第四部分 交联电缆工艺 第一章 概论 第一节 交联电缆概况 一．交联电缆在输电系统中的作用 第四部分 交联电缆工艺 第一章 概论 第一节 交联电缆概况 一．交联电缆在输电系统中的作用 电能生产和其它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的构造简单，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，越来越多的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，预计不久的将来交联绝缘电缆将取代其它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，查尔斯(charlesby)在一次核反应堆试验中利用辐射能将聚乙烯交链成交联聚乙烯，从而发明了交联聚乙烯绝缘。1957年美国GE公司在上述原理上基础上，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1960～1965年间，就研制生产了5kV～35kV等级交联电缆，1969～1971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2600万美元。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开发局的电力研究院与通用公司合作，打算研制138kV～345kV交联电缆。研究工作在通用电缆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和充气电缆一直十分流行，就象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已的“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、藤仓四大公司共同建立的一条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(电缆长度为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，大约从六十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气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在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引进的热潮，从原来的两、三家一下子猛增到几十多家生产企业。这些生产线大多是从芬兰NOKIA，美国DAVIS、ROYL和德国TROESIER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，国产交联电缆的击穿故障率高，直接影响到交联电缆的推广和安全运行。

在这种背景之下，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一10300(即ISO一9000系列)标准，协助企业建立和完善交联电缆生产专用的质量管理体系，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处于受控状。为此对国内17条CCV交联生产线进行了整顿验收，达到管理有序、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浪，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 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 导体标称 不同工作电压下的电缆绝缘厚度(mm)kV 截面 (mm2) 0.6／1 3.6／6 6／10 8.7／10 12／20 21／35 26／35 64／110 25 0.9 2.5 3.4 4.5 5.5 9.3 10.5 35 50 1.0 70 1.1 95 9,3 120 1.2 150 1.4 185 1.6 240 1.7 2.6 S．5 19.0

300 1.8 2.8 3.4 4.5 5.5 9.3 10.5 18.5 400 2.0 3.0 17.5 500 2.2 3.2 17.0 630 2.4 4,5 16.5 800 2.6 16.0 1000 1200

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。

第三节 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。

第二章 交联电缆用原材料 使用材料的质量好坏，直接影响到电缆产品的质量，因而电缆的发展很大程度上取决于使用材料的发展。电缆使用材料的品种多、数量大，从生产成本中看，材料费用约占百分之七十以上。交联电缆使用的导体及绝缘材料主要有铜、铝、交联聚乙烯料和内外半导电料。

第一节 导体用金属材料 交联电缆导体使用的导体材料，首先必须具有良好的导电性能；第二，有良好的机械强度；第三，具有一定的防腐蚀的能力；第四，在冷热状态下都具有良好的工艺性能；第五，在资源上能保证供应。铜、铝等金属是常用的导体材料，铜的导电性能好，铝的导电性能和机械、物理性能虽然不如铜，但其具有资源丰富，重量轻等特点，也已成为应用较广的导体材料。

一．铜、铝性能 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。钒、钛锰等是电解铝中影响导电性较大的杂质。砷、铁、锑、锌等则是电解铜中影响导电性能较大的杂质。标准中规定这些杂质含量的限量。电解铜中含氧在0.001％以下的称为无氧铜。

二．过氧化物交联聚乙烯组成 过氧化物交联聚乙烯是由聚乙烯基料，交联剂和抗氧剂组成。 1．聚乙烯 聚乙烯是单体乙烯的聚合物，它的分子式为： —[CH2 —CH2—]n

根据聚合的方法可以分为高压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯是将乙烯气态单体在1000—2000大气压下加热聚合而成，高压聚乙烯的密度、结晶程度、软化点均较低压聚乙烯低，硬度也小。根据分子量的大小可以分成高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯。一般来说，高分子量聚乙烯具有较好的物理性和较差的加工性能。应当指出，分子量大小与密度大小互不相关，分子量大，不一定是高密度，例如就有高分子量低密度聚乙烯。一般用熔融指数来表示平均分子量的大小，而密度与软化点有直接关系。

由于聚乙烯分子在化学结构和几何结构上都很规则、对称，所以聚乙烯很容易结晶。不过它的分子链富有柔顺性，要聚乙烯不含结晶结构是很困难的，但要它全部为结晶结构也不可能。一般聚乙烯为结晶相和非结晶相两相共存物，结晶相含量的百分数称为结晶度。

聚乙烯根据支链的情况结晶度也可能不同，高压聚乙烯含支链的数目较多，因而结晶度较低，在室温下约为55％～70％。低压和中压聚乙烯的支链较少，因而结晶度较高，在室温下约为80％～90％。聚乙烯的结晶度随温度的变化而变化。

交联聚乙烯料机械物理和电气性能 检验项目 单位 指标 1 密度 G/cm3 0．922±0.003 2 抗张强度 Mpa ≥17.0 3 断裂伸长率 % ≥420 4 脆化温度 ℃ 一76 5 135℃168h空气箱热老化后： 抗张强度变化率 ≤±20 6 热延伸：200℃ 0.2Mpa 15min 负荷下伸长率 冷却后永久变形 ≤80 ≤5 7 凝胶含量 ≥80 8 介电常数50Hz 20℃ ≤2.30 9 介质损耗角正切50Hz 20℃ ≤0．0005 10 体积电阻率1kV 20℃ Ω．m ≥1×l014 11 介电强度20℃ kV/mm ≥35

聚乙烯的原料来源丰富，价格低廉；电气性能优异，具有小的tgδ值和介电常数，在通常温度下，具有一定的韧性和柔软性。 过氧化物交联聚乙烯中的聚乙烯基料，通常采用熔体指数为2．0左右的低密度聚乙烯。采用低密度聚乙烯是因为它结晶度低，加工温度低，可以使用分解温度低，交联效率高、性能好的二枯基过氧化物(过氧化二异丙苯)，不会因为过氧化物的过早分解而在加工过程中引起焦烧。

当然，随着高分解温度的化学交联剂的发展，使用高密度聚乙烯也是可以的，熔体指数太高，可能使某些性能受到影响以及交联过程中容易变形，熔体指数太低，则对加工安全性不利，而且挤压表面的光滑性受到影响。

2．过氧化物 过氧化物是使聚乙烯产生交联作用的交联剂，一个好的交联剂应该满足下列要求： 1)过氧化物的分解温度既要高于其本身的熔点，又要高于聚乙烯的熔点，这样在分解前先熔化，易混和均匀。分解特性曲线陡峭，即在没有达到分解温度前很少分解，而一旦达到分解温度能够迅速和完全分解。 2)过氧化物加工范围宽，加工性能好且交联效率高。 3)过氧化物要有高的浓度和纯度，无污染，低的挥发性，其分解物要少，且要求分解物容易挥发。

能满足上述要求的有机过氧化物很少，目前用于交联聚乙烯的交联剂以过氧化二异丙苯(DCP)为最好。 交联剂的用量应从其对性能的影响角度来选择，交联剂用量大，则机械、耐热性、耐油和耐溶剂性增强，而对电性能、抗冲击性和耐寒性则变差。交联剂一般在2份左右。

3．抗氧剂 为了防止交联聚乙烯在加工和使用过程中的氧化老化，必须加入抗氧剂。抗氧剂具有阻止过氧化物分解和吸收过氧化物分解出来的游离剂，使其不发生链破坏反应，这些作用同样也会反映到用作交联剂的过氧化物上，使交联剂不易产生交联反应。因在所选用的抗氧剂要求既有高的抗氧化效力，又能对交联反应的不利影响为最小，且无毒。目前国内大多生产厂家采用300#抗氧剂，但其融点高，不易混合均匀，故有些生产厂家采用熔点为90℃抗氧剂以代替165℃的300#抗氧剂。抗氧剂一般在0．5份左右。

