工艺技术_交联工艺学课件

交联工艺学 主讲 雍学龙 中天科技海缆员工培训教材 目录第一章概论第二章交联用原材料第三章过氧化物交联设备及工艺第四章辐照工艺及其设备第五章硅烷交联技术第六章交联电缆性能测试 中天科技海缆员工培训教材 电缆的分类1 裸电线与裸导体产品2 电力电缆3 电气装备用电线电缆4 通信电缆与光缆5 电磁线 绕组线 中天科技海缆员工培训教材 电力电缆的分类 按常规绝缘材料分 按电缆结构特性分 按阻燃 耐火特性分 按耐热特性分 按防动 生 物破坏性分 按防环境危害性分 按特殊使用场合分 电力电缆 2 中天科技海缆员工培训教材 按常规绝缘材料分1 橡皮绝缘电力电缆橡皮绝缘电力电缆是历史上最早的电力电缆 具有柔软的特性 适合安装于弯曲半径较小的场合或需要经常变换敷设位置的场所 如船用 矿用等 2 油浸纸绝缘电力电缆在1992年前在我国中低压电力电缆中的主导产品 油纸绝缘结构是互补性的合理组合 电性能 热性能的裕度大 使用寿命长 70 80年 但工序多 生产周期长 接头工艺复杂 允许工作温度低 3 聚氯乙烯 PVC 绝缘电力电缆PVC绝缘电力电缆有着好的机械和化学性能 在阻燃性能方面 尤其表现优越 但易污染环境 我国有不少低压电力电缆仍采用PVC绝缘 4 聚乙烯 PE 绝缘电力电缆聚乙烯的介电常数仅为聚氯乙烯的1 3 介质损耗角正切值为聚氯乙烯的1 5 1 10 因此聚乙烯的介质损耗小 用于中高压电力电缆时这一优点更为突出 但其熔融温度低 140 160 一旦电缆发生事故短路或严重过载 会造成整条线路中因聚乙烯熔融 淌流而损坏 5 交联聚乙烯 XLPE 绝缘电力电缆XLPE绝缘电力电缆与PVC绝缘电力电缆 油浸纸绝缘电力电缆相比 它的物理 机械性能和耐热性能无与伦比 近年来 交联电力电缆已成为PVC绝缘电力电缆的代替型 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆结构交联电缆一般由导体 绝缘 屏蔽 护层四部分组成 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆的导体一 定义导体是能传导电流的物体 又称为导电线芯 电缆就是利用导体来传导电流的 因而导体是电缆最重要的组成部分 电线电缆的规格就是导体的截面表示 二 导体的材料作为电力电缆用导体的材料必须具备以下特点 1 导电性优 2 导热性好 3 有良好的延展性 4 有足够的机械强度和断裂伸长率 5 有一定的耐腐蚀性 6 资源丰富 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆的导体三 结构1 实心2 绞合 圆形导电线芯 异形线芯a 中央导线规则b 移滑规则 中天科技海缆员工培训教材 正规绞合 非正规绞合 半圆形 扇形 瓦形 交联电力电缆的绝缘一 定义是在导体外层起着电绝缘作用的构件 即保证传输的电流或电磁波只沿着导体行进而不流向外面 从而确保外界物体和人身安全 二 绝缘的材料作为电力电缆用绝缘的材料必须具备以下特点 1 良好的电气绝缘性能 主要表现为承受电压的大小 2 良好的热传导性能 3 一定的机械性能 4 可加工工艺性能 5 耐热性能 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆的屏蔽一 定义是一种将电缆产品中的电磁场与外界的电磁场进行隔离的构件 二 屏蔽的材料1 半导电屏蔽料2 铜带 3 铜丝 4 半导电带 5 铝套 6 铅套 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆的护层一 定义是对产品整体特别是对绝缘起保护作用的构件 二 护套的结构和材料根据电缆的用途以及使用环境和绝缘的不同 护套有许多不同型式和结构 交联电缆护层主要有裸护套和铠装型两种 裸护套铠装型防水型 中天科技海缆员工培训教材 聚乙烯护套 聚氯乙烯护套 钢带铠装 钢丝铠装 铅护套 铝护套 交联电力电缆品种按电压等级分为低压 中压 高压 超高压电压等级用U0 U来表示 其中U0表示电缆设计用的导体对地或金属屏蔽间的额定工频电压 又称相电压 U表示电缆设计用的导体对导体间的额定工频电压 又称线电压 低压 0 6 1kV及以下中压 3 6 6kV 26 35kV高压 64 110kV 127 220kV超高压 500kV 中天科技海缆员工培训教材 电缆电压等级的选择 64 电压等级表示为U0 U Um U0为导体对地电压 U为导体与导体之间电压 Um为使用设备的系统最高电压的最大值 其中 U0按系统接地故障持续时间分为两类 第一类电缆 用于单相接地故障时间每一次一般不大于1分钟的系统 亦可用于最长不超过8小时 每年累计不超过125小时的系统 第二类电缆 用于接地故障时间更长的系统 或对电缆绝缘性能要求较高的场所 例如10kV系统 如中性点经消弧线圈接地的应采用8 7 10kV电缆 或8 7 12 如中性点经小电阻接地的可采用6 10kV电缆 或6 12 