试验，分别在焊缝上，和焊缝相隔 90 度以及相隔 180 度 进行侧压力试验，其负荷变形曲线基本一致。 在焊缝处温度到达 700℃时一点受热焊接温度虽高，但能量不大， 铝的散热又很快，所以电缆绝缘上的温度很低，不会有损伤绝缘或绝 缘上的阻水层的可能。 二、品种 1、 1kV 交联绝缘电缆 用在低压电缆的绝缘范围非常广泛，电缆绝缘的厚度已不完全取 决于电气性能，而是考虑其机械和加工性能。由于电缆相电压仅为 600V，几乎所有的塑料均可承受，导体表面的绝缘中即使有少量气 泡，影响也不太大，因为空气的击穿场强可达 3kV/mm2，有着很高的 安全系数，绝缘可直接包复在导体上而不必采用半导电层。采用交联 绝缘后，完全可以克服 PVC 绝缘的缺点，目前以采用硅烷交联绝缘 为最多，也可以用其他如辐照交联等绝缘电缆，早在 80 年代中期， 就开始开发了硅烷交联绝缘电缆，硅烷交联是低温交联，生产厂不需 要增加多少技术措施，可以在现有设备上生产且温升载流量高，绝缘 厚度比 PVC 要薄，绝缘比重比 PVC 绝缘轻，绝缘成本基本上没有增 加，如果在母粒料上混入着色剂，可以制成耐候料，生产 1kV 架空电缆，硅烷交联的年产量已接近 5 万公里/年（三芯） 。在西方发达国 家中，约有一半 PVC 塑力缆被硅烷交联电缆所代替，我国也正向这 方面努力。 2、过氧化物交联电缆 过氧化物交联是在聚乙烯基料中加入过氧化物交联剂(DCP)， 经过 高温高压后，使聚乙烯绝缘发生交联，这种方法适用于生产中、高压 交联电缆。它有蒸汽和干法两种交联生产工艺，蒸汽交联因温度由蒸 汽压力控制不能太高，生产效率低，加上绝缘含水量高达 2000ppM， 绝缘品质不好， 已经淘汰。 干法交联绝缘中水分含量为 100～200ppM， 已在 10kV～500kV 中、 高压电缆中广泛地应用。 90 年代初 GB12706-91 国标正式发布，中低压交联电缆得到蓬勃的发展。在中压电力电缆领 域内，交联电缆已基本上取代了油纸电缆。 生产 110kV～220kV 高压、超高压交联电缆目前国内大多采用立 塔全干式交联及冷却工艺，对高压电缆绝缘的基本要求： （1） 光滑的层间界面，应采用超光滑半导电屏蔽料。 （2）无杂质绝缘。应采用超净绝缘料，全封闭材料处理系统，超 净料的自动下料装置以及高效滤网装置 （可过滤高于 30μ m 的杂质） ； 具有相应的杂质在线检测装置。 （3）无微孔绝缘和最低的含水量。采用全干式交联及冷却工艺， 即氮气冷却。气冷用鼓风机使氮气在冷却管中快速环并实现热交换， 因而冷却效率高。 （4）保证好的绝缘同心度。采用上下牵引同步旋转的交联生产 线和 X 射线绝缘芯在线检测装置。 （5）消除绝缘内热机械应力。采用在线松弛装置，减小绝缘中 的机械应力，改进高压和超高压电缆的质量，具有更高的击穿电压和 较小的绝缘收缩。 （6）应用计算机程序模拟出最佳的交联工艺条件。如：挤塑机 出胶量、交联段的温度和生产线速度。既满足绝缘性能要求，又能使 生产速度达到最高。 。 对 220kV 超高压电缆还应开展电缆及附件的基础研究工作；如 电压寿命特性， 采用威尔布统计研究寿命指数值， 高电场热循环研究， 绝缘缺陷（杂质、微孔灯）研究。除此而外还应具有红外光谱，流变 特性，热扫描，卡费休水分检测，杂质微孔检测，局放检测装置以及 全套高压试验室装置，才能生产出高质量 220kV 超高压交联电缆。 3、架空绝缘电缆 在城市供电系统中，高压线和绿化带都要占有一定空间，空间走 廊日益狭小，线树矛盾突出，触电伤亡事故不断发生。采用地下电缆 供电，可利用的地下空间也很有限，且开挖困难，耗资较多。架空电缆在高压线和地下电缆应用困难时就应运而生了。 特别在老城市的城 网改造中，架空绝缘电缆的应用就特别受到青睐。目前我国 10kV 架 空绝缘电缆的年需求量已达 6 万公里左右（单芯） 。上海地区全部采 用铜导体结构，其主要考虑为： （1）在电力规范中规定：在有张力作用下，铝导体最高安全使用 温度为 70℃，采用铝导体的经济优势不大。 （2）上海电网负荷量重，铝导体过载能力有限，如遇较大的短路 电流，是不堪重负的。 （3）铝导体表面容易氧化，接触电阻大，对导体的接头附件不安 全。 （4）沿海地区盐腐蚀严重，采用铝导体不安全。在东南亚使用的 经验证明，铝导体大量断裂落地，均是由于盐舞腐蚀所致。 （5）沿海地区台风较多，要求导体拉断力高，上海在 90 年代初 的一次台风中，杆塔折断，铜芯架空绝缘电缆落地，但供电始终没有 中断。 