淺談交聯(lián)聚乙烯的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

淺談交聯(lián)聚乙烯的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用姓名：劉暢專業(yè)班號：電氣06學(xué)號：2010041170指導(dǎo)教師：金海云摘要：眾所周知，交聯(lián)聚乙烯是電氣行業(yè)常用的一種絕緣材料。其結(jié)構(gòu)輕便，耐電強(qiáng)度高，耐熱性能好，環(huán)保優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)使它被廣泛應(yīng)用于電氣絕緣設(shè)備的高壓絕緣部分，是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。本文就其結(jié)構(gòu)組成和特性進(jìn)行簡要介紹，并列舉其在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：乙烯，聚乙烯，交聯(lián)聚乙烯，聚合，交聯(lián)，電氣性能，耐電強(qiáng)度，電纜，電力系統(tǒng)；正文：交聯(lián)聚乙烯，正如其名，是由乙烯單體分子經(jīng)過聚合和交聯(lián)后形成的高聚物，其結(jié)構(gòu)受溫度，壓力等反應(yīng)條件所影響。其聚合單體一一乙烯，是一種非極性小分子有機(jī)化合物，常溫常壓下呈氣態(tài)，化學(xué)式ch2=ch2，由兩個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子組成，兩個(gè)碳原子之間以雙鍵連接。在工業(yè)上，乙烯是合成纖維、合成橡膠、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、環(huán)氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸藥等；在農(nóng)業(yè)上，乙烯可用作水果和蔬菜的催熟劑，是一種已證實(shí)的植物激素。在實(shí)驗(yàn)室中制取乙烯時(shí)，一般是是把酒精和濃硫酸按1：3混合迅速加熱到170°C，使酒精分解制得。濃硫酸在反應(yīng)過程里起催化劑和脫水劑的作用。方程式為：CH3CH2OH濃H2SO4,170CCH2=CH2+H2O;工業(yè)上所用的乙烯，主要是從石油煉制工廠和石油化工廠所生產(chǎn)的氣體里分離出來的。在一定條件下，乙烯分子中不飽和的C=C雙鍵中的一個(gè)鍵會(huì)斷裂，分子里的碳原子能互相形成很長的鍵且相對分子質(zhì)量很大（幾萬到幾十萬）的化合物，叫做聚乙烯，它是高分子化合物，反應(yīng)方程式為：區(qū)禹二叫一定條件-（叫-叫八-。聚乙烯是一種優(yōu)良的介電材料，無臭，無毒，手感似蠟，具有優(yōu)良的耐低溫性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕。常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，電絕緣性能優(yōu)良。聚乙烯是結(jié)品熱塑性樹脂。它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、聚合度和其他性能很大程度上均依賴于使用的聚合方法。聚合方法決定了支鏈的類型和支鏈度。結(jié)品度取決件分子鏈的規(guī)整程度與其所經(jīng)歷的熱歷史。聚乙烯依聚合方法、分子量高低、鏈結(jié)構(gòu)之不同，分高密度聚乙烯、低密度聚乙烯及線性低密度聚乙烯。低密度聚乙烯（LowDensityPolyethylene，LDPE）俗稱高壓聚乙烯，因密度較低，材質(zhì)最軟，主要用在塑膠袋、農(nóng)業(yè)用膜等。高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）俗稱低壓聚乙烯，與LDPE及LLDPE相較，有較高之耐溫、耐油性、耐蒸汽滲透性及抗環(huán)境應(yīng)力開裂性，此外電絕緣性和抗沖擊性及耐寒性能很好，主要應(yīng)用于吹塑、注塑等領(lǐng)域。線型低密度聚乙烯（LinearLowDensityPolyethylene，LLDPE），則是乙烯與少量高級a■烯烴在催化劑存在下聚合而成之共聚物。LLDPE外觀與LDPE相似，透明性較差些，惟表面光澤好，具有低溫韌性、高模量、抗彎曲和耐應(yīng)力開裂性，低溫下抗沖擊強(qiáng)度較佳等優(yōu)點(diǎn)。