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆品种按电压级分为温水交联电缆 过氧化物交联电缆 辐照交联电缆等 按结构分 架空绝缘电缆 五芯交联电力电缆按使用特性分 阻燃系列交联电缆耐火系列交联电缆阻水系列交联电缆 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆产品型号及名称电缆的型号组成如下 中天科技海缆员工培训教材 电缆名称的通常顺序是 从内到外说明导体 绝缘 内护套 铠装层 外护套的材料 然后是附加特征或类别名称 也有将附加特征或其它要强调的特性 用途放在最前面的表达方式 交联电力电缆的产品规格交联电力电缆的规格由 芯数 截面 组成 交联电力电缆的芯数一般有1 2 3 3 1 4 3 2 4 1 5芯 交联电力电缆的截面系列有1 5 2 5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1000 1200等 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆表示方式型号 电压级 规格如 YJV328 7 10kV3 120mm2 中天科技海缆员工培训教材 交联电缆芯数的选择 65 在电力电缆导体中 其中三根主线芯是传输三相电流的 第四芯即中性线 PN线 是为了输送电力系统在不平衡状态下产生的不平行电流及短路电流 这就是3 1的四芯电缆 中性线大小由不平衡电流及短路电流来确定 一般不小于相线的1 2 随着计算机的广泛应用以及对电缆的功能要求越来越多 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 这样中性线要求扩大相线截面水平 即四芯等截面 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 为满足不同用户需要 就有了3 2 4 1及五芯等截面三种结构 中天科技海缆员工培训教材 电缆导体截面的选择 66 电缆导体是电缆传输电流的重要元件 一般来说导体截面越大其传输的电流就越大 导体截面的选择除设计手册中所要求的温升 经济电流密度 电压损失 机械强度 载流量等以外 还需注意 1 敷设距离导致的单相短路故障 接地故障保护灵敏度问题 低压系统 2 在一个工程中尽量减少 合并截面等级 利于加工定货 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能一 导体电阻1 电阻率 铜0 017241 mm2 m 铝0 02864 mm2 m 软铜线 0 01748 mm2 m 软铝线 0 0283 mm2 m 2 线芯直流电阻Rt R20 1 t 20 k1k2k3k4 km K1 单线在加工引起的变化系数 K2 绞合引起的长度变化系数 K3 紧压引起的变化系数 K4 成缆绞合引起的长度变化系数 3 线芯交流电阻Rt Rt 1 Ys Yp km Ys 集肤效应系数 Yp 邻近效应系数 导体直流电阻试验是交联电缆例行试验之一 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能二 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的大小 在超高压线路中 电容电流可以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 值比较小 所以交联电缆的电容值较小 这就是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 2 0 0真空介电常数 0 8 86 10 12 交联聚乙烯介电常数 2 3 中天科技海缆员工培训教材 C ln D d F m 交联电力电缆性能三 电缆的介质损耗角正切介质在电场作用下 单位时间里消耗的有功功率叫做介质损耗 Wd U2 ctg W km U 电缆导体的对地电压 2 ftg 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 tg 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tg 值 这是它的又一个优点 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能四 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 Ri iG 2 i 绝缘材料的电阻系数G 电缆的结构尺寸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 一般来说 它随着温度和场强的上升而下降 对杂质较多 绝缘电阻系数较低的材料随温度上升而下降更多 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能五 介电系数C A C 极板间的电容A 