三．硅烷交联聚乙烯绝缘料 硅烷交联也是化学交联的一种。硅烷交联料发展至今已有七种料之多。尽管工艺方法不同，但这些材料所加入的添加剂基本相同，都加入一种有机锡催化剂，硅烷、引发剂、抗氧剂等。 1．二步法硅烷交联料 二步法交联料分A料和B料，A料称为接枝母料，由制造厂将硅烷交联剂与聚乙烯基料在挤塑机上接枝和造粒。B料称催化剂母料其制造过程基本与A料相同。在挤出成型前A料和B料以19：1的比例进行混合，但须随混随用，停留时间不能超过3小时，否则将发生先期交联。A料和B料在保存期也应严格密封，保存期不应超过半年。

2．一步法硅烷交联料 1)Monosil一步法硅烷交联料电缆厂可直接购买基料和化学原料生产。材料成本最低，但设备投资高，需要一台长径比为30的螺杆挤塑机，其料斗上方有3—4个计量料斗，分别供聚乙烯、过氧化物、抗氧剂等计量投料用，一套液体硅烷和催化剂注射装置，在料斗颈部注入。

2)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中，这种材料可用普通的挤塑机挤出。由于它接枝和挤出成型一次完成，也属于一步法硅烷交联。 3)还有种采用多孔性PE基料，更容易吸附液态硅烷

3．共聚法硅烷交联料 共聚法交联料是在吸取两步法和一步法的优点基础上开发而成的。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，它是在高压法聚乙烯反应器中，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接枝化合物在结构上基本相同。

由于硅烷共聚物的制造是在聚乙烯反应器中进行的，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人，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)它可以在普通的挤塑机上加工，产生的气体较少，成型加工稳定性好。

4．固相一步法硅烷交联料 生产厂将硅烷通过白碳黑等载体渗吸到PE基料中去，设备和材料成本均很低，该材料的接枝和成型同时完成，但电缆厂要有熟练的控制生产技术，否则绝缘表面容易毛糙甚至形成裂纹。 5．最近市埸上又派生出一种用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。

四．辐照交联材料 由于辐照交联工艺的独特性，它可以对很多聚合物进行辐照加工，除聚乙烯以外，还有聚氯乙烯、乙丙橡胶、乙烯一醋酸乙烯共聚料、聚丙烯、氯磺化聚乙烯料、含氟塑料、自控温材料等，进行辐照以后，它们具有共同的特点是： 1)高的抗张强度； 2)较高的耐磨性； 3)较大的耐应力开裂性； 4)较大的耐压碎性； 5)提高了耐汽油、矿物油和其它溶剂的特性； 6)耐烙铁焊接； 7)减少弹性； 8)在高温下不熔融或不流动。

辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料 下面简单介绍主要的辐照交联材料： 1. 1kV级105℃辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料，1kV级辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料，是由聚乙烯为基料，加入配合剂，经挤出造粒而成，物理性能和电气性优良，挤出加工工艺在130～180℃之间。长期使用温度105℃。

辐照交联聚乙烯电力电缆绝缘料 2．1kV级105℃辐照交联聚乙烯架空绝缘料

3．1kV级90℃辐照交联阻燃乙丙弹性体绝缘料 辐照交联阻燃乙丙弹性体绝缘料，是由乙丙橡胶为基料，加入各种配合剂，经炼胶造粒而成，物理性能和电气性能优良，具有柔软、阻燃、不焦烧性，适用于普通塑料挤出机挤出，可用于矿用电缆，机车车辆电缆、船用电缆、潜油泵电缆及汽车打火线等电缆产品方面。挤出加工工艺温度在130℃右左。

4．90℃辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料 90℃辐照交联氯磺化聚乙烯阻燃护套料，是以氯磺化聚乙烯为基料，配合各种助剂经炼胶造粒而成，物理性能优良，具有阻燃、耐油等特点，适用于普通塑料挤塑机挤出，可用于矿用电缆，机车车辆电缆、船用电缆、潜油泵电缆及汽车打火线电缆等产品。挤出加工工艺温度在90～150℃之间。

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 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C-C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

1 DCP分解成两个游离基

2 活化聚乙烯，游离基转移及生成枯基醇

3聚乙烯分子间的交联

4 枯基醇是不稳定的化合物，在高温下要分解， 有两种机率出现。即：

由于DCP的分解需要高温，在反应中产生H20，CH4及其它生成物，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=K[m][n] 式中[m]－反应时m物质的浓度； [n]－反应时n物质的浓度： K—反应速度常数，与浓度无关。

由上式可知，当物质的浓度一定时，反应速度决定于反应速度常数K。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仑尼乌斯方程表示 InK=-E／Rt+lnA 式中E－反应活化能； R－气体常数； T－温度(K)。

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的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的分解速率与温度有着密切的关系。DCP的分解温度通常用半衰期来衡量，τ表示DCP分解率50％的时间。τ与温度有关，不同温度下DCP的半衰期不同。DCP 1分钟半衰期τ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／τ] 设t=nτ(n＝1，2，3，…)，代人上式，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3—1列出了不同n值时的x值。

表3—1 DCP的分解率 τ的个数 DCP分解率％ 1 2 3 4 5 0.5 0.75 0.87 0.94 0.97 6 7 8 9 10 0.98 0.99 0.990 0.998 0.999

一般取适宜的交联时间t=5τ－10τ，因为在5τ～10τ半衰期内交联剂(如DCP)可分解97～99．9％。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5τ，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，t1和t的交换关系为： 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)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份，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。 N2压力：6kV～l0kV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工艺系统。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和生产工艺中。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，大多应于中压电缆的生产。这种全干式交联工艺可以应用于悬挂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交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上的凸起嵌入绝缘层，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，生产高压、超高压电缆应使用超光滑的半导电材料。

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，无论在立式生产线，还是在悬挂式生产线上都能生产出符合同心度要求的厚绝缘电缆。 绝缘厚的电缆圆度取决于整个交联生产线上的各个工艺过程，即：挤出、交联和冷却，但要求绝对的对称是不可能的，尤其是悬挂式交联生产线。

悬挂式交联线生产厚绝缘不圆度的主原因是绝缘的下垂，绝缘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、材料温度和交联。小截面导体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，提高导体的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分布不均匀和绝缘材料的粘弹性效应(也被称为塑料材料的记效应)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性。由于料路不对称，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度不均匀和材料流动速度不同，停留时间不同，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，可以采取以下措施： (1)在挤出过程中要充分混合，分料器料路要对称，机头温度分布均匀。 (2)高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绝缘杂质的控制 高压电缆对杂质控制要求相当严格，必须采用超净绝缘料,封闭式材料处理系统净化室，和超净料的自动下料装置。在挤出中使用高效过滤网，可以过滤大于30μm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纪录下来，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温度，以消除热应力，采用该装置后，可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，加长预冷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，绝缘压紧导体的作用，并增加了绝缘与导体间产生位移的摩擦力。如果预冷段过短，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进入下一道工序。对于35kV及以下的绝缘线芯只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的线芯送进烘房，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 交联设备与辅助设备概述 一、交联生产线的布置方式 交联生产线的布置方式有卧式、倾斜式、悬链式和立式4种。 第二节 交联设备与辅助设备概述 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、自重和张紧力有关。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，其最大生产规格都是确定的，并且相对整个电缆规格范围是很小的。

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它布置方式都高。

既要解决交联生产中电缆擦管问题，又不使建筑费用增加的最佳选择是采用悬链线式生产线。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，控制电缆置于交联管中心位置附近。此类生产线产品的最高电压等级为110kV～220kV。

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；牵引和收放线装置；辅助系统和控制系统等。图3—1a是悬链式、干式交联机布置图。图3一lb是立塔交联机布置图。

交联生产线交联管道

交联生产线

1．挤塑机和机头 在交联生产线中挤塑机是最为关键的设备。故绝缘挤塑机又称为主机。挤塑机以瑞士Maillefer公司和美国Davis-stardad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℃，其次为住友，NOKIA和TROESTER等公司也颇为著名，温控均可达±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。

