高壓電力電纜皺紋鋁護套的擠制

賴建華

(福建南平太陽電纜股份有限公司，福建南平353000)

0 引言

高壓電力電纜鋁護套的生產(chǎn)通常有氬弧焊、壓鋁、擠鋁等幾種方式，氬弧焊及壓鋁不管從工藝上還是設(shè)備上都較為成熟，而擠鋁特別是大截面鋁護套的擠制還處于起步階段。從設(shè)備維護及生產(chǎn)成本上看，氬弧焊最低，壓鋁最高，擠鋁則介于氬弧焊及壓鋁之間。

目前國內(nèi)高壓電纜市場上要求鋁護套整體擠包的越來越多，而擠鋁因其維護及生產(chǎn)成本大大低于壓鋁而逐漸被業(yè)內(nèi)所關(guān)注，特別是大管徑擠出的穩(wěn)定性與電纜表面的冷卻保護成為擠鋁成功與否的標志。我公司從2009年開始與合肥神馬科技股份有限公司合作，由對方設(shè)計制造設(shè)備，我方提供工藝支持共同開發(fā)擠鋁機。本文以YJLW03 64/110 kV 1×1 600mm2高壓電力電纜為例，介紹電纜結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品試驗。

圖1 YJLW03 64/110kV 1×1600mm2電纜結(jié)構(gòu)

1 電纜結(jié)構(gòu)

該電纜導體為5分割結(jié)構(gòu)，采用擠包型鋁護套(見圖1)。

擠包皺紋鋁護套的生產(chǎn)，很重要的一步是確定鋁護套的波峰及波谷尺寸。該電纜結(jié)構(gòu)中半導電阻水緩沖帶采用雙層間隙繞包，其繞包外徑d2=d1+3×t1=89.7+3×2.0=95.7mm。式中，d2為半導電阻水緩沖帶繞包外徑;d1為電纜絕緣外徑;t1為半導電阻水緩沖帶厚度2.0mm。

擠包皺紋鋁護套和半導電阻水緩沖帶采用緊密接觸設(shè)計，則擠包皺紋鋁護套波谷內(nèi)徑d3=d2=95.7mm。

波峰外徑 d4=d3+2×(h+T)=95.7+2×(5.5+2.3)=111.3mm。式中，d3為擠包皺紋鋁護套波谷內(nèi)徑;d4為擠包皺紋鋁護套波峰外徑;h為軋紋深度;T為擠包皺紋鋁護套厚度。

2 擠鋁機的主要部件及參數(shù)

擠鋁機生產(chǎn)線布局見圖2。其中最主要的機頭結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 擠鋁機生產(chǎn)線示意圖

圖3 機頭結(jié)構(gòu)示意圖

該擠鋁機為4根鋁桿同時進桿，上下各2根 9.5～ 12mm的鋁桿。鋁護套的擠制難點在于鋁桿表面雜質(zhì)的清除、擠出前模具調(diào)中、機頭溫度控制、冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。其過程是4根鋁桿經(jīng)放線架進入校直刷毛裝置，接著進入超聲波清洗裝置，出來的光亮鋁桿再經(jīng)過擠壓輪進入機頭模腔(圖3中黑色實體部分)，然后以一定的溫度通過模心(圖3中10)、模套(圖3中9)即可擠出鋁管(圖3中8所示)，鋁管經(jīng)過水槽冷卻后進入軋紋機，軋紋后就可以收盤，氣密性試驗合格后即可進入下一道工序。

2.1 前置冷卻水套頭及后置冷卻水套

為避免擠出過程中纜芯被模芯和高溫鋁套燙傷，設(shè)計了前置冷卻水套裝置及后置冷卻水套。前置冷卻水套裝置由冷卻水套和水套頭組成，水套頭是由特殊材料制成的，通過水套冷卻水套頭，確保電纜不被燙傷(圖3中4所示)。為方便纜芯順利通過，纜芯與水套頭內(nèi)壁有一定的間隙。前置水套頭內(nèi)徑D1=d2+2×σ=95.7+2×0.4=96.5mm。式中，D1為前置水套頭內(nèi)徑;σ為纜芯與前置水套頭內(nèi)壁的間隙。

