紫外光交联电缆工艺装备及其对产品性能的影响论文_顾海东 卢青 王硕,郑金香

摘要：紫外光辐照交联电缆技术是我国自主研发的一项具有自主知识产权、处于国际领先水平的技术创新成果，它的成功研制为我国电缆行业老产品的升级换代提供了新技术，将对我国电缆行业及电力事业的发展起到重要作用。本文分析了紫外光辐照交联的工艺设备及其对电缆绝缘性能的影响。

关键词：紫外光辐照；工艺装备；产品性能；交联程度

紫外光交联是一种全新的交联工艺技术，尤其适用于制造各种薄壁交联聚烯烃绝缘线缆产品，如交联聚烯烃电力电缆主要用于电力输配线路、发电厂、变电站、工矿企业等的动力引入或引出线路；交联聚烯烃控制电缆主要用于电气设备、监控回路和保护线路等。同时，紫外光辐照技术在中高压电缆产品的发展中具有巨大的潜力。

一、紫外光辐照交联的技术原理

紫外光交联是一种全新的交联工艺技术，其原理为：以聚乙烯为主要原料，掺入一定比例的光引发剂、多官能团交联剂、抗氧化剂等稳定剂。在一定条件下，聚乙烯通过光引发剂吸收特定波长的紫外光，从而产生活泼大分子自由基，在大分子自由基与交联剂等化学添加剂发生一系列快速反应后，聚乙烯原有的线性分子结构转变为以化学键连接的三维网状结构。经过此种新工艺的交联聚乙烯绝缘电线电缆具有优良的耐高温性、抗溶剂性，优异的电气性能和明显增强的力学性能等。

二、工艺装备及其对电缆绝缘层性能的影响

在现有挤出生产线的基础上，在产品研制过程中，经过不断的探索与实践，配置了一条比较完善的紫外线光辐照交联绝缘生产线(图1)，一些工艺设备和工艺参数的调整将对电缆绝缘层的性能产生重要影响。

图1 紫外光辐照变联绝缘生产线工艺装备

1、挤出设备。在现有的交联方式中，紫外光辐照交联对挤出设备的要求最低，过程控制最简单。由于挤出机内无光照，绝缘材料在挤出机内不会产生早期交联反应。同时，各种添加剂在聚乙烯塑化温度范围内也十分稳定。在绝缘材料挤出过程中，未发生明显化学变化。因此，绝缘材料在挤出机中的停留时间不会影响材料的性能。一台挤塑机可覆盖很大的产品规格范围。可采用国产直径为90/24mm挤塑机，温控精度为±2℃，适用于2.5～300mm2的所有产品。为了满足扇形导体绝缘挤制生产的需要，采用挤管式模具挤出。

2、辐照设备

1)辐照设备工作原理。辐照设备由两台照射箱组成，每台照射箱配有六套灯管系统，灯管配有特定波长的高压汞灯。为了提高紫外光的利用效率，每个灯管系统都配备了一个反射罩。反射罩为半椭圆柱型，采用专用材料制成，内表面抛光处理。灯管安装在椭圆柱的两个焦点靠近主反射罩的焦点位置，辐照区域在另一焦点位置。反射罩将灯管辐射的能量聚集在辐照区，电缆从辐照区通过，以达到最佳的光照效率。为了提高辐照的均匀性，六组灯管在周向均匀分布，相互间夹角为a=60。

在辐照箱中，辐照区的温度将对电缆绝缘性能产生重要影响。若温度过低，绝缘层不能保持熔融状态，会降低紫外线的穿透效果；若温度过高，绝缘层表面会产生光氧化及热氧化。因此，在辐照箱的设计中增加了温控系统，温控精度达到±10℃，并根据不同的生产速度调整温度设定值，以满足电缆绝缘生产的工艺要求。

2)在安装辐照箱时，应注意以下要点：①在不影响挤塑机机头装卸和模具调整等操作情况下，辐照箱的安装位置应尽可能靠近机头，同时，辐照箱与机头间、两辐照箱间应安装可伸缩的密封套。这样能有效避免电缆绝缘层冷却结晶，使电缆进入辐照箱时绝缘层保持熔融状态；②由于电缆在辐照箱中会有一定的悬垂度，不同规格的电缆悬垂度也不同，辐照箱安装时，辐照箱两端高度应可调。

3)生产速度范围的确定在紫外光辐照交联绝缘层的生产过程中，因辐照区长度固定，生产线牵引速度和辐照时间成反比关系，在同样的交联条件下，牵引速度必然和绝缘交联度存在一定的关系。通过多次试验和对试验数据的分析，用热延伸试验数据表示交联度，得出不同规格电缆牵引速度与绝缘热延伸试验数据的关系曲线(注：热延伸试验条件：空气温度200±3℃，机械应力0.2 MPa，载负时间15min)。图2为绝缘热延伸试验中三种典型规格(截面积2.5；95；240mm2)的牵引速度与负载热伸长率的关系曲线，其值控制在60%～120%为宜，可得到各种规格电缆的工艺速度范围(见表1)。

图2 牵引速度和负载下绝缘的热伸长率的关系

3、牵引设备。由于电缆悬空在辐照箱内，其上下抖动必须控制在一定范围内，超过此范围，电缆绝缘层将与辐照箱构件接触，而辐照箱中的绝缘层仍处于熔融状态，这将对绝缘层造成损伤。可采用两台牵引机，通过上下牵引的差动调节来保持电缆的径向恒定张力；并可调节辐照箱的高度，使电缆通过辐照箱的中心位置，以保证电缆的绝缘层不受损伤，进而保证电缆最佳的辐照效果。

4、导线预热系统和分段冷却系统。在紫外光交联绝缘材料的挤出过程中，骤然冷却会引起绝缘层内应力，从而影响绝缘层的热收缩性能。同时，铜导线的散热速度快，当温度过低的导线与绝缘层接触时，会在绝缘层的内表面迅速形成结晶层，影响紫外光的透射，导致绝缘层内外交联度不一致。为此可采取以下措施：采用中频感应式导线预热，预热温度为110～120℃；冷却系统采用三段分段式冷却，一段温度80±5℃，二段温度60±5℃，三段为冷水冷却。表2为采取措施前后绝缘热收缩试验数据对比表，从表2可知，采用导线预热和分段冷却系统对保证产品质量有很好的效果。

表2 采取措施前后绝缘热收缩性能的比较

5、控制系统。采用PLC系统对牵引速度、挤出机螺杆转速、辐照箱温度、辐照光强、缆芯径向张力、挤出温度等工艺参数进行同步控制，保证了电缆绝缘性能的稳定。

三、结语

总之，紫外辐照交联聚烯烃属于对高分子材料改性的前沿技术领域，具有广阔的应用前景。紫外交联设备采用空气强制对流冷却，交联过程中维持辐照箱内部合理的温度环境是关键技术之一。在辐照箱中，作为紫外光源的高压汞灯可发射适合聚乙烯交联的特定波段紫外光，同时也发射大量红外线及部分可见光。辐射热量能使聚乙烯绝缘层处于熔融状态，利于紫外光深入透射进行交联，增加大分子自由基活性，从而提高反应速率。

参考文献：

[1]阎实.紫外光辐照交联电缆新技术的应用[J].电线电缆，2015(03).

[2]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，2015(04).

论文作者:顾海东 卢青 王硕,郑金香

论文发表刊物:《中国电业》2019年 23期

论文发表时间:2020/4/24

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