挤塑机头

挤塑机和机头用于挤塑成型。按机头结构的不同，挤塑机布置也不同，一般大多数采用1+2双层共挤出型式，导体屏蔽采用Φ60～Φ65mm挤塑机，用单机头，在离该机头3～4m为双层挤出机头，用于挤包绝缘和外半导电层，挤塑机尺寸分别为Φ120～Φ150 mm和Φ90～Φ120mm。

随着交联电缆向高压和超高压方向发展，对交联内外屏蔽和绝缘层之间界面结合要求紧密。从90年代开始，三层共挤发展很快，这种挤出方式是有利于使用导体预热的。 机头的设计最重要的是保证料路畅通，在高挤出量时，也不会产生焦烧；其次，要求模具尺寸小，容易更换，且制造价格低。

机头按工艺可分为1+1，1+2，2+2，3层共挤出四种类型。现分别介绍如下： (1)1+1挤出分别采用单挤头挤出半导电层和绝缘层，外半导电层用包带屏蔽，这种方式已被淘汰，包带屏蔽的产品性能较差。 (2)1+2挤出：内半导电层用单机头，绝缘和外半导电层用双机头挤出；是目前国内外最普遍使用的方式，其缺点为：

1)内半导电层暴露在空气中容易氧化和外面的绝缘层粘合不紧密。 2)内半导电层进人绝缘模座容易擦伤，造成产品质量不好。 3)导体不能预热，生产效率不太高。

(3)2+2挤出。用两个双机头挤出四层，用于制造高压电缆，因为半导电采用交联料，挤出比较困难表面不光滑，故设计了一层发射屏蔽层，包在内半导电层外面，是一种高介电系数材料，另外制造高压电缆时可采用绝缘分层挤出，使内屏蔽和绝缘共挤出再共挤出两层，即绝缘和外半导电层共挤出。

(4)三层共挤出装置：日本住友在1965年开发了三层共挤出装置后其他各国均已使用，其主要优点为： 1)挤出质量好，无导体屏蔽的析出物和氧化物。 2)内屏蔽不易擦伤。 3)导体可以预热，生产效率高

2．交联管 交联管均采用不锈钢管，以西德scholz公司生产的交联管在世界上最为著名，并配置所有系统和附件。目前TROESTER，DAVIS等公司均由Scholz配套，加热管直径一般取200mm，冷却管直径为150mm，每段长度均为6m左右，管长美国取8和6m。Sieverts 5号线(沈阳引进)管子直径为200mm，工作压力为8—12kg／cm2，硫化管是分段弯曲成悬链状，再由法兰连接，唯有美国ROYLE公司采用整体弯曲工艺，加热弯曲后冷到室温，再将法兰拆开，包装运输，这样悬链形状不会改变。

3．储线器 储线器是用于有足够时间换盘和导体接头，储线量要满足至少焊两只接头的时间。储线轮的选择必须使导体不会变成灯笼状。

4．上下牵引装置及悬链传感器 在CCV生产线中有三种牵引装置： (1)皮带牵引轮：用于上下牵引，上牵引要保持恒速运转并带计米装置又称为计米牵引，要承受1—2吨的电缆张力。用皮带张紧将电缆导体包紧在牵引轮上，除NOKIA公司下牵引改用履带牵引外，其他各公司均用于上下牵引中，上牵引轮要有移动装置才能严格保持电缆悬链形状使内半电层不会擦伤。

(2)反力矩牵引马达：在牵引较重的电缆时，很难使电缆保持恒速运转，可以在上牵引轮前加一辅助牵引，一般用履带牵引，ROYLE公司采用反力矩马达装置可以省掉履带牵引。

(3)履带牵引一般均用在辅助牵引中，NOKIA用在下牵引中。 上牵引是保持恒速运转，调节悬链线形状和张力均由下牵引轮承担，下牵引接受悬链传感器发出信号进行调节。

悬链传感器分为机械接触式和非机械接触式两种。采用机械接触式传感器，以控制电缆某一点在交联管中的位置，这种机构稳定，可靠，使用寿命长，不易损坏，但容易使电缆擦伤，目前已很少采用了；非接触式传感器是由西德Sikora公司生产的，目前已得到了广泛应用。

5．导体预热 导体预热可缩短硫化时间，提高生产速度和生产效率，采用导体预热后，根据不同导体截面和绝缘厚度可提高产量20～60％，导体可预热到120℃。目前可采用的有两种不同的预热器型式，在导体300mm2以下的小截面电缆预热器，由两个轮子及导体本身组成了像一个变压器的次级线圈，效率可达60％～70％，基本上是电阻发热原理；另一种预热器采用感应式，频率10—11kHz导体通过高频线圈，用电磁场加热导体，效率达20—30％，导体可直接穿过线圈，用于高压和大截面电缆中。

6．上密封 或称连接盒，以Scholz和Royle生产的最为著名，一 般都采用气压传动，使用时比较安全。 7．下密封 可采用单密封和双密封。采用双密封可以使开车线大大减少，不致使大量电缆报废。一般采用液压传动，使用时比较稳定。

8．扭绞器 在有的引进设备中，下密封后有一个扭绞器，这是可保证厚绝缘电缆中心对得准，电缆圆整性好。也可改进导体质量，经扭绞后导体外层就绞合得更紧了，扭绞器使交联管内的电缆轴向旋转，电缆绝缘的每一个部分均受到同样的重力作用，消除了绝缘下垂(偏芯)。

9．氮气系统 最好采用液态装置，比采用大的压缩机组方便。一般选用KLN－20Y(20立升液态)发生器及QY－150气化器就已足够了，如果当地可租用液氮就更方便了，采用氮气瓶是不方便的。 10．交联电缆的工艺控制软件 控制设备装在主机平台上，由温度和生产线控制柜和计算机组成。在NOKIA计算机生产线控制系统中，AUTOCURE是按交联过程的专利为基础的，这些数学计算均经过试车和实际生产，目前已有20条线在使用，AUTOCURE对生产中可控制系统如果发生什么故障，监控器和报警器提出报告。从这些报告中，工艺工程师可很方便地知道目前电缆的生产情况，并可跟踪整个电缆生产。

11．材料处理 材料的处理和传送系统是交联生产线中主要部分，因材料质量是决定电缆质量的主要因素。 材料的处理系统由下面组成：验收—贮存－干燥－传送

12．电气系统及控制系统 一般CCV生产线均用可控硅控制，我国电网电压不稳定，且经常停电，在非常时间内的重合闸，可控硅就会跳掉，CCV就要重新开车，如供电即时恢复，对生产不致造成很大影响，国外均采用双回路供电网络，生产中可以保证不停电，如果生产中供电质量不可靠应采用柴油发电机自行供电，一般机组用电500～600kVA．如硫化管加热包括在内要800～900kVA。如停电能在半小时内恢复，采用500～600kVA发电机已可以了，否则就要采用较大的容量。 电焊机供电为两相制，是不平衡负荷，一定要接在电网中使用。控制系统的关键是集中控制和报警及开车仃车时能同步调速。

13．电缆外径和偏芯测量仪 随着交联电缆生产技术的迅速发展，测量控制技术也在不断发展。并逐步代替了人工检测方式，从而大大地提高了产品质量，节约了原材料，减轻了劳动强度。电缆直径的测量方法，有电感接触式、光电式、X射线扫描式和电容式等。目前交联机组普遍采用的是X射线扫描测径仪。该系统包含两个射线扫描器(X射线管和接收器)。扫描器的接收装置由半导体构成。

两个扫描器互相垂直并且与交联线伸缩管成45°夹角，以提供运行时的双轴测量。对电缆各层所测得的数据，由计算机软件系统进行处理。显示装置是由带触摸式屏幕的彩色显示器制成的，系统测得的各种数据如：直径、各层厚度、偏芯度等均以图像和数字方式显示在该装置上。