但也有采用铝芯架空绝缘电缆的，主要原因为： （1）将现有杆塔上的裸铝线拆下，换上铝芯架空绝缘电缆，载流 量不必增加，工作方便，且工程造价最低。 （2）如电网负荷不高，杆塔间距较近，采用铝芯架空电缆，载流 量也不必增加，工作方便，且工程造价最低。 （3）如杆塔间距大，张力要求高时，采用铝合金导线或支乘线结 构，工程造价比较便宜。 一般在市郊或林区，如负荷不很高，送电距离又长，较多地采用 钢芯铝绞线导体结构，在国外这种结构已经淘汰，因这种结构导体尺 寸大且很费绝缘料。国内用户不大喜欢采用带支乘线的电缆，而大量 采用钢芯铝绞线的导体。上述各种铜、铝及铝合金以及是否带有支乘 线等架空绝缘电缆产品，均包括在我国国家标准 GB14049 中，用户 应视具体不同的特点， 慎重选择。 架空绝缘电缆还包括下列两种产品： （1）变压器下引线架空绝缘电缆：在架空绝缘电缆系列中还有一 个品种，称变压器下引电缆，是变压器和架空电缆之间的连接线，上 海在马路上就有十几万台这样的变压器，是一项量大面广产品，用于 连接线的电缆一定要用软铜导体， 目前在国内外均已全部采用软铜导 体，且绝缘水平要求很高，因变压器附近的电场分布很复杂，在潮湿 的环境中电缆表面很容易爬电， 上海郊区曾多次发生因爬电烧毁电缆 绝缘的事故，日本专门为这种产品制定了国家标准（JISC3649） ，其 特点为： 1) 应用 TR 型特软铜导体，以便于连接架空电缆和变压器。 2)该电缆靠近杆塔和各种接地体，电缆要有很好的耐电痕性能，电缆绝缘中的碳黑含量要尽可能的少，绝缘表面要很光滑。这种电缆 因容易更换，为确保电痕指标，宁可损失一些光老化性能。 （2）三芯集束架空电缆的研究选用：架空绝缘电缆系统为半绝缘 供电系统，大部分的相电压由空气承担，在电缆使用中又没有水树等 现象产生，供电非常安全。如利用现有杆塔，用架空绝缘电缆换下裸 铝导线，就更为方便，但这种电缆的主要缺点是电抗大，在较长的送 电距离中电压降落大，如采用升压措施，工程造价将成倍上升。三芯 电缆的电抗值很小，在长距离送电中，如采用三芯电缆，由于节省了 升压措施，其工程造价比裸线的工程造价还便宜。这种三芯电缆是大 节距绞合的三芯电缆， 又称为集束架空电缆(Bundle assembled core for overhesd system)，集束架空电缆将三根绝缘线芯用大节距束绞，外包 一层热收缩带，安装使用均非常方便。国外还有许多带支撑束架空绝 缘电缆使用时应注意，这种电缆是属于全绝缘系统，绝缘表面应包一 层外半导电层， 使电缆绝缘的电场成径向分布， 如果没有外半导电层， 电缆表面将产生强烈的电晕，在晚上可以看到明亮的光环。在阴雨天 还伴有放电的声音。在国家标准 GB14049 中，该电缆规定要在例行 试验中进行局部放电试验。 4、五芯电缆 在塑力缆国家标准 GB/T12706 中仅考虑到低压三芯、四芯电缆， 其中第四芯是为了输送电力系统在不平衡状态下产生的不平行电流 以及短路电流。这就是 3+1 的四芯电缆，中心线大小由不平衡电流及 短路电流来确定，但一般不得小于一相的 1/2。到 90 年代原属电气装 备系统中一些电缆，例如建筑、船用、矿用电缆等，输送容量越来越 大，并且对电缆产品的功能要求越来越多，随着计算机的广泛应用， 电路中非线性阻抗大量增加， 造成三次谐波电流在中性线通过时电流 很大，达到了相电流同样大小的水平，这样中性线 PN 线要求扩大到 相线截面水平，即四等截面，为了便于电气设备仪器接地保护需要， 又增加了第五芯即 PE 线。这就是五芯电缆。很多电缆企业研制了五 芯电缆以满足不同的用户需要，有 3+2 芯、4+!芯二种结构。建筑部 门多数需要 4+1 芯结构，其他部门则采用 3+2 芯结构。五芯电缆以 圆形电缆居多，并用迭代法编制计算程序，设计出五芯不等截面电缆 的外径和结构尺寸，还设计了五芯瓦形电缆结构。在国外也较多地采 用五芯电缆，BICC 公司采用金属屏蔽层作为第四或第五线芯，该结 构有如下的一些优点： （1）采用铝导线作金属屏蔽，用以防止外来的各种电气干扰。并 可作为 PE 线或 PN 线。对四芯电缆，该层即为 PE 线。 （2）采用钢丝金属屏蔽作电磁屏蔽，以防止各种外来的电和磁的 干扰，又称全屏电缆，电磁屏蔽层又是 PE 或 PN 线，这种结构得到了各种用户的欢迎，需求量也越来越多。 对于五芯电缆采用何种产品结构，对中线和地线截面 应用多大的尺寸，应根据我国的具体情况进行调查研究， 根据用户的具体要求确定。 