聚乙烯擁有良好的介電性能，抗腐蝕性和耐低溫性能，但力學(xué)性能一般：抗拉伸強(qiáng)度較低，抗蠕變性不好，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性不好，其主要受密度、結(jié)晶度和相對分子質(zhì)量的影響，隨著這幾項(xiàng)指標(biāo)的提高，其力學(xué)性能增大；熱學(xué)性能不好：耐熱性不高，隨相對分子質(zhì)量和結(jié)品度的提高有所改善。鑒于其結(jié)構(gòu)上的特征，聚乙烯往往不能承受較高的溫度，機(jī)械強(qiáng)度不足，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。為提高聚乙烯的性能，研究了許多改性方法，對聚乙烯進(jìn)行交聯(lián)，通過聚乙烯分子間的的共價(jià)鍵形成一個(gè)網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)，迅速改善了聚乙烯樹脂的性能，如：熱形變性、耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐應(yīng)力開裂等一系列物理、化學(xué)性能。交聯(lián)是指用物理或化學(xué)方法，將線性結(jié)構(gòu)的分子變成體型結(jié)構(gòu)的分子，常用的方法主要有三種：過氧化物交聯(lián)、硅氧烷交聯(lián)和輻照交聯(lián)。過氧化物交聯(lián)：采用加入過氧化合物交聯(lián)劑的聚乙烯絕緣材料，通過三層共擠完成導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層的擠出后，連續(xù)均勻地通過充滿高溫、高壓氮?dú)獾拿芊饨宦?lián)管完成交聯(lián)過程。傳熱媒體為氮?dú)猓ǘ栊詺怏w），交聯(lián)聚乙烯電氣性能優(yōu)良、生產(chǎn)范圍可達(dá)500KV級。硅氧烷交聯(lián)：采用加入硅烷交聯(lián)劑的聚乙烯絕緣材料，通過1+2的擠出方式完成異體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層的擠出后，將已冷卻裝盤的絕緣線芯浸入85-95^熱水中進(jìn)行水解交聯(lián)，由于濕法交聯(lián)會(huì)影響絕緣層中的含水量。一般最高電壓等級僅達(dá)10KV。輻照交聯(lián)：采用經(jīng)過改性的聚乙烯絕緣料，通過1+2的擠出方式完成異體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層的擠出后，將冷卻后的絕緣線芯，均勻通過高能電子加速器的輻照掃描窗口完成交聯(lián)過程。輻照交聯(lián)電纜料中不加入交聯(lián)劑，在交聯(lián)時(shí)是由高能電子加速器產(chǎn)生的高能電子束有效穿透絕緣層，通過能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)的，因?yàn)殡娮訋в泻芨叩哪芰?，而且均勻地穿過絕緣層，所以形成的交聯(lián)鍵結(jié)合能量高，穩(wěn)定性好。表現(xiàn)出的物理性能和耐熱性能優(yōu)于化學(xué)交聯(lián)電纜。但由于受加速器能量級的限制（一般不超過3.0Mev），電子束有效穿透厚度為10mm以下，考慮幾何因數(shù)，生產(chǎn)電纜的電壓等級僅能達(dá)到10KV，優(yōu)勢在6KV以下。交聯(lián)聚乙烯管目前在發(fā)達(dá)國家已獲得廣泛應(yīng)用，與其他的塑料管相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、 不含增塑劑，不會(huì)霉變和滋生細(xì)菌2、 不含有害成分，可應(yīng)用于飲用水傳輸3、 耐熱性好，常規(guī)工作溫度可達(dá)95°C，能夠經(jīng)受110°C環(huán)境下8000小時(shí)的測試4、 耐壓性能好，有常溫下工作壓力12.5bar和20bar兩個(gè)等級5、 耐腐蝕性能好，能經(jīng)受大多數(shù)化學(xué)藥品的腐蝕6、 隔熱效果好，節(jié)約能源7、 能夠任意彎曲，不會(huì)脆裂8、 在同等條件下，水流量比金屬管大9、 抗蠕變強(qiáng)度高，可配金屬管，可省去連接管件，降低安裝成本，加快安裝周期，便于維修交聯(lián)聚乙烯管的重要特性在于其強(qiáng)度和耐溫性能，特別是其蠕變強(qiáng)度，其強(qiáng)度隨使用時(shí)間的變化不顯著，壽命可達(dá)50年之久。