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10kV紫外光辐照交联聚乙烯电力电缆新技术.pdf

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资源描述

1、2 0 0 8年第 4期 No 4 2 0 08 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 8月 Au g, 2 00 8 1 0 k V紫外光辐照交联聚乙烯 电力电缆新技术 鲍文波 , 马树 军 , 贾振 山, 李 巍 ( 黑龙江沃尔德 电缆有 限公 司, 黑龙江 佳木斯 1 5 4 0 0 4 ) 摘要 : 介 绍 了紫外光交联 特点 , 以及 生产 额定电压 1 0 k V紫外光辐照 交联 聚 乙烯绝缘 电力电缆的设备、 工艺和 产品的性能指标 ; 并对紫外光辐照 交联与其 它交联方 法作 比较 。 关键词 : 1 0 k V紫外光

2、辐照 交联 电缆 ; 设备 ; X - 艺; 试验 中图分类号 : T M2 4 7 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 0 0 1 0 4 A Ne w Te c hn o l o g y f o r 1 0 kV UV- I r r ad i a t e d XLPE Po we r Ca bl e s BA0 W e n- h oe t a l ( He i l o n g j i a n g Wa l d C a b l e C o ,L t d ,J i a mu s i 1 5 4 0 0 4,C h i n

3、 a ) Abs t r ac t :T he c h a r a c t e r i s t i c s o f UV i r r a d i a t i o n a s we l l t h e e q ui pme n t , p r o c e s s , pr o d uc t r e qu i r e me nt s f o r pr o d u c t i o n o f 1 0 k V UV i r r a d i a t e d XL P E p o we r c a b l e a r e p r e s e n t e d C o mp a r i s o n wa s

4、ma d e b e t we e n t h e c r o s s l i n k i n g b y U V i r r a d i a t i o n a n d o t he r c r o s s l i nk i n g me t h o d s Ke y wo r ds:1 0 k V UV i r r a di a t e d XLPE c a b l e s;e qu i p me nt ;p r o c e s s;t es t i n g 紫外 光辐 照交 联 电线 电缆 是 将 “ 紫 外 光 辐 照加 工” 这一技术应用于高分子材料改性 的最新 的技术 领域 , 紫

5、外光辐照加工技术是在高分子材料挤 出熔 融状态下 , 在常压下对高分子材料进行照射、 对材料 无损伤 , 高效节能 , 光线可深入到聚合物内部作用 , 而且不带来任何残毒和废物 , 控制方法简便 , 适合于 产业化和规模化生产。 1 光交联原理和技术 特点 以聚烯烃为主要原料掺人适量 的强化交联光引 发体系 , 在一定条件下用紫外光照射 , 通过光引发剂 吸收特定波长的紫外光引发产生活泼的大分子 自由 基 , 经过大分子 自由基和其他添加剂的系列快速交 联反应 , 将单独的聚乙烯长链大分子 , 用化学键联接 成 三维 网状 的交 联 聚 乙烯 超分 子结 构 。 图 1为紫 外 光 辐 照交联

6、 的反应 机 理 , 图 2为 紫 外 光辐 照下 聚 乙 烯凝胶含量与光照时问的关系。 2 紫外光辐照箱组成及特点 紫外光辐照灯箱分三部分组成 : 紫外光发生器 控制柜、 冷却风机、 紫外光灯。每只灯功率分为 6 k W 全 功 率 和 4 k W 半 功 率 之 分 , 根 据 产 品 型 号 规 格 、 交联度的要求 , 分别设定不 同的档位操作。 收稿 日期 : 2 0 0 7 0 9 2 0 作者 简介 : 鲍文波 ( 1 9 7 0一) , 男 , 副总经理 , 总工程师 作者地址 : 黑龙江佳木斯沃尔德路 1 号 1 5 4 0 0 4 7 0 6 0 芝 0 删4 0 篓 3

7、0 葵 2 0 l 0 0 图 2 紫外 光辐照下聚乙烯凝胶量与光照时间 的关系 光源采用无极灯模块单元加主反光罩和辅反光 罩 结构 。无 极灯 模块 单元 内装 有一 只微 波激 发 的无 极紫外灯管和横截面为椭圆形的反光罩。无极灯模 块单元的对面也安装反光罩 , 其横截面 和无极灯模 块 单元 内的反光 罩 的横截 面共 同组 成一 个 椭 圆形 。 灯管安装在椭圆柱两焦点 中靠近反射罩的焦点位置 维普资讯 2 0 0 8年第 4期 No 4 2 008 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 8年 8月 Aug , 2 008 上 , 电