14．绝缘料杂质扫描监测系统 绝缘料杂质扫描监测系统安装在挤塑机的连接管上，在生产过程中实时地监测挤塑机内塑料的纯净度，从而为电缆制造提供一种保证绝缘层高纯净的手段。 该系统包括一个扫描头和一个根据生产线尺寸制作的两侧带有光窗的转接管，用于安装在绝缘挤塑机的连接管上。在挤塑机内熔融并呈透明状态的绝缘料流过连接管时，被扫描光穿透，扫描的结果由一个高速的彩色CCD像机接收。

高速彩色像机能够检出大小为20μm的吸收光线的杂质颗粒；它对杂质颗粒的检测同时由水平和垂直两个方向完成，垂直方向上的检测还考虑了颗粒的流动速度。换言之，杂质颗粒只要长度或宽度中的一个达到20μm就会被系统检出。 15．在线应力消除装置 在线应力消除装置是一种减少电缆绝缘热机械应力的方法。它一般安装在冷却管中部，是将冷却后的电缆再加热到一定的温度，从而消除热机械应力。

NOKIA CDCC中压交联聚乙烯电缆生产线 1．两个放线架其技术规格如下： 型号：KABMATIK AVRl0.10～20ATL 线盘外径：1000～2000mm 最大重量：100kN 2．放线储线器其技术规格如下： 型号：KABMATIK MHEl60／4／120 储线长度：120m。 行程：20或15m

3．计米牵引轮技术规格如下： 型号：NOKIA MPW60 20D 最大工作压力：75Mpa 螺杆最高转速：75r／min 4．绝缘挤塑机技术规格如下： 型号：NOKIA MPWl20 24D 最大工作压力：50Mpa 螺杆最高转速：60r／min 5．绝缘屏蔽挤塑机技术规格如下： 型号：NOKIA MPW80 20D 螺杆最高转速：50r／min

6．NOKIA CDCC交联装置技术规格如下： 管道形式：半悬链 悬链常数：150m 加热段数：6 交联管长36m 交联管直径：200mm 最高工作温度：450℃ 工作压力：0.8—1.2Mpa 辅助系统：氮气加压循环系统。 7．悬垂度控制器技术规格如下： 感应式和控制屏相联，以控制履带牵引。

8．冷却装置技术规格如下： 冷却管长：48m 冷却管直径：150mm 辅助系统：压力水循环系统 9．带式履带牵引技术规格如下： 型号：NOKIA BAl60 电缆最大直径：130mm 牵引力(最大)：16kN 10．辅助皮带式履带牵引技术规格如下： 型号：NOKIA BA800 电缆最大直径：100mm 牵引力(最大)：8kN

11．两个可移动收线架技术规格如下： 型号：KABMATIK TUT 10.10—26L2 线盘直径：1000～2600mm 最大盘重：100kN 12．原材料干燥处理系统 13．挤塑机温度控制屏 14．生产线控制屏技术规格如下： 型号：NOKIA OPV4550 15．计算机控制系统，交联工艺参数计算。 16．导体预热装置 17．交联管和连接和下密封 18．辅助设备(焊机等)

第三节 挤塑机和机头 第三节 挤塑机和机头 一．挤塑机工作原理 第三节 挤塑机和机头 第三节 挤塑机和机头 一．挤塑机工作原理 挤塑机的工作原理是：利用特定形状的螺杆在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化，通过机头和不同形状的模具，使塑料挤压成各种形状的制品。

挤出过程中，塑料将要经过两个阶段：第一阶段是塑化阶段是在机筒内完成的，经过螺杆的旋转，使塑料由固体的颗粒状变为可塑性的熔融体；第二阶段是成型阶段，它是在机头内进行的，经过机头内的模具，使熔融体成型为所需要的各种尺寸及形状的制品。

挤塑机

挤出过程中塑料的流动状态：在挤出过程中，由于螺杆的旋转，推移塑料，在机筒和螺杆之间产生相对运动，物料和机筒之间产生摩擦作用，使物料沿着螺槽方向前进。另外，由于机头模具及滤网的阻力，使塑料在前进中又产生反作用力，这就是物料在螺杆中的流动状态。

二．挤塑机的基本结构 挤塑机由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。 1．挤压系统 挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具5部分。 (1)螺杆：螺杆是挤出机中的重要部件，它是由高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢制成。其作用是将塑料向前推进，产生压力，搅拌，旋转时与塑料产生摩擦热，使塑料熔化，并连续不断地将融体送入机头挤出。它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率。

(2)机筒：是一个金属圆筒，一般用耐热耐压的强度较高的、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。它与螺杆构成了塑料塑化和输送作用的挤压系统的基本结构。机筒的长度一般为其直径的15～30倍，以使物料得到充分加热和塑化充分为原则。机筒应有足够的厚度、刚度、内壁应光滑。在机筒的外面装有电阻或感应加热器、测温装置及冷却系统。

(3)料斗：通常为锥形容器，其容积至少应能容1小时的用料。料斗底部装有切断料流的截断装置，料斗侧面装有视孔，可标定和计量。 (4)机头：机头是挤塑机的成型部件，机头主要有过滤装置(多孔板和筛网)、连接管，分流器，模芯座，模具等组成。

2．传动系统 它的功能是保证螺杆以所需要的力矩和转速匀速地旋转。一般传动系统都包括三个必要的环节：原动力 ——变速器——减速器。要求螺杆转速稳定，不随其负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。但在不同场合下又要求螺杆能变速，以达到一台设备能挤出不同规格制品的要求。为此传动电机一般采用交流整流电机、直流电动机等。

3．加热冷却系统 它的功能是通过机筒的加热或者冷却，以保证塑料始终在其工艺温度范围内挤出。 (1)挤塑机的加热方法 当挤塑机螺杆速度保持恒定时，影响出胶量稳定性的主要因素是挤塑机机身温度。 交联挤塑机加热方法通常有两种：采用载体(如过热水)加热和电阻器加热。采用载体加热的特点是加热均匀，不易产生局部过热现象。但是载热体加热温度对系统的密封要求很高，成本较高，因而用于温控要求较高的挤塑机上。

目前，大多数采用电加热方法，即电阻器加热，它是将电阻丝装于加热棒中，再将此加热棒铸于铝合金中，它具有外形尺寸小，重量轻，装置方便，传热效果好等优点，但温度波动较大。 (2)挤塑机冷却 在挤出过程中经常会产生机筒内塑料温度过高，热量过多的现象，如不及时排出过多的热量，则容易引起物料“先期交联”。 挤塑机一般在两个部位冷却：机筒冷却和机头冷却。

1)机筒冷却。机筒冷却方法有两种，风冷和水冷。从冷却效果来看，空气冷却比较柔和，冷却速度较慢，水冷却速度则较快，但比较激烈，易造成较强的“热振动”。水冷却系统的设计是比较复杂的，它除了具有良好的冷却效果外，还应有良好的密封以防泄漏；使在不需要冷却时，最好能使冷却系统中的水全部逸出，以免因存水产生的水垢使冷却系统堵塞，结构上还应有利于维修。目前的水冷却系统大部多是在机筒外表面车出螺旋形沟槽、然后盘绕冷却管。

在设计风冷系统时，机筒的外面应设有风罩以保证合理的空气流道，为了加速散去机筒热量，加热器的外壁往往铸出散热片。

2)螺杆冷却。冷却螺杆的主要目的是防止塑料过热，此外冷却螺杆的加料段也有利于物料往机头输送。 通入螺杆的冷却介质通常是水，水温可以根据要求保持一定数值，甚至螺杆冷却长度也可以调整，有时全长冷却，有时只冷却一部分，最新设计的挤塑机螺杆温度可以分区调节。

3)料斗冷却。塑料在加料段的温度不能过高，否则会在加料斗口引起料的堵塞，故加料斗座的冷却是必须的。此外，冷却加料斗座还能阻止挤压部分的热量传往止推轴承和减速箱从而保证了它们的正常工作条件