5、 阻 燃 、 耐 火 和 阻 水 等 电 缆 品 种 电线电缆是国民经济中不可缺少的动脉，同时往往也 是 着 火 成 灾 的 根 源 。六 十 年 代 开 始 ，世 界 各 国 早 就 有 意 识 开 发 阻 燃 电 线 电 缆 产 品 。长 期 以 来 ，人 们 主 要 寄 希 望 于 卤 素型阻燃剂。在电力电缆中，以使用有卤阻燃电缆为多， 也有使用低烟无卤电缆，阻燃电缆的等级最高的 A 类产 品 用 GZR （ 即 高 阻 燃 ） 表 示 。 对 1 k V 电 缆 可 适 当 采 用 各 种 阻 燃 材 料 来 达 到 三 种 不 同 类 别 的 标 准 ；但 10 kV 交 联 电 缆还没有阻燃绝缘料， 要依靠采用不同的填充料和护套料 和采用不同截面大小来达到 B 类或 C 类标准， 一般达到 B 类标准时就要求采用较大的电缆截面。如果要达到 A 类 标 准 ，可 采 用 隔 氧 层（ 又 称 隔 火 层 ）结 构 ，原 上 海 电 缆 厂 首 创 的 隔 氧 层 电 缆 结 构 。即 在 10k V 电 缆 外 挤 包 一 层 高 祖 燃的树脂材料， 现在已有较多的电缆厂采用含高祖燃剂的 橡胶带或玻璃布带绕包， 含高阻燃剂的玻璃布又称为隔火 带已在市场上推广使用了。 在某些重大工程项目中，需要一种在火灾时仍能持续 通 电 和 保 安 电 源 ，以 便 来 灭 火 报 警 、照 明 、通 讯 和 救 火 之 用 ，称 耐 火 电 缆 ，绝 缘 与 护 套 仍 应 是 阻 燃 电 缆 材 料 ，并 在 导 体 上 包 上 1 ～ 2 层 云 母 带 ，合 成 氟 金 云 母 带 在 1100 ℃ 仍 不 失 去 机 械 强 度 ， 产 品 型 号 为 NH 。 为 保 持 云 母 带 在 加 工 中的机械强度。加包一层聚酯带有更好的效果。 由于电力电缆大部分均用作埋地敷设，电缆一旦产生 大 量 水 数 ，将 大 大 降 低 了 电 缆 使 用 寿 命 ，在 殴 美 各 国 ，早 就大量采用了阻水电缆结构，一般均采用铝塑综合防水 层 ，并 采 用 阻 水 带 填 充 ，也 可 在 导 体 上 填 充 膨 胀 纱 ，使 导 体也能阻水。 上述产品用量并不一定多，但在一项工程招标中，一 个企业如没有这些配套产品，是会影响中标的。 三、型号和名称交联电缆的产品型号及名称见表 1――2 表 1――2 交联电缆的产品型号及名称产品型号 产品名称 裸护套 铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯 YJV 护套 铝芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯 YJLV 护套 铜芯阻燃交联聚乙烯电力电缆 铝芯阻燃交联聚乙烯电力电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘聚乙烯护 YJY 套 铝芯交联聚乙烯绝缘聚乙烯护 YJLY 套 铜芯低烟无卤交联聚乙烯电力 WL-YJY 电缆 铝芯低烟无卤交联聚乙烯电力 WL-YJLY 电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘架空电缆 铝芯交联聚乙烯绝缘架空电缆 铝芯本色交联聚乙烯绝缘架空 JKLYJ/B 电缆 铝合金芯本色交联聚乙烯绝缘 JKLHYJ/B 架空电缆 ―― ―― ―― JKYJ JKLYJ ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― WL-YJLY22 WL-YJLY33 WL-YJLY43 WL-YJY22 WL-YJY33 WL-YJY43 YJLY22 YJLY33 YJLY43 YJY22 YJY33 YJY43 ZR-YJV ZR-YJLV ZR-YJV22 ZR-YJLV22 ZR-YJV32 ZR-YJLV32 ZR-YJV42 ZR-YJLV42 YJLV22 YJLV32 YJLV42 YJV22 YJV32 YJV42 钢带揩装 细钢丝揩装 粗钢丝揩装电缆的型号组成如下： 类别 1 导体 2 绝缘 3 内或外护套 4 特征 5 外护层 6 派生 7第 2～6 项为电缆结构上从里到外各层的材料和结构特征。 第一项为 产品品种类别或用途，例如在架空电缆中用于表示电缆类别，但是 在电力电缆中用绝缘 YJ 代替类别，可以使型号更为简单，如 YJV 表示铜芯交联绝缘聚氯乙烯护套电缆，铜导体可以省略第七项为同 一产品品种的派生结构。