8、缆处 在另 一 焦 点 位 置 上 。反 射罩 将 灯 管 辐 射 的能量聚集在 电缆的绝缘上 , 以达到紫外光能的最 大利用效率 。图 3为紫外光无极灯模块的结构。 主 图 3紫 外 光 无 极 灯 模 块 的结 构 我们采用的紫外光灯排列顺序 : 采用六个无极 灯 , 每只 灯对 面增加 辅反 光罩 组成 一组 , 六组 无 极灯 单元在周 向 7 2 0 。 , 每组灯之问按 1 2 0 。 平均分配 , 确 保每一方 向紫外光 照射 电缆 的时间相同, 灯箱总长 3 I T I 左右 。 3 1 0 k V紫外光 交联 生产 线及产品的制造 3 1 紫外 光交 联生产 线 的组成 紫外

9、 光交 流生 产线组 成 如下 : + 2 5 0 0端 轴 式 放 线 架 一 气 压 履 带 式 牵 引 机 ( HK Q D 一 1 6 0 0 ) 一塑料挤 出机( S J Y 一 6 5 2 0 , 移动式 ) 一 塑料挤 出机 ( S J 一 1 2 0 2 5 ) 一 同步控 制 柜一 不 锈钢 水槽 一 吹 干装 置 一 气 压 履 带 式 牵 引 机 ( H K Q D一 1 6 0 0 ) - - - + 2 5 0 0端轴 式放 线架 。 3 2光 交联 8 7 1 0 k V 电缆 生产 的 “ 2+1 ” 挤 出光 辐 照 交联 工艺流 程 ( 见 图 4 ) r1

10、l 匦 圜 匹 二 二 匡 二 亘 二 二 卜 _ 一I 匪互卜 垂卜互 + _ 二 国 l 匝至 _ _ 固 图 4紫外光辐照交联 的工艺流程 3 3 紫 外光 辐照 交联 工艺 条件 ( 1 )1 0 k V紫外光 ( 辐照) 交联电缆绝缘的挤 出 温度 ( 见表 1 ) 。 表 1 8 7 1 0 k V紫外光 ( 辐照 ) 交联 电缆 绝缘的挤出温度 ( 单 位 : ) 挤 出机 一区 二区 三 区 四区 五 区 六 区 法兰 机头 1 机头 2 机 头 3 机头 4 6 6 5 ( 内屏) 8 0 9 0 9 01 0 0 1 0 01 1 0 1 1 Ol 2 O 1 2 01 3

11、 O 1 3 O一1 4 0 61 2 0 1 6 01 7 0 1 7 01 8 0 1 8 O一1 9 0 1 9 02 0 0 2 0 02 1 0 2 1 0 2 2 0 2 1 0 2 2 0 2 1 O 2 3 0 2 1 O一2 2 0 2 1 02 3 0 2 1 0 2 3 0 击 9 O 8 0 9 O 9 O 9 5 9 5 。1 0 0 1 0 01 0 5 1 0 51 1 0 1 0 5 1 1 0 1 0 5 1 1 5 1 0 51 1 5 ( 2 )挤 出层 的冷却 。为 了降低绝缘 的冷却速 度 , 减少其 内应力和纵向收缩率 , 对挤出后的线芯进 行逐级温

12、度冷却 , 四段冷却水槽温度见表 2 。 表 2冷却水槽各段温度 第一段水槽 第二段水槽 第三段水槽 第 四段水槽 4 05 O 7 08 O 405 O 2 0 4 0 ( 3 )开机 前 导 体应 在 室 内至 少 存 放 1 2 h以上 ( 确保 导体 表面 温度 与室 内温 度一致 ) 。 ( 4 )热延伸 ( 率 ) 最佳控制在 6 0 1 2 0 。 ( 5 )电缆标 称截 面与 生产 速度 的关 系 , 见 表 3 。 3 4 产品原材料和成品电缆质量的控制和检验 ( 1 )紫外光辐照交联电缆料的检验( 见表 4 ) 。 ( 2)紫 外 光 交 联 用 半 导 电屏 蔽 料 检