三、挤塑机螺杆参数 螺杆的主要参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽宽度、螺旋角、螺杆与机筒之间的间隙等。见图3—2 图3—2螺杆的基本结构图

1．螺杆直径D：挤塑机的大小规格通常是用它来表示的，直径越大，出胶量就越大，挤出量近似与直径的平方成比例，因此螺杆直径少许增加，将引起挤出量的显著增加。机组的三台挤塑机是按照出胶量要求规定的，一般挤内屏蔽用Φ65，绝缘Φ150 ，外屏蔽Φ90。Φ65，Φ150 ，Φ90，分别表示三台机塑机的螺杆直径。

2．长径比L／D：螺杆工作部分长度L与直径D的比值。在螺杆直径一定时，增大长径比就意味着增加螺杆的长度。长径比越大，有利于物料充分塑化，同时还能产生较大的压力，保证产品更加密实，提高质量。然而长径比太大也不好，对交联料产生过分塑化，引起物料先期交联。用于交联机组的挤出机，长径比一般在20—25倍之间。 3．压缩比：是加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。压缩比的选择，应根据原材料来决定，塑料性质不一样，压缩比也不一样，颗粒大，压缩比小，颗粒小，压缩比大。低密度聚乙烯的压缩比为2～3。

4．螺槽深度H：即螺纹的外半径与根部半径之差。根据压缩的要求，加料段槽深大于熔融段，熔融段又大于均化段。加料段螺槽深度大，有利于提高其输送力；熔融段和均化段螺槽浅，螺杆能对物料产生较高的剪切速率，有利于机筒壁向物料传热和物料的混合和塑化。 5．螺旋升角θ：即螺纹与螺杆横断面的夹角。对于送料段，30°螺旋角最适合于粉料；15°适合于方块料；17°左右适合于球状或柱状料。均化段理论分析得知30 °时挤出流量最高。实际上为加工方便，多取螺旋角为17 °41'。

6．螺距S：即螺纹轴向距离。 7．槽宽w：即垂直于螺棱的螺槽宽度。 8．螺杆与机筒的间隙δ：螺杆与机筒的间隙是挤出机的一个很重要的结构参数，间隙大小，对出胶量影响很大，因为漏流与间隙的三次方成正比。因而，在保证螺杆与机筒不相碰的情况下，间隙应越小越好。通常间隙取0．002D。

四、螺杆的分段及各区段的作用 螺杆的分段是根据物料在挤塑机中的物态变化和螺杆功能划分的。 螺杆工作部分可分为三段：加料段、熔化段(压缩段)和均化段(计量段)。 1．加料段：主要是对塑料进行压实和输送。此段的工作过程是，塑料自料斗进入螺杆后，在旋转的螺杆作用下，通过机筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实。塑料在加料段基本上保持固态。加料段螺杆长度随塑料的种类而不同，挤出结晶聚合物最长；硬性非结晶聚合物次之，软性非结晶聚合物最短。

2．熔化段：又称压缩段，其作用是使塑料进一步压实和塑化，并将塑料中夹带的空气压回到加料口处排出。这一段螺槽应该是压缩型的，其工作过程是当塑料从加料段进入熔化段后，随着塑料的继续向前输送，由于螺槽逐渐变浅，以及滤网，多孔板和机头产生的反压力作用，在塑料中形成了高压，故塑料逐渐被压实。同时，物料受到来自机筒的外部加热和螺杆与机筒的强烈搅拌、混合和剪切等作用，开始熔融，随着推进过程，液相不断增加，而固相不断减少，至熔融区的末端，塑料全部或绝大部分转变为粘流态。熔融段的长度主要和塑料的粘流温度(或熔点)等性能有关，熔化温度范围宽的塑料，可占螺杆的整个长度；熔化温度范围窄压缩段就短。聚乙烯一般为螺杆全长的45％～50％。

3．均化段：也称为匀化段或计量段，塑料进入均化段后，进一步塑化，并使之定压、定量和定温地从螺杆中挤出。均化段约占螺杆全长的20～25％。为避免螺杆头部端面前成料流“死区”，常将螺杆头设计成锥形或半圆形，有些螺杆均化段为一表面平滑的柱体，称鱼雷头，它能节制料流，消除脉动，提高螺杆的塑化能力。

五、机头和模具 机头的作用： 1．使塑料由螺旋运动变为直线运动。 2．产生必要的成型压力，保证制品密实。 3．使塑料进一步塑化均匀。 4．成型。 近年来随着生产技术要求的不断提高，即使生产10KV等级中压电缆也都采用三层共挤出机头，即电缆的内外半导电层和绝缘层，采用三层一次挤出方式，机头要保持规定的恒定温度，对机头的温控较严，一般采用过热水作为载体，也有采用高温油作为载体的，三层共挤用典型机头结构见图。

1．电缆导电芯 2．销和垫 3．PE绝缘 4内半导体 5外半导体 挤出机头示意图

现将机头和模具的组成和调节分别介绍如下： 1．过滤装置 在机头连接处设有分流板和过滤网。其作用是将塑料由螺旋运动变为直线运动；增加料流阻力，使制品更加密实；滤出料流中的杂质；阻止未塑化的塑料进人机头。

分流板有各种形式，目前用于交联挤出机的是平板式分流板，结构简单，制造方便。为使塑料通过分流板后流速相等，常使板上孔眼分布为中间疏，边缘密。孔眼大小和板的厚度随螺杆直径的增加而增加，一般孔眼直径为1．5～3．5mm左右，孔眼总面积约为分流板的30％～45％。分流板到螺杆头部的距离不宜太大，否则易使物料积存，物料容易先期交联，距离太小对制品质量不利。

一般情况下分流板与螺杆头之间的容积应稍小于或等于均化段一个螺槽的容积，其距离为O．1D(D为螺杆直径)。螺杆与机头之间过渡区的流道(又称连接管)形状决定于螺槽头部的形状和尺寸，也决定于机头的型式和尺寸，该流道的截面形状一般为圆柱形或圆锥形，交联线一般用圆柱形。分流板的材料大都用不锈钢2Cr13～3Cr13。

2．分流器 在交联挤出中需要放置过滤网，网的细度为20－120目，层数为1～5层。网的细度和层数可以根据原材料的性能和机头的类型等加以选择。 机头最重要的作用是成型。物料自多孔板挤出，通过连接管进人机头分流器，分流器将物流分成若干股，然后又重新汇合，最后进入模芯模套挤出成型。在挤出成型过程中，物料通道的截面逐渐缩小产生必要的成型压力，使物料压缩。这个压力大小取决于机头的压缩比和成型部分的长度。所谓压缩比是指分流器出口处截面与成型部分口模间环形截面积之比。压缩比太小，不能保证制品密实，也难以消除分流器引起的结合线。

压缩比太大，则导致机头结构大，物料阻力加大，影响物料挤出。一般可根据产品要求来选择，对于生产高压和超高压交联电缆，压缩比大，对于生产中低交联电缆压缩比则可小一些。分流器流道必须成流线形，尽量没有死角，否则塑料就在死角部位滞留，时间一长，物料产生先期交联，而形成焦粒。

3．模具的调整和选择 几何形状的选择原则：要使物料从分流器流向模芯和模套，要尽量保持模芯模套之间所形成的空间逐渐缩小，并要使物料的流动速度加快，且无阻碍，应该是一种流线型的流动状态。 d-模套孔径； dA-模芯内孔径；L-承线长度；h－对模距离 图3—4模芯模套结构

1)模具角度的一般选择方法 图3—4为模芯模套结构图，其中α角是模套内部圆锥体的夹角，β角是模芯外部圆锥体的夹角，α角大于β角。 当物料挤出时：从受力分析中可知：β角小时，则推力大，而压力小，此时挤出速度快，产量高，但制品的表面不光滑，包得不紧密。α角大时，则推力小，而压力大，这时挤出速度慢，产量低，但制品表面光滑，密实。对β角的选择，原则上越小越好，一般为20°～30°左右，α角一般为30°～45°。