故交聯(lián)聚乙烯以其優(yōu)越的性能在各大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在電力行業(yè)中，交聯(lián)聚乙烯常被用來制成高壓輸電電纜的絕緣層。與其他類型的輸電電纜相比，交聯(lián)聚乙烯電纜具有更顯著的優(yōu)點(diǎn)：（1） 具有優(yōu)異的機(jī)械物理性能，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能好，有優(yōu)良的耐磨性，比PVC和PE更能承受集中的機(jī)械應(yīng)力。（2） 耐各種化學(xué)溶劑，在周圍各種腐蝕性媒質(zhì)中比較穩(wěn)定。（3） 交聯(lián)聚乙烯絕緣電線的外徑比同種規(guī)格截面的全聚氯乙烯絕緣電線外徑小，在穿管施工中可以減小使用管徑，或在同一管徑條件下穿更多電線，降低建筑安裝成本。（4） 交聯(lián)聚乙烯絕緣電線產(chǎn)品比聚氯乙烯絕緣電線產(chǎn)品的重量要輕許多，更便于安裝運(yùn)輸，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低運(yùn)輸費(fèi)用。（5） 交聯(lián)聚乙烯絕緣電線長期工作時(shí)最高額定溫度可達(dá)90°C，短路時(shí)（最長持續(xù)時(shí)間不超過5S）電線導(dǎo)體的最高溫度可達(dá)250C，載流量大于聚氯乙烯絕緣電線。（6） 燃燒時(shí)不釋放腐蝕性氣體及有毒氣體，不會(huì)產(chǎn)生二次危害，符合現(xiàn)代消防安全要求是一種新型的環(huán)保產(chǎn)品。（7） 良好的電氣性能，絕緣電阻與PVC電線（纜）相比要高得多，且介質(zhì)損耗角正切值tand很小，基本不隨溫度的變化而變化。故交聯(lián)聚乙烯電纜廣泛應(yīng)用于工頻交流500kV及以下的輸配電線路中，以降低成本和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與油浸紙統(tǒng)包電纜的區(qū)別除了相間主絕緣是交聯(lián)聚乙烯塑料以及線芯形狀是圓形之外，還有兩層半導(dǎo)體膠涂層。在芯線的外表面涂有第一層半導(dǎo)體膠，它可以克服電暈及游離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過渡。在相間絕緣外表面涂有第二層半導(dǎo)體膠，同時(shí)擠包了一層0.1mm厚的薄銅帶，它們組成了良好的相間屏蔽層，它保護(hù)著電纜，使之幾乎不能發(fā)生相間故障，如下圖示：的主妥■姓屏藤可護(hù)等的主妥■姓屏藤可護(hù)等外護(hù)堂外護(hù)堂盡管交聯(lián)聚乙烯電纜有著諸多優(yōu)良特性，但在實(shí)際使用中仍然不乏有事故的發(fā)生。根據(jù)國內(nèi)外報(bào)導(dǎo)，交聯(lián)聚乙烯電纜發(fā)生事故的原因主要有以下五點(diǎn)：水樹枝劣化它是交聯(lián)聚乙烯電纜事故的主要原因，約占事故的71%,多發(fā)生于自然劣化。所謂“樹枝”不過是一個(gè)形象名詞，它指團(tuán)體介質(zhì)擊穿破壞前，固體介質(zhì)中產(chǎn)生的樹枝狀裂痕和放電痕跡。樹枝的產(chǎn)生引起絕緣進(jìn)一步的惡劣化，不久將導(dǎo)致全部擊穿。所以樹枝現(xiàn)象也是預(yù)擊穿現(xiàn)象。按樹枝化形成的原因，樹枝可分為電樹枝、水樹枝和電化樹枝（也可歸為水樹枝的特例）。水樹枝，它是水浸入絕緣層，在電場作用下形成的樹枝狀物。它的特點(diǎn)是引發(fā)樹枝的空隙含有水分，它在比發(fā)生電樹枝低得多的場強(qiáng)下即可發(fā)生。樹枝有的大多不連續(xù)，內(nèi)凝有水分，主十樹枝較粗，分枝多且密密麻麻。水樹枝一般是從內(nèi)半導(dǎo)電層、屏蔽層與絕緣層界面上引發(fā)出來。若絕緣體內(nèi)存有氣隙或雜質(zhì)，則會(huì)在電場方向產(chǎn)生并加劇蝶形領(lǐng)結(jié)狀水樹枝。這些水樹枝不僅受電纜結(jié)構(gòu)的影響，而且還受半導(dǎo)作層性能和形狀、含水率、電壓等級、電纜芯溫度以及浸水條件等因素的影響。水樹枝延伸最主要的條件是高溫和浸水，這時(shí)水樹枝的長度可以達(dá)到絕緣厚度的一半以上。