13、验 ( 见 表 5 ) 。 ( 3 )成品电缆性能的检验。1 0 k V紫外光辐照 交联 电力电缆成品主要性能( Z F Y J L V 8 7 1 0 3 3 5 ) , 见 表 6 。 表 3生产速度表 导体截 mm 绝缘标称厚度 mm 生产速度 ( m r n i n ) 2 5 1 4 5 1 0 1 5 3 5 4 5 1 0l 5 5 0 4 5 91 3 7 0 4 5 8 1 2 95 4 5 81 1 1 2 O 4 5 71 O 1 5 O 4 5 69 1 8 5 4 5 69 2 4 0 4 5 58 3 0 0 4 5 58 4 1 0 k V 电缆紫外光交联与其他交

14、联 的生 产工艺 、 成本 、 效 率的比较 ( 1 )工艺简单、 操作方便 。过氧化物交联生产 1 0 k V电缆常用悬链式交联生产线 生产 , 生产 时存 维普资讯 2 0 0 8年第 4期 No 4 20 08 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 8月 Aug , 20 08 表 4 紫外光辐照 交联 电缆料 的测试 结果 序号 老化前 项 目名 称 试验结果 老 化前性能 1 抗张强度 MP a 2 2 4 断裂伸长率 老化后性 能( 1 5 O , 1 6 8 h ) 抗 张强度 MP a 2 4 2 2 抗 张强度变化率

15、 8 断裂伸长率 4 9 0 断裂伸长率 变化率 一1 O 热延伸试验( 2 0 0 , 1 5 rai n ) 3 负荷下伸长率 3 2 5 永久变形 O 4 凝胶含量 8 2 5 低温 冲击脆化温度 一7 6 2 O 体积电阻率 ( Q c m) 2 4 x1 O 6 6 9 O 体积 电阻率 ( Q c m) 3 0 x1 O 7 介 电强度 ( k V mm) 4 1 6 8 介质损耗角正切 ( 5 0 Hz , 2 O ) 0 3 2 6 x1 0一 9 介 电常数 ( 5 0 Hz , 2 O ) 2 2 表 5 紫外光交联用半导 电屏蔽料试验 结果 项 目名称 导体屏蔽 绝 缘屏

16、蔽 密度 ( g c m 。 ) 1 1 3 1 1 8 抗拉强度 MP a 1 1 2 1 1 1 断裂伸长率 3 3 0 2 7 2 空气箱老化试验 1 3 5 , 1 6 8 h 抗拉强度变化率 1 5 1 断裂伸长率变化率 一 7 7 2 O 体积电阻率 ( Q e m) 1 2 1 4 脆化温度 (一 4 5 ) 失效数 试样数 6 3 0 8 3 0 剥离强度 ( N c m) 2 7 在以下缺点 : 对挤 出机 温度要求较 高, 一般要控 制在 2 C之 内, 易造成电缆料先期交联 ; 适合长 段电缆生产 , 开机停机 时头尾线 浪费较多 ; 停机 后需清理螺杆和机头 , 劳动强

17、度较高, 浪费材料 。 i 0 k V硅烷交联电缆生产时存在停机后需清理 螺杆和机头 , 劳动强度大 , 浪费材料等缺点。 紫外光电缆料 , 挤出时可在普通挤出机挤出 , 也 可采用特殊挤 出机挤出, 挤出工艺控制容易 , 不会产 生先期交联 , 停机后不用清理螺杆 和机 头。挤出后 绝缘表面平整光滑, 直接可以转入下道工序。 ( 2 )与过 氧化 物交 联 、 硅 烷 交联 生产 成本 比较 。 生 产i 0 k V 交联聚 乙烯( X L P E ) 绝缘电缆 , 紫外光辐 表 6电力电缆的测试结果 序号 项 目名称 指标 试验结果 1 局放试验( 1 5 k V) p C 1 0 2 2

18、 交流电压 试验( 2 2 k V 5 rai n ) 不击穿 通过 3 t 8 n 6 ( 9 5 1 0 O , 2 k V) 0 0 0 8 0 0 0 0 0 5 绝缘平均厚度 ra m 4 5 4 5 8 4 绝缘最薄处厚度 m m 4 0 0 4 4 6 热延伸试验( 2 O N c m , 2 0 0 1 5 m i n ) 1 7 5 7 5 5 负载下延伸率 1 5 O 冷却后变形率 6 热 收缩试验 ( 1 3 0 , 1 h ) 4 l 7 绝缘吸水试验 ( 8 5 。 c, 1 4天) ( rag e ra ) 1 0 O 1 老化前 抗拉强 度 MP a 1 2 5