2)模套承线长度(定径长度)的一般选择方法 模套的成型部分为L，L的长度又叫承线长度，或叫定径长度，这个区域又叫承线区或定径区。通常用承线比N(定径比)表示，即 N=L/D 式中L－承线长度； d—模套孔径。 当模套孔径不变时，N值大，则L值就长，此时物料受到的阻力大，挤出表面光滑，且紧密，挤出直径尺寸也较稳定。一般取L值长些较好，

但也不能太长，如果太长，会影响挤出量，严重时会造成脱节现象。当N值小，即L值小时，物料挤出受到阻力小，挤包表面不光滑且不紧密，更重要的是，由于L值小，挤包层容易膨胀，挤出后直径不稳定。N值大小，可根据机头结构不同，和产品规格不同而加以选择，一般为0．5～1．0。

(3)模芯和模套孔径选择 模芯孔径尺寸要稍大于导体的外径，如果太小，在挤出过程中容易使导体表面划伤或拉断。如果模芯孔径选择太大，挤出过程中容易产生偏芯，严重时会产生倒料现象。一般模芯孔径比导体外径大O.3－O.7mm。对于超大截面的导体，也可适当放大些。模套孔径选取要大于标称挤出外径，实际的模套直径可以按挤包层的厚度进行选择。

第四节 悬链式交联管 交联管是交联生产线的主要组成部分，最早的交联工艺是：将交联聚乙烯、交联剂(DCP)及抗氧剂，经过挤塑机挤包后，直接进入交联管进行蒸气交联，并在加压的冷却循环水中冷却。这种工艺方法虽然简单，但对聚乙烯绝缘的交联有不少缺点。首先是温度与压力有密切关系，受压力限制，交联温度不易提高，在16～20kg／cm2压力下，温度只有200～220℃，生产效率低。

其次，在高温高压下，蒸气会渗入绝缘，冷却后在绝缘中形成大量微孔。在70年代初，为了生产高压交联电缆，于是RCP红外线加热工艺问世(RCP Heat radiation curing process)。RCP是采用管壁辐射加温，用氮气加压作保护气体，可在氮气或循环水中冷却。干法交联可防止在绝缘中产生大量微孔。用此方法，绝缘中可能产生的微孔数仅为用蒸气交联的百分之一，而微孔大小则由蒸气交联的10～20μm降至干式交联的1～5μm。这种工艺方式目前已被广泛采用。下面着重介绍干式交联工艺生产线。

一．悬链形式的选择 悬链形式有两种：全悬链线形式和半链式形式。如果采用全干式工艺，即在气体中交联和气体中冷却，则应选择全悬链线形式，因为在全干工艺下电缆绝缘芯进入管子的冷却段时，绝缘尚未固化到一定程度，不宜与管壁接触，故以采用全悬链线形式为宜。如果为了提高生产效率，制造35kV及以下电缆时采用半干式工艺，即在水中冷却，则可采用半悬链线形式。即管子的加热段和过渡段采用悬链线形式，而冷却段则采用直线形式，并允许绝缘线芯进入水冷却段后与管壁接触。半悬链式直线部分可以采取上倾和下倾两种方式。上倾直线冷却段的好处是可以降低厂房高度。

二．悬链线的基本参数 悬链线的基本参数有：悬链线常数Y0；悬链线在机头处下倾角αA；A处的悬垂角；机头处的悬链线高度YA。悬链线长度S。见图3—5，悬链线高度和水平距离是两个重要的数据，前者决定厂房的高度，后者是计算悬链线长度的依据。

1．悬链线常数y0：它是决定悬链线形状的参数，y0值大，曲线比较平；y0值小，曲线比较弯曲。y0值用下式计算： y0 =F0 /W 式中F0――作用于电缆的水平张力，最大不得超过下牵引的最大牵引力； W――电缆的单位长度的重量。 实际情况中厂房高度往往是选择y0值的主要因素，y0值越小，要求厂房就越高，y0越大，则电缆受到的拉力也就大。

2．曲线悬垂角αA： αA的正切值为A点曲线的斜率，故由下式可得其计算公式： αA =tg-1shXA /YO 式中 XA ---机头A点的X轴坐标。 αA主要与绝缘厚度(或电压级)有关，电缆绝缘层厚，交联绝缘熔融物自重产生的下垂变形严重，要求有较大的悬垂角。一般设计要求：电缆电压等级35kV，αA >15；110kV αA>20；220kV，αA>25。。此外，αA值还与交联温度，速度等有关。

3．A点曲线高度YA：相对悬链线最低点的高度为 YA= y0 (chXA/YO—1) A点的高度应当满足悬垂角αA的要求，因此应当先由αA计算XA／yo值，再预计YA值。 4．悬垂线长度：对于全悬垂形式，曲线AB间的长度记为SAB。 SAB=SAO+S0B=yoshXA/YO+yoshXB/YO 对于半悬链形式，AC之间的曲线长由下式计算 SAC= y(shXA/YO—shXC/YO)，

三、加热段的设计 加热管一般分为六个加热区，可以根据工艺要求进行分别控制。对于加热管的总的要求是升温要快，一般希望15分钟内管壁能从室温升到400℃，根据经验，每米管长有20kW已够了，低温区一般在10kW也就够了。

加热方式有钢管直接加热和间接加热两种。直接加热利用钢管作为大变压器短接管子，即管壁本身是一个加热电阻，加热电流通过钢管，最大电流密度为1．5A／mm2，按钢管的不同直径和截面可通过近4000～6000A的电流，钢管就是变压器的次级回路最大的次级电压为10V，故变压器的额定功率为40～60kW。一般要求管壁不宜太厚，对壁厚3mm，采用50kVA变压器，电压5～7V，电流3000—7000A，管子高温下压力: 6～12kg／cm2。如果要提高工作压力，需增厚管壁，而电阻减小，变压器容量要增加。

间接式加热是采用加热器加热。这种加热器用于Φ203mm(Φ8in)交联管，16kW／m加热器，温度最高600℃，钢管最高温加热至450℃。每个加热器本身有一风机，停机时，可启动风机，冷空气从加热棒间隙吹过，10分钟内钢管子降到100℃。加热棒也可由加热电缆(MI电缆)代替。加热电缆最高工作温度700℃，200W／m。 每一加热区要有二个热电偶，一个应靠近加热电缆，另一个要尽可能远离加热电缆以测量钢管温度。

四、气体交联一气体冷却系统 在全干生产工艺中，氮气既用于加热区做交联保护媒体，又用于冷却区为冷却媒质。现将其中要点分述如下。同时请参看图3—6。

1．N2经流量计，调节阀门MV一1和MV一2到热交换器而进入系统。当压力给定后，要求稳定不变，因此要用一套N2调节系统。主要办法是利用压力调节PR－1从管路上的压力变送器PT取得压力变化的信号，以调节和控制MV－1阀门开闭大小。当压力系统中的压力降低时，则令MV一1阀门开大些，从而提高系统中的压力，反之亦然。 2．当系统突然发生大量漏气，如下密封漏气等应考虑一个快速充气装置，以补充调压系统的供气不足。这个快充装置由电磁阀门MV－2和压力开关PS－1组成。当压力突然降低，压力调节系统PR－1来不及维持压力，在压力低于一定压力以下时，PS－1动作，接通MV－2由于PS－1复原而关闭。

3．正常开车时，MV—1关闭，MV—II、MV—III打开。N2在高压风机驱动下，经MV—III入冷却段，上升至中点控制器的出口，再经电动阀门MV—II和热交换器回到风机。N2气流以每秒10米速度在此回路中循环。 4．一小部分N2经悬垂控制上流于加热段，使绝缘线芯在高压氮气保护下，进行交联，但在交联过程中，产生的低分子物，应及时排出管外。故在上密封上连接一零点电磁阀MV－3，它受时间继电器控制，定时开放，排出氮气并带出副产品。每次开放的时间以每小时排放1m3N2为准。 5．为在停车时，不使电缆过热而减少废品，可关闭MV－Ⅱ，打开MV－1，使N2经MV－1和热交换器进行循环，以冷却电缆和加热段。