外徑D2=D1+2×t=96.5+2×0.8=98.1mm。式中，D2為前置水套頭外徑，t為前置水套頭模嘴壁厚。

該后置冷卻水套也是一個由特殊材料制作的噴頭，以一定的角度和壓力將冷卻水噴淋到擠出的鋁管上，快速將鋁護套冷卻到滿足要求的溫度(圖3中7所示)。

2.2 模芯

模芯結(jié)構(gòu)見圖4。

模芯內(nèi)徑 D3=D2+2×σ1=98.1+2×0.5=99.1mm。式中，D3為模芯內(nèi)徑;σ1為水套頭與模芯之間的間隙。模芯外徑D4=D3+2×t1=99.1+2 ×4.0=107.1mm。式中，D4為模芯外徑;t1為模芯嘴壁厚度。

圖4 模芯

2.3 模套

模套結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 模套

模套內(nèi)徑 D5=D4+b=111.3+1.8=113.1mm。式中，D5為模套內(nèi)徑;b為軋紋后鋁管的外徑縮徑值。模套承線要短，之后是小角度β的喇叭形。

3 鋁護套的擠制工藝

3.1 鋁桿表面雜質(zhì)的清除

根據(jù) GB/T 11017.2—2002 6.6.1 條規(guī)定“皺紋鋁套應(yīng)采用純度不小于99.6%的鋁材制造”，我們選用符合GB/T 3954—2008標準要求的電工圓鋁桿，型號 A 4，強度95～115 MPa，伸率不小于11%，20℃時電阻率不大于28.01 nΩ·m。為確保鋁護套擠出過程中沒有破洞，鋁桿不得有雜質(zhì)、夾雜物，外表面不得有油污，所以要求鋁桿表面不能有黃油。

無油鋁桿放線后通過校直機構(gòu)校直，再通過高速旋轉(zhuǎn)的鋼刷去除表面污染物和鋁屑，進入高溫超聲波清洗器，進一步清洗鋁桿表面雜質(zhì)，最后經(jīng)過烘干后進入機頭。鋁桿所經(jīng)過的導輪、校直輪、進料輥確保沒有油污，擠壓輪表面無油污。

3.2 擠出前模具的調(diào)中

該調(diào)中分為模具調(diào)中及機頭的調(diào)中，模具調(diào)中后先將整個機頭放入加熱爐加溫4 h至490℃，然后將機頭吊出來再次調(diào)中模具，鎖緊螺絲，然后加熱2 h，再次調(diào)中可最大限度消除因加熱而形成的間隙。擠出前機頭至少在加熱爐中保溫10 h。

機頭加熱好，吊裝至靴座上后也必須進行調(diào)中。根據(jù)在工作區(qū)和安裝點的位置，主機的各個部件有不同的溫度膨脹要求，因此在到達正常運行溫度時，模腔堵頭與輪槽的相互位置就會發(fā)生變化。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，在模腔、擠壓輪和靴座發(fā)生溫度膨脹前，堵頭就應(yīng)該放在輪槽中間的合適位置。因此機頭在冷態(tài)下就要調(diào)整擠壓輪與小模腔堵頭的間隙，用4根鋁線分別放置4個堵頭位置處，夾緊靴座約1 min，放松后取出鋁線，測量鋁線厚度。通過反復調(diào)整機頭導軌高度可以使4根鋁線厚度均在1.0～1.2mm范圍，并且要求在擠壓輪同一側(cè)的兩根鋁線厚度一致。這樣就能夠保證擠出的溢料均勻和鋁管平穩(wěn)。刮刀與擠壓輪的調(diào)整一般取0.7mm間隙即可。通過這兩方面的調(diào)整，能夠保證擠出的鋁管厚度均勻。

