1、1第三章 过氧化物交联设备和工艺第一节 过氧化物交联机理一、化学反应交联聚乙烯料是以低密度聚乙烯、过氧化物交联剂、抗氧剂等组成的混合物料。加热时过氧化物分解为化学活性很高的游离基，这些游离基夺取聚乙烯分子中的氢原子，使聚乙烯主链的某些碳原子为活性游离基并相互结合，即产生 CC 交联键，形成了网状的大分子结构。绝缘料多用过氧化二异丙苯(DCP)作为交联剂；半导电料则用热分解温度较高的过氧化乙烷(DMDBH)为交联剂。以 DCP作交联剂为例，聚乙烯交联反应如下：1、DCP 分解成两个游离基 CHO加 热H（ 自 由 基 ）22、活化聚乙烯、游离基转移及生成枯基醇 OCH -CH 生 成 CHO（
2、枯 基 醇 ）3、聚乙烯分子间的交联 CH- CH- 34、枯基醇是不稳定的化合物，在高温下要分解，有两种几率要出现，即： 加 热CHOOCH2（ 苯 乙 酮 ） （ 甲 烷 ）加 热 （ 水 ） 23( -甲 基 苯 乙 烯 )由于 DCP 的分解需要高温，在反应中产生的 H2O、CH 4 及其他生成物，所以整个交联过程必须在高温高压下进行，以增加反应速度和压缩绝缘中的气隙尺寸。二、交联工艺影响交联的因素有材料的活性，交联温度和时间等。1、材料的活性：由化学基本原理可知，化学反应速度与参与反应的物质的浓度成比例，其式为V=kmn式中m 反应时 m 物质的浓度；n反应时 n 物质的浓度；k反应
3、速度常数，与浓度无关。又上式可知，当物质的浓度一定时，反应速度决定于反应速度常数 k。4速度常数 k 是与反应活化能及温度有关的系数。交联反应速度常数和活化能及温度之间的关系可由阿累尼乌斯方程表示lnk=-Ert+lgA式中 E反应活化能；R气体常数；T温度(K)。活化能是衡量材料活性的尺度，它是活化分子具有的最低能量与分子平均能量与分子平均能量之差，反应的活化能越低，则在定温下，活化分子数愈多，反应就越快，由上式计算的 k 值也越大。交联温度在 DCP 分解温度以上至聚乙烯分解温度以下，温度增加，反应速度常数 k 增加，即交联速度增加。2、时间。交联的时间决定于 DCP 的分解速度，DCP
4、的分解速率与温度有着密切的关系。DCP 的分解速度通常用半衰期来衡量， 表示 DCP 的半衰期不同。 DCP1 分钟半衰期 的温度大约为 175，温度升高，半衰期缩短，即交联速度随温度的升高而加快。由于整个化学反应与温度、时间、材料之间关系复杂，任一因素都会影响交联聚乙烯的机械物理性能和电性能。DCP 的分解率 X=1-exp-(ln2)t/设 t=n （n=1、2、3、） ，代入上式，得X=1-exp-nln2由上式可以方便地计算出交联剂 DCP 的分解率 X，表 31 列出了不同 n 值时的 X 值。5表 31 DCP 的分解率 的个数 DCP 分解率 % 的个数 DCP 分解率%1234
5、50.50.750.870.940.976789100.980.990.9900.9980.999一般取适宜的交联时间 ty=510，因为在 510 半衰期内交联剂（如 DCP）可分解 9799.9%。在适宜的交联时间范围内，还存在一个最佳交联时间，其值应大于并接近于 5，这对于电压等级高的电缆的生产尤为重要。电缆通过硫化管后，既要保证绝缘内层交联状况良好，又要保证绝缘外层不至于过交联。已知 T1 时交联时间为 t1，则在任何温度 T 时相对应的交联时间为 t，t 1 和 t 的互换关系为：t=t1exp;E(1/T-1/T1)R例如已知某一材料的最佳交联条件为（160、20） ， （、min