在表示方法上，前五项以汉语拼音字母标 注，第 6 项用数字标注，第七项可用汉语拼音字母或数字标注。每 一产品型号不一定包含上述所有的内容，书写时也不需要标出每一 项目。为了避免型号沉长难记，型号之间不相混淆，铜导体的产品 由于沿用已久，除裸电线外，一般不标出导体材料的代号。第三节交联电缆性能聚乙烯虽然有很多优良性能，但用作电力电缆绝缘，却存在一些 缺点。首先是熔点低，在 110℃左右熔化，当用作电力电缆绝缘时， 若电缆在过电流或短路故障时，温度可能上升到使聚乙烯产生软化 变形，导致绝缘损坏。 为了保持聚乙烯的优点，克服其缺点，将 3 进行交联是目前最好 的一种改性方法。交联就是将聚乙烯的线性分子结构通过化学交联 或高能射线的辐照交联，转变成立体网状分子结构。从而大大地提 高了它的耐热性和耐环境应力开裂，减少了它的收缩性，使其受热 以后不再熔化，这样交联聚乙烯材料就成为一种目前理想的绝缘材 料。除了上述主要特性外，交联聚乙烯还具有很多优越性能，它显 著地改善了聚乙烯在高温下热变形大的缺点， 聚乙烯在 110℃左右熔化， 而交联聚乙烯在 130℃温度下仍保持弹性状态， 交联聚乙烯绝缘 电缆其长期允许工作温度可达 90℃，而一般聚乙烯电缆长期工作温 度只有 70℃，所以交联聚乙烯电缆载流量高，一般可比其他形式的 电缆提高一档截面使用。短期允许过载为 130℃，短路温度允许为 250℃。另外，交联电缆结构轻便，易于弯曲，电气性能优良，耐热 性能好，不受敷设落差限制，安装敷设方便和附件接头简单，特别 是没有因漏油而引起火灾的危险，因此越来越多地得到广泛应用。 一、导体电阻 导体仍有一定的电阻数值，在通电时会产生电压降并发热，是能 量消耗的主要部分。导体电阻的大小，直接影响它的导电性能，因 此导体电阻是电线电缆的电性能的主要指标之一。在摄氏 20℃，截 面为 1 平方毫米，长度为 1 米的导线的电阻叫做电阻率。电阻率的 单位是以欧姆?毫米 2/ 米来表示。软铜线电阻率 ρ Ω ?mm2/m。 1、线芯直流电阻 单位长度电缆的线芯直流电组一般可按下式进行计算： Rt=R20[1+α (t-20)]k1k2k3k4(Ω /km) 式中 Rt――单位长度电缆导体在 t℃温度下的直流电阻； R20――单位长度电缆导体在 20℃温度的直流电阻； ρ20――线芯材料在温度为 20为 0.0174820℃时的电阻系数；-6 -6标准软铜：ρ 标准软铝：ρ20=0. 20=0.Ω ?m； Ω ?m；α ――导体电阻的温度系数。 标准软铜：α =0.00393 1/℃ 标准硬铝及硬铝制品：α =0.00403 1/℃ki 为单线在加工过程中引起的金属电阻率的增加所引入的系数， 它与单线直径的大小，金属的种类、表面有否涂层有关。 K2 是用多根绞合而成的线芯使单线长度增加所引入的系数。 对于 实心绞线，k2=1；对于固定敷设电缆紧压的多根绞合导体结构，截 面在 200mm2 以下时 k2=1.02，截面在 250mm2 以上时 k2=1.03，对于 不紧压的多根绞合导体结构和固定敷设软电缆导体 k2=1.03～1.04。 K3 是紧压导体因紧压过度使导体发硬，电阻系数增加所引入的系 数(约 1.01)。 K4 是因成缆绞合增长导体长度引入的系数，对于多芯电缆为 1.01。 2、线芯交流电阻 由于电缆导体是在交流电压下工作， 在计算电缆工作状态下的电 压降，以及计算其发热情况时，应采用导体的交流电阻值，在考虑 到导体在交变电磁场下产生集肤效应和邻近效应后的交流电阻值， 可按以下简化公式计算，即 R’t=Rt[1+Ys+Yp]Ω /km 式中：R’t――单位长度电缆在导体温度 t℃下时的交流电阻， Rt――单位长度电缆在导体温度 t℃时直流电阻， Ys――集肤效应系数， Yp――邻近效应系数 当铜导体截面超过 630mm2 和铝导体截面超过 1000mm2，其集肤 效应系数迅速增加，因此拟考虑采用分割导体。 邻近效应系数与两导体间的距离有关，当两电缆距离增加时，其 邻近效应系数值将随距离的平方值成反比减小。 在知道导体的交流电阻后， 就可以计算在工作状态下的线路电压降。用下式计算，即 VL=R’IL(V) 式中 VL――线路压降（V） ； R’――单位电缆长度在工作温度下的交流电阻（Ω /km） I――传输电流(A)； L――电缆长度(m) 二、电缆电容 电缆电容是电缆线路的一个重要参数， 它决定电缆线路中电容电 流和介质损耗大小。