电极面积 电极间的绝缘厚度 绝缘的介电系数从上式可以看出介电系数越大 表明这种材料在电场中每单位体积所能贮存的电能越多 真空时的介电系数最小 用 0表示 是一个基本常数 即 0 8 86 10 12F m绝缘材料的介电系数通常以下式表示 r 0式中是绝缘材料的相对介电系数 真空的相对介电系数为1 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能六 局部放电在电缆导体和金属屏蔽间施加工频电压后 如果绝缘体中存在微孔 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 尽管局部放电只有很小的能量 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了重要的作用 目前世界各国都非常重视这项指标 并提高了对局部放电试验的考核标准 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下不大于10pC 我国新标准GB T12706 2002也相应提高了对局部放电试验的要求 局部放电试验也是交联电缆例行试验之一 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能七 工频耐压试验对电缆进行工频耐压试验是为了考核电缆耐工频电压性能 工频耐压试验分例行试验 抽样试验及型式试验三种 一般耐压试验的考核标准是3 5U0 5min或2 5U0 30min 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绝缘的工频耐压试验都是从延长时间出发 而不是提高电压 工频耐压试验也是交联电缆例行试验之一 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能八 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年发现了水树放电 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 1 局部高场强 如内半导电层的局部凸起 2 有微小和微观裂纹 3 绝缘内部有杂质或金属粒子 4 绝缘内存在应力 5 绝缘有水分 2 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电树放电而引起介质击穿 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 可以防止和减缓水树放电 中天科技海缆员工培训教材 水树的分类 7 水树按其形状分为树枝形和蝴蝶形两种 树枝形水树 蝴蝶形水树 蝴蝶形水树比树枝形水树更具破坏力 中天科技海缆员工培训教材 水树产生机理 水树的引发和生长 电场使外来水气凝缩于杂质或气隙中 凝缩水压力上升 膨胀 引起气隙壁弱点破裂 凝缩水延电场方向从气隙壁处喷流而出 造成绝缘高分子链的切断和极化 形成链自由基 气隙压力下降 成长饱和时 形成 水树 水树的产生会引起绝缘击穿场强大大降低 5 中天科技海缆员工培训教材 水份使电缆击穿场强下降 水份对电缆的危害 0 10 20 30 40 50 200 400 600 800 1000 1200 1400 交流击穿场强 V 0 025mm 运行时间 月 交流击穿场强与运行时间关系 防水型XLPE电力电缆 XLPE电力电缆 6 电缆在水或湿环境中的寿命将减为一半 中天科技海缆员工培训教材 8 水份透过电缆橡塑护套进入电缆产生的危害有 腐蚀金属护层和屏蔽层 在电场的作用下 易产生 水树 导致 绝缘电阻下降 介质常数增大 损耗增加 局部放电增加 介电强度下降 引起电缆爆炸 水份对电缆的危害 水能引起电缆破坏 应予以高度重视 中天科技海缆员工培训教材 交联电力电缆性能九 连续载流量在给定电缆导体的工作温度的情况下 利用电缆各部分损耗和各部分热阻大小 用计算的方法 所得出的载流量称为安全载流量 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 一般用修正系数来校正 连续载流量I可按下列公式计算 I 温升 Wd 每米电缆中每相介质损耗 R 工作温度下 每相电缆的交流有效电阻 n 电缆芯数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 1 2 电缆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 所以比粘性油纸电缆或聚氯乙烯电缆高1 2级 中天科技海缆员工培训教材 Wd 0 5T1n T2 T3 T4 RT1 nR 1 1 T2 nR 1 1 2 T3 T4 交联电力电缆性能十 机械物理性能 中天科技海缆员工培训教材 交联方法物理交联 辐照交联一般适用于绝缘厚度较薄的低压电缆化学交联过氧化物交联硅烷交联 温水交联 交联 通过物理或化学方法将线性聚乙烯分子转变成立体网状结构 