6. 为了停车时使系统排气，应设一手动放气阀VN－2。在N2循环系统外接管路，直径要足够大，以保证N2流速。提高电缆冷却效果。另外，管子虽处于冷却状态，但承受16个大气压，故选用Φ186×4．5mm钢管。 7．为了系统安全起见，在系统适当地方设一两个安全阀VN—l等，在热交换器前后，风机前后应设有温度、流量、流速测量装置，以利控制工艺过程。水温水压等也应进行测量和控制。

五、气体交联一水冷却系统 由于N2导热性差，其冷却效果不高。故气－气干法交联系统的缺点主要是生产效率低。考虑生产35kV及以下电缆时(在此同一系统上)，采用气体交联－水冷却方法。工艺布置见图3—7。系统由三部分组成，一是加热段；二是水冷段；三是加热段与冷却段之间的隔离预冷段。 1．隔离预冷段的方法是使N2经MV－4进入系统。N2从隔离段上端进入，在下端接近水面处排出，并将水面生成的蒸气带出，不让它进入交联区域，一般每小时排放3m3N2即可得出满意结果。

2．经过隔离段后，交联绝缘线芯冷却到100℃以下，并保持水面温度在80℃以下。隔离预热段长度不应短于10m。 3．压力调节器PR－3从压差计PD取得偏离给定压差信号，以调节电动阀门MV－6开闭大小，从而控制进人冷却段的水量，使水位得以补偿。

六．中点控制 绝缘线芯的交联主要在悬链式加热管内进行。绝缘线芯从挤出以后就应严格沿交联管的悬链轨道前进，偏离轨道就会与管壁相碰。如果在加热段擦管，会烧伤绝缘，在冷却段擦管，也会擦伤外半导电层。在CCV中保持电缆线与悬垂线位置的一致十分重要，这就需要悬垂控制。

悬垂线控制方法很多，用得较广的是在CCV管加热段中部，选择一个悬垂变化灵敏地方来控制线芯位置，使其经常处在管子中心上。控制仪器有两类：一是接触式，二是非接触式。接触式原理为一槽轮压在电缆上，电缆位置上下变动使槽轮在0为中心带动轴转动。轴与悬垂控制器的轴相连，产生一个感应电压输出。即电缆线芯位于管子中心的时候，输出电压为0。当电缆电压远离中心时，输出电压就较大。接触式控制现已基本淘汰了。

非接触式悬垂控制图的工作原理如图3～8所示。非接触式悬垂控制器出两个感应线圈及电阻等元件所组成，当交联电缆芯位于交联管中心位置时，桥路平衡，输出是零；当电缆偏离中心位置时，有一输出值。偏离越大，输出电压愈高。

七．CCV生产线的同步控制 上下牵引必须维持电缆速度相等，否则绝缘线芯将被拉断，或擦管。挤塑机出胶量又必须与线速度保持同步，否则电缆芯外径将很不均匀。挤塑机电机、上下牵引电机需保持同步，还要有悬垂控制器的反馈，就整个CCV生产线同步系统，其工作原理如图3～8所示。上下牵引和150挤出机都是由他激直流电动动机拖动，并带有电压调节器的可控硅整流装置。

上下牵引同步后，再将悬垂控制器投人工作。悬垂控制器输出的交流信号经相敏检波成直流信号，再经PLD调节器进行比例微分、积分运算后输入到下牵引的电压调节器II，以加快或减慢下牵引转速，使绝缘线芯保持在硫化管中心。这时线速是恒定。 线速度是由牵引直流电机转速决定的，但网络电源电压、频率的波动，电机负荷的变动以及电缆线芯在硫化管中所受张力及阻力的变化，都会影响牵引电机转数的变化。所以必须控制电机转速。使其给定后保持恒定。

第五节 挤出工艺 一．塑料挤出理论 塑料挤出理论的研究是根据塑料在挤塑机中的明显可分的三个阶段进行的。即有研究加料段的固体输送理论；研究熔融段的熔化理论和研究均化段的熔体输送理论。 这些理论在不同程度上揭示了物料性质、挤塑机结构参数和工艺条件对熔融过程和流体输送的影响。这就为改进挤塑结构设计，制订合理的工艺条件，选择材料提供了理论依据。 1．固体输送理论

图3--9挤出过程示意图

挤出过程，见图3—9。加入螺槽中的固体物料，由旋转螺杆螺纹的推力作用，向前推进，在机头的作用下，物料不断被压实，开始塑化和尚未塑化物料连续整齐排列，形成充塞于整个送料段螺槽的有弹性的“固体塞”。如固体塞和机筒的摩擦力很大，和螺杆的摩擦力小时，物料将不随螺杆旋转，而呈“固体塞”状向前推进。

这如同周向定位螺母，当螺栓转动时，被迫作轴向移动那样，一般情况下，固体塞的实际运动可分解为轴向移动和刚体旋转运动两部分，因此，机筒作用在固体塞上的摩擦力也可以分解为轴向和切向两个分量，在固体输送理论研究中较有代表性的是达涅耳(Darnell)和莫耳(M0L)固体对固体摩擦的静力平衡方程为基础建立起来的固体输送理论。固体塞的流率QS近似计算式：

式中n--螺杆转速(r／min)； Db－机筒内径(mm)； H－机筒与螺杆间间隙(mill)； θb－螺纹倾斜角； φ－方向角，900-θ。 从上式可以看出： (1)Qs与n和H成正比关系，并与螺杆的螺纹直径近似成平方关系。 (2)方向角是研究加料段的固体输送速度率的极其重要的参数。它与螺杆的结构参数，物料压力和物料与螺杆表面及物料与机筒内表面的摩擦力有关。实际φ角的取值范围为0～90°；

a)如果聚合物与螺杆间的摩擦力较大，使它与螺杆粘附在一起，那么固体塞将抱住螺杆一起旋转，由图3～9中看出Vp。等于零，(ψ角也等于零，故此时Qs=0。 b)如果聚合物与螺杆的摩擦力很小而可忽略，固体塞将获得与机筒内表面在沿螺槽方向的分速度相等的速度，这时有最大的输送速度，方向角ψ=90°－Φb。 c)输送速率的理论极限发生在Φ=90°的时候，这时固体塞的切向分速度等于机筒表面的速率，这种情况相当于螺杆转动，固体塞象螺母一样只作轴向移动。

2．熔融理论 熔融理论是建立于热力学，流变学基础的一种理论。固体物料由料斗加入机筒后，沿螺槽向机头移动，在加料段末端与加热机筒接触的物料开始熔化，在机筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下，聚集在推进螺纹的前面，形成熔池。由于机筒和螺杆根部的相对运动，使熔池产生了物料的循环流动。

螺棱后面是固体床，物料沿螺槽向前移动的过程中由于熔融段的螺槽深度逐渐变浅，固体床不断被挤向机筒壁，加速了机筒向固体床的传热过程，同时螺杆的转动床对机筒内壁的熔膜产生剪切作用，从而使熔膜和固体床分界面的物料熔化，固体床的宽度逐渐减小，直到全部消失。从熔化开始固体床宽度下降为零的长度称熔融区长度，显然，熔融区的长度大于熔融段螺槽的长度，固体床就可能堵塞部分或全部螺槽，使挤出料流产生时断时续的波动现象。

影响熔融长度的因素有： (1)物料特性的影响 主要有热性能和流变性能，如比热容、热传导率、熔点、粘度和密度等，比热小、热导率和密度高，熔化温度低的塑料，熔融长度较短。这样的物料可以有较大的生产能力。 (2)流动率的影响 在保持其它变量不变的情况下，增加流动率，必然要延长熔融长度，其结果是挤出物的均匀度和塑化性能变差。