6、）可求出在其他温度条件下的最佳交联条件，例如为（180、3.1） 、（190、1.3） 、 （200、0.56） 、 （210、0.25） 。3、压力。在交联过程中对制品施加一定压力是完全必要的，因为交联过程中制品材料中的水分、低分子分解物都会以气体形式在绝缘层中出现。如无外界压力作用，气体就会在绝缘层中形成气泡，目前在干式交联中大多采用 N2 作保护媒质。6N2 压力为：6kV10kV 时0.8Mpa；35kV 时1.0Mpa；110kV 时1.2Mpa；三、绝缘工艺的基本要求1、无微孔绝缘、水含量最低采用全干式交联和冷却系统。使得绝缘中含水量及微孔降至最低。交联管加热系统应保证加热管的温度
7、均匀，并且无“热点” 。该系统应容易操作，反应时间短。全干式交联生产线的气冷用鼓风机使氮气在冷却管中快速循环并实现热交换，因而冷却效率高，气冷大多使用于高压和超高压电缆生产工艺中。全干式交联生产线也可配备水冷，水冷采用闭路循环和热交换原理，大多数应用于中压电缆的生产。这种全干式交联工艺可以应用于悬链式和立式交联生产线之中。2、光滑的层间界面电缆绝缘层和半导电层界面是否光滑是影响电缆使用寿命的重要因素之一。尤其是对于高压、超高压电缆界面处半导电屏蔽层的凸起、嵌入绝缘层，会导致局部电场强度过高，加速绝缘老化，增加水树现象产生的可能。为了实现层界面光滑，在生产高压、超高压电缆使用超光滑的半导电材料。
8、3、电缆绝缘同心度电缆绝缘同心度是指导体对各绝缘层的位置，有良好的同轴对称性。由于绝缘中的电场分布是电缆长期运行的关键因素，圆形使导7体屏蔽层的电场强度最低，是理想的，也是所要求的形状，对于电缆同心度的要求也越来越严格。此外无论是在立式生产线，还是在悬链式生产线上都能生产出符合同心度要求的厚绝缘电缆。绝缘后电缆的圆度取决于整个交联生产线上各个工艺过程，即：挤出、交联和冷却，但要求绝对的对称是不可能的，尤其是悬链式交联生产线。悬链式交联生产线生产厚绝缘不圆度的主要原因是绝缘的下垂，绝缘的下垂程度取决于绝缘硬度；直径比（绝缘屏蔽直径/导体直径）；导体的旋转速度。绝缘硬度取决于所使用的材料、材料温度
9、和交联。直径比，直径比，小截面在熔化的绝缘内部较容易移动，这是因为导体的直径与移动阻力成正比，基本参数是电缆直径与导体直径之比。而非单纯的导体或电缆的直径。导体旋转速度，提高导体旋转速度从而减少绝缘在同一方向上的下垂时间，以达到减小下垂的结果。旋转速度是根据导体结构和生产线速度而选定的。导体结构决定了最大的旋转节距，来自放线架的导体，其单位长度仅容许一定限度的旋转。其次是材料在机头内流动的分布不均匀和材料的粘弹性效应（也被称为塑性材料的记忆效应） ，产生绝缘不圆度。这是由于分料器设计不正确，而造成料路的不对称。由于料路的不对称，使绝缘料分流不良造成绝缘层厚度不均匀；另外剪切力的不同造成的绝缘温
10、度不均匀和材料流动速度不同，停留的时间不同，弹性变形不同。电缆在加热段还是冷却段从管子到电缆表面的热传导都可能出现8不对称现象。另外立塔生产线中绝缘的温度尚未充分冷却，电缆经过转向导轮时会导致绝缘变形。在交联生产线中保持电缆的同心度，可采取以下措施：（1）在挤出过程中要充分混合，分料器料路要对称，机头温度分布要均匀。（2）加热区温度分布均匀，电缆尽量置于管子的中心位置，电缆在交联管中进行适当的旋转，保证热传导均匀。（3）通过电缆冷却状态的计算，保证经过导轮的电缆温度足够低，避免在转向导轮上造成变形。4、电缆绝缘的控制高压电缆对杂质控制要求相当严格，必须采用超净绝缘料，全封闭式材料处理系统净化室