在超高压电缆线路中，电容电流可达到与电缆 额定电流相比拟的数值，成为限制电缆容量及传输距离的因素。交 联聚乙烯材料的介电常数ε 值比较小， 所以交联电缆的电容值也小， 电容电流较小，这就成为交联电缆的一个优点，6kV 及以上电缆是 采用单相屏蔽结构，电容计算可按下列公式计算，即? 0? C= 2? ?D (F/m)ln d式中ε 0――真空介电常数，ε 0=8.86×10-12 ε ――交联聚乙烯介电常数，ε =2.3 D――绝缘外径(mm) d――绝缘内直径(mm) 三、电缆的介质损耗正切(tgδ ) 介质在电场作用下，单位时间内消耗有功功率叫做介质损耗。tg δ 的物理意义可以通过绝缘介质的交流电压 U 与绝缘介质中通过的 电流 I 之间的矢量关系来了解， 电流分量可以分解为两个分量 Ip=Isinφ 代表电缆的纯电容电流，是电流无功分量。有功分量 Ia=Icosφ ， 电流的有功分量与无功分量的比，即 tgδ =W I a UIa = = 2d I p UI p U ?c同时也是能量的有功分量与无功分量的比，tgδ 越大，损失于 介质中的分量也越大。 在交流电压作用下，消耗于绝缘介质中的有功功率，称为介质损 耗，单位长度电缆在工作状态下的介质损耗 Wd 可按下式计算：即 Wd=U2ω tgδ （W/km）式中 U――电缆导体的对地电压(V)； ω =2π f f-------电源频率(f=50Hz)tgδ -----绝缘的介质损耗角正切 介质损耗引起绝缘发热,使电缆的容许载流量减少,tgδ 的变化也 是电缆绝缘老化的标志之一.交联聚乙烯绝缘具有很小的 tgδ 值,这 是它的又一个优点.根据我国标准规定,电缆应符合下列规定:在工作 温度 90℃； 在电压 2kV 下测得的 tgδ ≤8.0×104(6kV～10kV 等级电 缆)，在 U0 电压下测得的 tgδ ≤10×104（35kV 等级以下电缆） 。 四、介质的绝缘电阻 工程用的绝缘材料并不是绝对的绝缘介质， 只是其导电能力即电 导率极低，而绝缘电阻很高。 电缆绝缘电阻是由绝缘材料的电阻系数ρ i 和电缆的结构尺寸 G 确定的。电缆单位长度的绝缘电阻可按下列公式计算 Ri=?i ?G 2?其中圆形电缆：G= lnDc ? 2? Dc式中 Dc 为电缆屏蔽外径； Δ 1 为绝缘厚度 电缆常用绝缘材料的绝缘电阻系数与温度和测量时所用的电场 强度有关，一般说来它随温度和场强的上升而下降。对于含杂质较 多，绝缘电阻系数较低的材料随温度上升而下降则更多。 五、介电系数 任何物质都是由带正、负电荷的粒子组成的，当绝大多数的正、 负带电粒子由于引力而处于束搏状态不能自由迁移时，此物质即称 为电解质。在电场力的作用下介质束博电荷在力的作用下移位，正 电荷沿电场力方向移动，负电荷则向相反方向移位，电场强度越大， 移动距离越大；电场消失时，电荷将重新恢复原状。 在有些介质中，存在着偶极分子，这种偶极分子在电场力的作用 下，将发生重新排列，即偶极分子沿电场方向排列；当电场消失时， 偶极分子由于热运动又恢复无规则的排列。 在电场作用下， 上述束搏电荷的位移现象的偶极分子的定向排列 都属于介质极化。在一定的外施电压 U 下，电极上的电量由两部分 组成即 Q=Q0+Q 介 式中 Q0――当分隔的两电极间是真空时，电极上的电荷量； Q 介――当分隔的两电极间有介质时，由介质极化而产生的电荷 量； 电荷量 Q 与电压 U 的比值称为该极板件间的电容，即C=Q U在均匀的平板电场的情况下，电容 C 与电极面积 A 成正比，而 与电极间的绝缘厚度δ 成反比， C=εA?式中，ε 是绝缘的介电系数，介电系数越大，表明这种材料在电 场中每单位体积所能贮存的电能越多。 真空时的介电系数量小，用ε ε 0=8.86×10-12 F/m0 表示，是一个基本常数，即在工程上，绝缘材料的介电系数通常以下式表示 ε =ε r ε0式中， ε r 是绝缘材料的相对介电系数， 真空的相对介电系数为 1， 各种绝缘材料的相对介电系数都大于 1， 通常把相对介电系数简称为 介电系数。电力电缆用各种绝缘材料的相对介电系数列于表 1――3 中。 表 1――3 电缆绝缘形式 粘性浸泽不滴流 充油 充气 管式充油 各种绝缘材料的相对介电系数r相对介电系数ε 4.0 3.3 3.4 3.7电缆绝缘形式 乙丙橡胶 聚氯乙烯 聚乙烯 交联聚乙烯相对介电系数ε 3.0 8.0 2.3 2.3r六、局部放电 在导体和电缆金属屏蔽层间施加工频电压后， 如在绝缘体中存在微孔、杂质、焦烧、金属颗粒等情况，在电场作用下，均会产生局 部放电。