(3)螺杆转速的影响 在保持流动率和机筒温度不变的条件下，增加螺杆转速将大大增加挤出机的熔融速率，因此缩短了熔融区的长度。但是对于大多数没有配置压力控制设备的挤塑机来说，螺杆转速增加，流动率也增加。在这种情况下，由于螺杆转速增加带来的加速熔融的作用会被流动率增加带来产品质量恶化所抵消，通常负作用还要大一些。 (4)机筒温度和物料初温 机筒温度增加有利于加热物料，促进熔融，但由于提高了熔体的平均温度，使熔体粘度降低，从而导致剪切生热作用下降，通常能找到一个相对于最大熔融速率的最佳机筒温度。但物料初温增加对于熔融总是有利的。

4。影响挤塑机生产能力的因素分析 (1)螺杆转速的影响 螺杆转速与挤塑机的生产能力成正比关系，出胶量基本取决于螺杆转速，机头和螺杆的几何尺寸。在一定的转速范围内，出胶量与螺杆转速基本上是成正比关系的，这种关系对生产实践有重大意义，它是现代螺杆挤出机提高生产能力的重要途径之一

2)螺杆几何尺寸的影响 1)螺杆直径对生产能力有很大影响，出胶量与螺杆直径D的平方成正比关系。就是说，D的增加，将导致Q的大幅度提高，它的影响甚至比转速的影响还大。 2)螺槽深度对出胶量的影响：在固体输送段，输送能力和螺槽深度H近似成正比。而在均化段，它们的关系较为复杂，正流流量正比于H的一次方，而倒流和流率却正比于H的三次方，螺槽太深反而不利于出胶量，因此螺杆深度有一个最佳值。此外，螺槽深度的选择还与机头阻力等有关。

3)螺杆均化段长度对生产能力的影响 倒流与漏流与均化长度成反比，故当均化段长度增加时，倒流和漏流减少，总生产能力则增加。这正是现代化螺杆挤出机长径比不断增加的重要原因。 4)螺纹升角θ对生产能力的影响。均化段最大流动率的θ角为30°

5)螺杆与机筒间隙δ的影响 漏流流量正比于间隙的三次方，就是说，δ增加，出胶量会明显降低。对于使用较久的挤出机应特别注意，机筒和螺杆因长期使用磨损，间隙值δ会增加很多，挤出机的出胶量会明显降低，这时就应修复或更换螺杆。 6)机头反压力的影响 倒流和漏流流动率与反压力成正比，因此，反压力会使生产能力降低。但反压力的存在将有利于物料的塑化，提高挤出制品质量，尤其是对于流动性较好的塑料是很必要的。

二．挤出工艺 挤出过程的工艺条件对制品的产量和质量影响很大，特别是塑化情况，更能直接影响制品的物理机械性能和外观，塑化即是熔融，决定这一过程的主要的因素是温度形成的机械剪切作用。 1．温度 在塑料挤出过程中，物态的转变以及决定物料流动的粘度都取决于温度，因此，温度是塑料挤出工艺中最重要的工艺参数。

为使固体物料熔化成熔体，挤出物的最终温度应大于物料的粘流温度(或熔化温度)，其上限温度决定于聚合物的最高稳定温度，交联聚乙烯料是在聚乙烯中混有交联剂，挤出温度应在交联剂的分解温度以下，以防止交联剂的分解。

挤出过程中温度不是孤立的，在流动率不变，螺杆转速不变时，增加挤出温度会使聚合物的挤出压力降低。在低流动率下，温度对压力的影响是很明显的，但影响随流动率的增加而逐渐减少。另外挤出温度增加，螺杆负荷也降低。

挤出物料的热量来自机筒加热器和螺杆旋转剪切的摩擦力，前者在运行初期是很重要的，后者在运行稳定后则是主要的，升高机筒温度很自然地会增加从机筒到聚合物的热传导。较高的机筒温度导致了较高的熔体平均温度，降低了熔体粘度，使粘性耗散产生的热量降低，由于粘度的温度的依赖性使得熔膜的速度分布变形，熔膜将固体床从机筒分开，趋向减少熔融速率。增加通过机筒的传导热量不足补偿上述粘性耗散热量和熔融速率的减少，因此对应于最大熔融速率有一个最佳机筒温度。

在挤出稳定运行以后，螺杆旋转剪切变形的粘性耗散和摩擦热量常常会使物料达到或超过所需温度。此时机内控制系统切断电源，挤出机进入“自热挤出”过程，并应视情况对机筒和螺杆进行冷却。实践经验指出，冷却螺杆还有助于改善挤出质量，但同时降低了挤出流动率。改善质量是由于冷却使螺杆均化段的有效槽深减少，增强了剪切作用。交联聚乙烯的挤出温度见下表3—1。

表3—1交联聚乙烯的挤出温度 温度控制 机 身 机 头 加料段 压缩段 均化段 机头 模套 交联聚乙烯 70～105 110～120 机 身 机 头 加料段 压缩段 均化段 机头 模套 交联聚乙烯 70～105 110～120 115～125 115—125 内屏蔽 60～90 100～110 110—120 外屏蔽 50～70 90～105 110—115 110一120

表3—1中操作温度的比较，只有对同一设备有意义。设备不同，机筒壁厚薄不一样，测温点的深浅不一样，而且测温仅是机筒和机头的温度，与物料实际温度也不一样。 2．螺杆转速 由于调节方便，螺杆转速是挤出过程中的重要操作变量。

由挤出机固体输送段的均化段的流动率分析可知，流动率和螺杆转速成正比，因此，在一般情况下，提高螺杆转速是现代挤出机提高生产能力的重要手段。但对塑料熔融长度分析得知，螺杆转速增加，一方面由于剪切作用增加，使粘性耗散热量增加；

另一方面，在没有机头压力控制的情况下，螺杆转速增加，流动率增加，物料在机内停留时间缩短。而且是后者的影响超过前者，会因熔融长度延长至均化段而破坏正常挤出过程。所以超常范围增加螺杆转速增加生产速度时，还必须增加加热温度或采用控制机头压力才能达到目的。

三．模具及调整 对于一定规格的挤出机都有一个比较适合的生产范围，生产范围的确定主要考虑以下两点： 1)要有合理的产量； 2)使机头具有一定的压力。 模具的尺寸是由制品的尺寸决定的。由于熔体离模后的变化，使得挤出线径并不等于模套的孔径。一方面由于牵引冷却使制品截面收缩，外径减小。另一方面又由于离模后压力降至零，塑料弹性回复而胀大。离模后塑料形状尺寸的变化与物质性质、挤出温度及压力有关。

模具的具体尺寸，可根据生产经验公式确定。 d=d0+e1 式中d-—模芯孔直径； e1——模芯孔放大值； d0——芯线直径。 ， D=d+2δ+e2 式中D－模套孔直径； δ——绝缘厚度； e2——模套孔放大值。

模芯模套的配合型式有三种，即挤压式、挤管式和半挤管式，见图3—11。 图3—11模芯模套的配合形式

挤压式适用于挤出塑料绝缘，交联聚乙烯绝缘大多采用这种方法。其优点是挤包层紧密结实，表面平整；缺点是挤出线芯弯曲性能不好，对配模的准确性要求较高。挤管式适用于塑料护套的挤出，其优点是挤包层的厚度均匀，挤出线缆的弯曲性能好，能节省材料，配模简便，能挤包各种形状的线芯，例如扇形绝缘层；缺点是挤包层不紧密，制品表面有线芯或缆芯绞合的痕迹。半挤管式与挤管式模具大体相同，只是模套的承线稍短，模角也略小一些。半挤管式适合于挤包要求包紧力大的护套，为提高挤管式挤包层对芯线的包紧程度，可采用抽真空或大牵引的生产方法。