19、2 1 2 断裂伸 长率 2 0 0 4 8 0 老 化后 8 抗拉强 度 MP a 2 2 4 抗拉强度变化率 2 5 6 断裂伸 长率 4 6 5 断裂伸 长率变化率 2 5 3 照交联生产速度与悬链式过氧化物交联生产速度基 本相 同。 1 2 0挤出机 X L P E最大挤 出量为 1 8 0 k g , 按每小时挤出 i 0 0 k g 计算 , i 0 h挤 出量为 1 t , 紫外 光电缆因生产所需材料和方式不同, 每吨生产成本 至少 比过氧化 物交 联 、 硅烷 交联 节约 5 0 0元 。 紫外 光整 条机 组装 机容 量 2 4 0 k W , 紫外 光辐 照 箱容量为 5

20、6 k W, 开机时平均功率为 2 0 0 k W; 硅烷 交联机组装机容量 为 2 4 0 k W, 开机时平均功率 1 6 0 k W , 挤 出后在 5 0 k W 的热水箱 内交 联 8 h以上 。悬 链式 过 氧化物 交联 机组 装机 容量 约为 7 5 0 k W, 开 机 时平均功率为 5 0 0 k W 左右 , 每度电按 0 6元计算 。 紫外光交联成本 =绝缘成本 +能耗 ( 功率 小时 每度 电费用):1 6 5 0 0+ 2 0 01 0 0 6=1 8 3 0 0元 t 。 硅烷交联成本 =绝缘成本 +机组能耗 ( 功率 小时 每度电费)+交联能耗 ( 功率 小时 每

21、度 电费) =1 7 0 0 0 +1 6 0 i 0 0 6 +54 8 0 6 = 1 8 21 9 2 元 t 。化学交联成本 =绝缘成本 +能耗 ( 功率 小 时 每 度 电费 )=1 7 0 0 0+5 0 0:X 。 i 0:X 。 0 6=2 0 0 0 0 元 t 。 从上述可知 , 紫外光交联与硅烷交联生产成本 基本相同, 与过氧化物交联相 比每使用 1 t 电缆料 , 可节约 1 7 0 0元 ( 不包含头尾损耗) 。 ( 3 )生产效率高。过氧化物交联电缆绝缘挤出 后一般需要放置 4 7天左右 , 确保交联副产品挥发 后才能转入下道工序生产。 维普资讯 2 0 0 8年第

22、 4期 No 4 2 0 08 电 线 电 缆 El e e i e W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 8月 Au g, 2 0 08 硅 烷 交联 产 品绝 缘后 , 需 在热 水 或 水蒸 汽 中存 放 8 h以上才 能达 到交联 , 由于 表面 有水 分 , 电缆需 在室内存放 2 4 h以上才可以转入下道工序 。 紫外光交联绝缘后直接转入下道工序生产 , 可 显著提高生产效率。 表 7几种交联方法的综合比较 特征 电子柬辐照交联 过氧化物交联 ( 化学交联) 硅烷交联 紫外光辐照交联 过氧化物降 解一 产生 自由基 硅烷接枝 一水 解一 硅烷 官能 机理 产生 自由基

23、一化合 产生 自由基一化合 一化合 团接枝 投资小 , 不需 特殊 厂房 ; 能 耗低 ; 室温交联 ; 能耗低 ; 提高 耐温 提 高耐温等 级 ; 无 残留物 和挥发 优点 等级 ; 无残 留物 ; 生产过 程不 交联均匀 ; 高交联度 投 资小 ; 适应性强 ; 工艺简单 物符合 环保要求 ; 交联均匀 ; 高交 会产生 预交联 联度 ; 适应 性强 ; 工 艺 简单 ; 生产 过程不会产生预交联 投 资 大 ; 电子 射 线 穿透 厚 度 投资 大 ; 占用 空间大 ; 生产 率 生产率低 ; 放置稳 定性 劣; 分 ( 低于 1 0 mm) ; 易 产 生 电子 低 ; 放出气体 ;