放电量常用微微库仑(PC)表示。尽管局部放电只用很小的 能量，但会导致绝缘材料介质性能的逐渐老化。这一试验对控制产 品质量水平起到重要作用。目前世界各国都非常重视这项指标，并 提高了对局放试验的考核标准，提高电缆的出厂试验指标，不会损 伤电缆绝缘， 最新 IEC60502――97 对成盘电缆局部放电试验指标由 原来的 1.5U0 下不大于 20PC 提高到 1.73U0 不大于 10PC，我国国家 标准 GB/T 也相应提高了对局放试验考核要求。 七、工频耐压试验 对电缆进行工频电压试验是为了考核电缆耐工频电压性能。 工频 电压试验分例行试验、抽样 2 及型式试验三种。例行试验在出厂时， 在每盘电缆上进行，其试验电压值较低，时间较短；抽样试验和型 式试验一般试验电压值取得较高，时间也较长，用以模拟电缆寿命。 最新 IEC60502-97 公布后，将 10kV 等级电缆的工频例行试验由 2.5U0/5 分钟提高到 3.5U0/5 分钟，国家标准也提高了考核标准。美 国 AEIC 标准规定 10～15kV 电缆的工频例行试验电压为 4U0/5 分钟， 其他国家还没有超过 3U0 的。IEC840 标准对高压电缆采用 2.5U0/30 分钟，不增加电压而是延长时间。因为厚绝缘电缆的击穿场强较低， 在同样电场强度下，电缆绝缘性能随电缆绝缘厚度增加而下降。因 此世界各国对较厚电缆绝缘的工频耐压试验都是以延长时间出发， 而不是提高电压。 八、冲击电压试验 对电缆进行冲击试验用以考验电缆冲击耐压性能， 这是选择电气 设备的基础又称基准绝缘水平。考虑到电缆系统可能受到大气过电 压的冲击，特别是波形在电缆中的反射提高了冲击电压，电缆冲击水平的选用应比电气设备高一些。 九、电树及水树放电 1958 年在聚乙烯绝缘中首次发现电树放电，后来又于 1972 年发 现水树放电，引起了各方面的关注。 1、电树放电 电树放电存在着潜伏期、生长期、饱和期、击穿期四个阶段。引 发电树放电的因素大致有五个，各因素可以单独存在，也可以几个 因素联合存在引发电树放电。这五个因素是： 1)、局部高场强，如内半导电层的局部凸起， ； 2)、有微小的微观裂纹； 3)、绝缘内部有杂质或金属粒子； 4)、绝缘有水分； 5)、水树放电 水树放电也存在着引发期、成长期、饱和期，最后伴随着发生电 树放电，也就是说，水树发展到最后将导致发生电树放电而引起介 质击穿。为了防止和减缓水树放电，采用干式交联（包括硅油交联） 是有利的， 因为干式交联具有明显的减少绝缘中微孔的尺寸和数量， 以及降低绝缘中的含水量，一般可比蒸汽交联降低一个数量级。在 结构上，电缆绕包或纵包铝――塑复合带，或放入高吸水材料，或 挤包金属密封套作防水层，均能起到有效的防水作用，这对防止交 联电缆发生水树放电是极为有利的。 十、220kV 交联电缆的预鉴定试验 为了获得超高压电缆线路长期可靠性方面某些信息， 特别是使电 缆和附件得到一次热和机械应力的严格考验。应进行长期加速老化 试验即预鉴定试验。根据 IEC2000-10 月 13 日出版的 CDV 文件(20/442/CDV)额定电压 150kV(Um=170kV)至 500kV(Um=525kV)挤包 绝缘电缆极其附件试验方法》以及全国电线电缆标准化技术委员会 提出的标委会标准 CSBTS/TC213-02-1999《额定电压 220kV 交联聚 乙烯绝缘电力电缆》 。在预鉴定试验中，对被试验的电缆系统中包括 所有附件，施加 16kV(1.7U0)长达一年时间，采用导体电流加热的方 式， 将电缆导体温度加热至(90～95℃)， 加热的方式应使远离电缆附 件处的电缆导体达到上述温度，加热时间 8h，在每个加热周期至少 2h 导体温度达到上述温度，接着至少 16h 的自然冷却。在整个一年 试验期内，每天进行一个周期的热循环。IEC 标准规定为 180 个热 循环，我国在第一次试验共进行了 365 个热循环试验，试验结束后， 在电缆试样上进行雷电冲击电压试验，从完成热循环电压试验的电 缆线路上切取三段电缆，分别代表了直埋敷设、管道敷设、空气敷 设三种敷设状况的电缆试样，进行雷电冲击试验。试验时试样导体 温度为 90～95℃，施加 1050kV 试验电压，正、负极性各 10 次，试 样未击穿。随后对该试样进行冲击裕度试验，分别施加 1100kV、 1200kV、1300kV、1400kV 和 1500kV 试验电压，正负极性各 10 次。