11、，和超净料的自动下料装置。在挤出中使用高效过滤 5，可以过滤大于 30m 的杂质。在绝缘机头处安装杂质检测装置，对绝缘材料进行连续扫描，将绝缘内的杂质大小和个数以及位置和距离全部记录下来供操作人员参考。5、减少绝缘内的机械应力（1）采用在线松弛装置，是将冷却后的电缆再加热到一定的温度，以消除应力，采用该装置后可以改进高压和超高压电缆的质量，使高压和超高压电缆具有更高的击穿电压和较小的绝缘收缩。（2）改善交联工艺：应适当降低绝缘表面交联温度，加长冷却管长度并采用计算机软件控制生产速度，使绝缘缓慢地冷却，使绝缘向导体中心收缩，绝缘和导体间产生压力，绝缘在压紧导体的作用，9并增加了绝缘与导体间产生位
12、移的摩擦力。如果予冷段过短，绝缘冷却过快，电缆绝缘向绝缘中心收缩，绝缘和导体间会产生应力。6、除去绝缘中的气体在交联反应过程中，会产生一些低分子气体，在出厂之前必须除去气体，否则会引起护套膨胀等现象。因此，对刚交联好的绝缘线芯需要进行除气后才能流入下一道工序。对于 35kV 及以下的绝缘线芯需要在常温下放一段时间就可以了。对于厚绝缘110kV、220kV 高压、超高压交联电缆则不同，在常温下厚绝缘中的气体挥发速度缓慢，需要除气时间很长，如果将刚交联好的绝缘线芯送进烘房，除气速度将大大提高，从而缩短除气时间，提高生产效率。第二节 交联设备和辅助设备概述一、交联生产线的布置方式交联生产线的布置方式
13、有卧式、倾斜式悬链式和立式 4 种。在卧式机组中电缆制品在机头和下牵引装置间会由于自重下垂，下垂的高度与两支点间距离、自重和张力有关。如超规格生产或张紧力不足，就会出现擦管现象。电缆绝缘在冷却定型之前是不允许擦管的，所以对于给定的机组，其最大生产规格是确定的，并且相对于整个电缆规格是很小的。将挤塑机布置在很高的交联立塔的顶部，而牵引和收线装置仍然安装在地面上，交联管垂直于地面，即为立式布置。在这种布置方式中电缆绝缘重力作用于电缆的轴线上，故电缆不会因重力发生擦10管现象和绝缘下垂变形，是生产高压电缆的理想布置方式，但土建投资费用较其他布置方式都高。既要解决交联生产中电缆擦管问题，又不使建筑费用
14、增加的最佳选择是采用悬链式生产线。这种生产线的挤塑机布置在较高的平台上，交联管呈悬链线状。不同规格的电缆在交联管中其悬链线是不同的，并且在运动中张力变化（由于速度波动引起的）也会使悬链线下移或上升到和管壁相碰，为解决这一问题，各机组普遍采用了悬垂控制器，通过检测电缆在交联管中的位置，发出指令控制下牵引电机升速或降速，控制电缆位置于交联管的中心位置附近。此类生产线产品的最高电压级为 110kV220kV。二、交联机组的基本组成交联机组是一个复杂的生产系统。它包括：挤出、交联和冷却系统；牵引机和收放线装置；辅助系统和控制系统等。图 31a 是悬链式干式交联机布置图。图 31b 是立塔交联机组布置图。1、挤塑机和机头在交联生产线中挤塑机为最为关键的设备。故绝缘挤塑机又称为主机。挤塑机以瑞士 Maillefer 公司和美国 Davis-atardard 公司最为著名，他们开发历史最长，技术不断更新，采用计算机温控系统。Davis 采用 301 温控系统。温度可调整到1，一般采用电加热，风冷或水冷，也有采用过热水加热的。如 TROESTER 采用过热水加热，过热水加热比较稳定均匀，但消耗功率大环境散热厉害，且过热水泵和马达容易损坏。