24、 生产成本高 , 开 离 出 水 分, 对 低 压 电缆 无 影 投资较 硅烷 大 , 大 约是 电子 束辐 问题 陷井 ( 电子 积聚 ) 、 静 电效应 、 机 、 停 机损耗 大 , 不适 合短段 响, 但对 中、 高压 电缆影 响较 照交联和化学交 联投 资的 1 3 热效 应 ; 环保防 护难 ; 操作 维 生产 ; 生 产过 程不 当, 材料 会 大; 生产过 程不 当, 材料会 产 1 2; 不能生产架 空电缆 修难 产生预交联 生 预交联 低 压电线 电缆 ; 特种 电线 ( 电 中、 低 压 电线电缆 ; 特种 电线 中、 低压电线电缆( 正在试制高压 用途 中 、高压电缆、

25、 架空电缆 缆) ; 架空电缆 ( 电缆); 架空电缆 电缆); 特种电线( 电缆 ) 5几种交联方法 的综合 比较 聚 乙烯 是 聚合 物 材 料 中产 量 最 大 , 用途 最 广 的 通用热塑性高分子材料 , 在 国民经济建设和 日常生 活中起着越来 越重要 的作用。然而 , 聚乙烯材料的 使 用温 度十 分有 限 , 在 升 高 温 度 的情 况 下 易 发 生 变 形 , 甚至丧失其力学强度而无法使用 。因此 , 采用适 当的方法对聚乙烯进行交联改性 , 使之变成能耐高 温的热固性塑料以提高其使用价值一直是世界各国 聚合物材料科学家追求 的目标之一。 聚 乙烯 的交联 方法 主要 有

26、三 种 : 高能 辐射 交联 , 化学 交联 和紫 外光交 联 。表 7列 出 了几 种不 同交联 方法的综合 比较 。 高能辐射交联 法使用高 能射线 ( 射线 、 电子 柬 、 中子柬等) 辐照聚乙烯 , 打断聚乙烯 中 C _ H键和 C C键 , 形成的大分子 自由基复合产生交联 。 化学交联法可分为过氧化物法和硅烷法。前者 通过添加的过氧化物在高温下 的分解 , 产生 自由基 引 发聚 乙烯 交联反 应 ; 后 者通 过 共 混 引 入 或 接枝 到 聚乙烯链上的硅烷官能团在热水中水解产生 s i 一 0 一 s i 结构实现交联 。 在电缆行业应用的高分子材料交联方法都是由 外 国

27、发 明创造 , 只有 紫 外光 辐 照 交 联 技 术 由我 国 自 主研 发 , 达 到 国 际领 先 水 平 。紫 外 光 交 联是 近 年 来 才开始实现工业应用 的新交联方法 , 通 过加入聚 乙 烯基料中的光引发剂和光交联剂吸收紫外光后发生 一 系列 的光 物理 和光 化学 反应 而产 生 的大分 子 自由 基进行迅速复合生成三维 网状的交联结构。 6 结束 语 经 国家电线电缆质量监督检验中心测试 , 1 0 k V 光( 辐照) X L P E绝缘电力电缆的各项指标全部达到 或超过了国内外同类产品的各项技术指标 。 2 0 0 7年 6月黑龙江省经委聘请清华大学 、 浙江 大学

28、、 哈尔滨理工大学、 上海 电缆研究所 、 武汉高 电 压研究所等国内专家对 “ 1 0 k V及 以下紫外光辐照 交联 电缆 和 电缆材 料进 行 了新 产 品 和新 技 术 鉴 定”, 鉴定的结论 为: “ 紫外光辐照交联 聚乙烯 绝缘 电缆生产新技术是一项 我国 自主研发 , 具有 自主知 识产权 的创新成果 , 为交联 电缆生产技术开拓了一 个 新途 径 , 处 于 国际领 先 水平 ” 。 光交联电缆生产设备和工艺流程安全可靠 , 该 交联方法投资少 、 适应性强 、 工艺简便 、 生产效率高 、 产品成本低、 经济效益高 , 可广泛应 用于低压 电缆 、 中压 电缆 、 电气装备用电缆。 参考文献 1 唐崇健 , 等 一步法液态硅 烷交联 新工 艺 A 中国 电工技术 学会电线电缆专委会 2 0 0 2年年会论文集 C 2 0 0 2 2 柳俊岭 , 等 紫外 光辐 照交联 电缆新 技术 的应 用 A 中 国电 工技术 学会 电线 电缆专委会 2 0 0 2年年会论文集 C 2 0 0 2 3 南防修 紫 外 光交 联 电缆 工艺 装 备及 其对 产 品性 能 的 影响 J 电线 电缆 , 2 0 0 3 ( 2 ) : 2 2 2 4 维普资讯

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