十一、连续载流量 在给定电缆导体的工作温度的情况下，利用电缆各损耗和各部分 的热阻大小，用计算的方法，所得出的载流量称为安全载流量。但在 实际情况下，由于状态的改变，如环境温度，埋设深度，电缆密集程 度等不同，都会影响载流量的大小，所以一般用修正系数来校正，或 者根据实际经验对载流量进行修正。 连续载流量 I 可按下列公式计算。?1 ?? ? Wd ? T1n?T 2 ? T 3 ? T 4? ?2 I= RT1 ? nR(1 ? ?1)T 2 ? nR(1 ? ?1 ? ? 2）（T 3 ? T 4)式中：Δ θ =θ ―θ a――高于环境温度的导体温升(℃) θ ――电缆导体的最高允许长期工作温度（℃） θ a――环境温度（℃） Wc=I2?R――每米电缆中每相导体损耗(W/m)； Wd――每米电缆中每相介质损耗(W/m)； I――电缆允许连续工作电流(A)； R――工作温度下，每相电缆的交流有效电阻（Ω /m） ； T1、T2、T3、T4――每米电缆的绝缘热阻，衬垫热阻、护 层热阻及外部热阻（℃?m/W） n――电缆芯数； λ 1、λ 2――电缆的护套及铠装损耗系数。 交联电缆的载流量，由于其长期工作温度高达 90℃，所以要比粘 性油纸电缆高 1～2 级。十二、机械物理性能 绝缘和护套性能见表 1――4。 表 1――4 绝缘和护套性能护套 序 试验项目 号 ST2 1 老化前及老化后机械性能试验 a)抗张强度 b)断裂伸长率 烘箱中老化后 a)处理：温度（±20℃） 持续温度 持续时间 b)抗张强度 老化后 变化值 c)断裂伸长率 老化后数值 变化值 2 绝缘的热延伸试验 a)处理温度 载荷时间 机械应力 负载下最大伸长率 冷却后最大永久伸长率 3 绝缘的收缩试验 温度（±20℃） ℃ 130 ℃ min N/mm2 % % 200 15 20 175 15 最小 最大 % % ±25 150 300 最小 最大 N/mm2 % ±25 12.5 ±25 ℃ % 135 7 100 7 100 10 最小 最大 N/mm2 % 12.5 200 12.5 150 10 300 ST3 单位 绝缘 PVC 护套 PE 护套持续时间 最大允许收缩h %1 4第四节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蓝。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功率， 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 其链上打开两个或几个线性分子交叉联结起来。 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、EPDM、CPE、PP、几乎所 有聚合物，产品品种多； （3）产品有更好的耐热、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）设备一次投资大； （2）对较大截面电缆的辐照不均匀，经反复辐照后，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 1kV～10kV 架空绝缘电缆也是可以的。 （3）设备开工率低，利用率不高，成本大。 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。它的主要 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 10kV、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 “古老的”交联方法。此方法是以压力为 15～20kg/cm2，温度 180～ 200℃的过热水蒸气为加热和加压媒质，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。 由于水蒸气在交联管内直接与熔融状态的聚乙烯接触，水分会向 绝缘内渗透扩散。在电缆冷却过程中，绝缘内部的水蒸气达到饱和状 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 200～300kg，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中辐射加热，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，在其他国家 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。 