并且水樹枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)，有的水樹枝受熱、干燥、抽真空后會(huì)消失形態(tài)，浸入熱水中又會(huì)重現(xiàn)。水樹枝不會(huì)直接導(dǎo)致?lián)舸?，但?huì)使絕緣強(qiáng)度降低，促進(jìn)老化作用，縮短壽命。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水樹枝劣化特征如下：僅發(fā)生在6kV高壓以上的交聯(lián)聚乙烯電纜中。從投運(yùn)到破壞的時(shí)間需要數(shù)年至十幾年，大多數(shù)在10年以上。貫通絕緣體的水樹枝狀劣化，大部分能維持正常工作電壓以上的電壓值，只有在發(fā)生脈沖電壓等異常電壓時(shí)才產(chǎn)生破壞。環(huán)境溫度高時(shí)，劣化進(jìn)程加快。電纜構(gòu)造對故障有很大關(guān)系，對用棉帶做基布的半導(dǎo)體層的電纜要特別注意。全屏蔽的3.3kV交聯(lián)聚乙烯電纜，由于接地有可能發(fā)展為相間短路。屏蔽銅帶斷裂在屏蔽銅帶一端接地的電纜中，當(dāng)屏蔽銅帶斷裂時(shí)，非接地一端的銅帶成為非接地狀態(tài)，該銅帶上將感應(yīng)出高電壓，其值為 Ug=C1/(C1+C2)U式中C1-電纜芯與非接地一端銅帶間的電容；C2-非接地一端銅帶對地電容。這個(gè)高電壓若導(dǎo)致斷裂部位發(fā)生放電，往往引起絕緣破壞。屏蔽銅帶斷裂的特征是：單芯電纜比三芯電纜的事故多。從投運(yùn)到破壞的時(shí)間，從數(shù)周到數(shù)年不等。斷裂部位的導(dǎo)體電阻增大到數(shù)千歐，不能保護(hù)非接地側(cè)電纜的對地閃絡(luò)。斷裂部位放電時(shí)冒火、冒煙，嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)。銅屏蔽接地故障交聯(lián)聚乙烯電纜銅屏蔽接地故障已逐漸引起現(xiàn)場的重視。例如某地區(qū)的交聯(lián)聚乙烯電纜多半采取直埋方式，為此將終端頭的銅屏蔽地線和鋼銷地線分別引出，接地線截面分別不小于25mm2和10mm2,從熱縮手套下引出時(shí)應(yīng)互相絕緣，通過以上兩項(xiàng)改進(jìn)，就有條件在終端頭處定期測量鋼銷對地和鋼槍對銅屏蔽的絕緣電阻，可間接反映電纜內(nèi)、外護(hù)套有無損傷，從而可以判斷電纜是否受潮。電纜護(hù)層故障高壓單芯交聯(lián)聚乙烯電纜能否安全可靠地運(yùn)行，與其護(hù)層能否安全可靠運(yùn)行關(guān)系密切。電纜護(hù)層采用一端接地方式時(shí)，要求該電纜的護(hù)層必須絕緣良好。當(dāng)電纜護(hù)層發(fā)生接地時(shí)，運(yùn)行中電纜護(hù)層將受到交變磁場的作用，在鋁波紋護(hù)層上將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使在接接地端和電纜護(hù)層的絕緣不良處產(chǎn)生“環(huán)流”?！碍h(huán)流”使鋁波紋層發(fā)熱，并使輸送容量降低30%?40%；而且嚴(yán)重的可將金屬護(hù)層燒穿。護(hù)層燒穿后將使電纜的主絕緣裸露在外，與地下(或空氣中)的水分或潮氣相接觸，使絕緣層遭受破壞，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。線芯屏蔽層厚薄不均勻電力電纜線芯在緊壓過程中容易產(chǎn)生尖銳毛刺。隨著運(yùn)行電壓升高，導(dǎo)體表面電場增大，毛刺尖端電場嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致引發(fā)主絕緣樹枝狀放電。因此，3kV及以上的交聯(lián)聚乙烯電力電纜均要求設(shè)計(jì)由半導(dǎo)電材料構(gòu)成的線芯屏蔽層和絕緣屏蔽層。半導(dǎo)電線芯屏蔽層的主要作用是：均勻線芯表面電場、防止氣隙、提高電纜局部放電電壓、屏蔽線芯毛刺、抑制樹枝引發(fā)和樹技狀放電，還起熱屏障作用。因此它直接影響電纜的安全運(yùn)行和壽命。事實(shí)表明，目前電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行并不完善，諸多問題亟待解決，絕緣材料只是其中的很小一部分，而系統(tǒng)電壓等級主要受到絕緣材料電氣性能的影響。因此，大力研發(fā)高耐電強(qiáng)度的絕緣材料對于發(fā)展超高壓和特高壓輸電技術(shù)有著決定性的影響，本