从而提高其机械物理性能和耐热性能 无论采用什么交联方式 其绝缘品质完全一致 故在国标GBl2706 91中 是不区分采用何种交联方法的 中天科技海缆员工培训教材 交联方法1 物理交联物理交联又称辐照交联 其绝缘品质最佳 交联度高 耐候性好 是各种软线 装备线以及耐高温 105 及以上 和阻燃电线电缆的理想工艺方法 其主要缺点为辐照不均匀 生产中要反复照射 电缆弯曲次数太多 且在绝缘中容易注入空间电荷 2 化学交联化学交联分高温和低温两种交联方法 其中高温交联又包括蒸汽和干法交联两种 蒸汽交联因绝缘中水分含量2000 x10 6 绝缘品质不好 已完全淘汰 干法交联绝缘中水分含量 1OO 200 10 6 已在10 500kV电缆中广泛地应用 低温交联 学名硅烷交联 电缆在70 90 温水中交联 也可在湿度较大的空气中交联 故又名温水交联 交联剂 硅烷 吸水后才能使PE绝缘的线性结构反应成网状的交联结构 吸收的水分已成为绝缘分子的一部分 故水分含量极少 也是 100 200 x10 6 绝缘品质完全和干法交联一样 绝缘性能还超过于法交联 温水交联因水分不易渗入较厚的PE绝缘 一般适用于10kV及以下电缆 特别是1kV温水交联电缆 温水交联电缆 产品质量好 设备投资低 生产速度快 是最为理想的电缆产品 目前交联工艺有 二步法 共聚料生产法 Monosil一步法 及派生的另两种工艺方法 固相一步法 及共混法共7种生工艺 中天科技海缆员工培训教材 交联方法过氧化物交联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电缆的生产 特别是35kV及以上的中高压电缆 1 蒸汽交联 SCP 住友 易产生水树 要提高温度 必须同时增大压力 温度每提高10 压力将要增大5kg 这实际是不可能的 2 红外线交联法 RCP 与干式交联 住友 又称CCV悬挂式生产线 绝缘中 含水量仅为0 018 而蒸汽交联为0 29 最大场强可达7kV mm 而蒸汽交联只有5kV mm 3 长承模交联 三菱 大日 采用水平式交联管 紧装在机头上 长达20米 内置润滑油 交联在管中发生 速度与CCV相当 产品质量更好 但生产不同规格电缆 需要更换整个长承模 4 加压熔盐交联工艺53 的硝酸钾 40 的亚销酸钠 7 的销酸钠组成的无机盐混和物 3 4个大气压力 200 250 加热长40米 冷却长20米 生产速度快 产品质量好 较多地用在橡套生产线中 5 硅油交联工艺 藤仓 硅油作为加热和冷却媒介 电缆可悬浮在硅油中而不致擦管和偏心 可以生产275kV大截面交联电缆 生产成本比立塔经济 中天科技海缆员工培训教材 交联方法硅烷交联又称为温水交联 硅烷交联工艺即硅烷接枝交联工艺 它是接枝和挤出分成两个工序进行 交联工艺有 二步法 共聚料生产法 Monosil一步法 及派生的另两种工艺方法 固相一步法 及共混法共7种生工艺 1 二步法第一步由材料厂家将硅烷交联剂与基料在挤出机上接枝并挤出造粒 该料称为A料 同时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的比例混和 并在普通挤出机上挤包在电缆导体上 再放入70 90 温水交联也可以在蒸汽房中交联 2 一步法将聚乙烯基料 抗氧剂和液态硅烷同时计量 混合 即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 即将接枝和挤出由一个步骤完成 故称为一步法 3 共聚法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其聚物 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 中天科技海缆员工培训教材 交联方法辐照交联不要求加入交联剂 是采用高能粒子射线 如 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 可以把两个或几个线型分子交叉联接起来 优点1 生产速度快 占用空间小 2 可加工材料种类多 3 产品有更好的耐热 耐磨和较高电气性能 可阻燃 4 电耗低 缺点1 设备一次投资大 2 对较大截面电缆的辐照不均匀 经反复照射后 电缆弯曲次数太多 不适合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架空电缆也是可以的 3 设备开工率低 中天科技海缆员工培训教材 常用交联方式比较 辐照交联电缆 安全 环保 高性能 中天科技海缆员工培训教材 常用交联方式比较 辐照交联电缆 安全 环保 高性能 中天科技海缆员工培训教材 不同交联方法其特征对比 中天科技海缆员工培训教材 交联用原材料导体用金属材料作为导体使用的铜 铝一般都用电解法制成 纯度很高 铝导体的纯度应在99 5 以上 铜导体的纯度应在99 9 以上 纯铜和纯铝的物理性能 中天科技海缆员工培训教材 交联用原材料导体用金属材料1 铜的主要特点a 导电性好仅次于银居第二 如以铜的电导率为100 银的