加热和予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， 对绝缘施加压力可书记不发生或少量发生气隙， 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 0.29%；交流冲击击穿强度比蒸汽交联高５０％；最大场强可 达 7kV/mm，而蒸汽交联只有 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(Anaconda)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，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――大日 连续交联法” ，而技术上的含义是长承模交联工艺法。 MDCD 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、加压熔岩盐交联(PLCV)工艺 此方法最初是由意大利卡来罗公司(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得?斯马特 (Gerald Smaart)发表了这项成果，并向英国 BICC 公司出售了第一台设备。 PLCV 系统中所使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，冷却段长度 20m。熔盐传 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，日本腾仓电线公司的鹿间贞吉等人发明了硅油交联工艺 (FZCV)。此方法用加压硅油作为加热和冷却媒质。在硅油压力作用 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。腾仓电线公司于 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 式交联设备经济。 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 年英国康宁公司(Dow-Corning)提出 开发的，也称为 SioplasE 法，即硅烷接枝交联工艺，它是接枝和挤出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，该料粒称为 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， 得到广泛的应用。 但也存在着以下缺点： （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)由于两步法通过多次混合， 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 Mailiefer 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、炕氧剂和和液态 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，具体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，所以它能够确保较 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， 所以所需的硅烷要比硅烷接枝化合物 需要的硅烷含量低。由于共聚法工艺的先进和独创，制得的硅烷交联 聚乙烯具有以下优点： （1）贮存稳定性好，贮存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较少， 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，已有七种硅烷交联生产工艺生产方式，其中有三种 是派生出来的。这七种方法中，除了 Monsil 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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