3.3 機頭溫度的控制

因為整個機頭較大，重量達800 kg，所以在生產(chǎn)過程中機頭溫度長期保持在420～450℃之間至關(guān)重要。經(jīng)過多次試驗得知:鋁桿與擠壓輪之間自身的摩擦產(chǎn)生的熱量不足以使機頭維持在420～450℃。后經(jīng)計算，我們在機頭四面加上特制的加熱塊(共約20 kW)，能保證生產(chǎn)過程中機頭溫度在這一范圍，而這也是生產(chǎn)線能夠連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)的保證，也保證了擠出鋁管的圓整性。

3.4 鋁管水套冷卻系統(tǒng)

鋁管水套冷卻系統(tǒng)由兩部分組成:一個是電纜進模時的冷卻保護，即前置冷卻水套頭，通過水套頭將電纜和模芯隔離，確保電纜進入機頭前不與模芯接觸，而水直接冷卻該水套頭，使水套頭溫度穩(wěn)定在90℃以下，保證電纜進機頭前不被燙傷;另一個是鋁管冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一個噴頭，連接在模套上，鋁管擠出后噴頭的冷卻水按一個角度直接噴到鋁管上，將鋁管快速冷卻到40℃以下，水壓達到0.5 MPa，冷卻內(nèi)循環(huán)水箱容量大于3 t，熱交換器面積大于20 m2。前后水套每次投入使用前必須通水試驗，確認接頭處不會漏水后才能正式生產(chǎn)?？煽康睦鋮s系統(tǒng)確保電纜不會被燙傷，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。

3.5 生產(chǎn)過程的停電試驗

在試機過程中，我們設(shè)計了突然停電環(huán)節(jié)，整機停機5 min，之后繼續(xù)啟動生產(chǎn)線，以此檢驗鋁管的擠出質(zhì)量及鋁管冷卻效果。停機處的鋁管從外觀上看有輕微的突起，經(jīng)測量該處外徑比正常大1mm。切斷取出電纜觀察，緩沖帶及電纜表面沒有燙傷，說明冷卻系統(tǒng)可靠;鋁管內(nèi)表面光滑，說明突然停機沒有造成鋁管向內(nèi)凹凸。

4 產(chǎn)品的試驗

為了驗證設(shè)備的工藝性能，我們對所擠出的未軋紋空管和軋紋空管進行了檢測。

4.1 空鋁管擠出時外徑的穩(wěn)定性及厚度

我們共擠了800 m的空管，每隔200 m取一個樣，共3個樣，經(jīng)檢測的結(jié)果如下表1和表2。

表1 空鋁管的外徑 (單位:mm)

表2 空鋁管的厚度 (單位:mm)

從上表1和表2可知，擠出空管的外徑穩(wěn)定性及厚度均滿足要求。

對軋紋空管，經(jīng)取樣測得:軋紋深度5.5mm;軋紋節(jié)距30.0mm;波谷內(nèi)徑95.81mm;波峰外徑111.6mm;最薄點厚度2.08mm。這說明擠出鋁護套結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

4.2 鋁套氣密性試驗

鋁護套經(jīng)充氮氣(0.4±0.01)MPa密封4 h后檢查，氣壓并無明顯下降，保持在(0.4±0.01)MPa不變，說明氣密性良好。

4.3 電纜的熱膨脹試驗

軋紋后取三段30 cm長電纜，放入烘箱，在95℃下連續(xù)烘4 h，取出電纜，解掉繞包的緩沖帶，檢查電纜表面，沒有壓痕，間隙設(shè)計滿足電纜膨脹要求。

4.4 電纜的彎曲試驗

我們對電纜進行15倍電纜外徑的彎曲試驗。取出100 m電纜在電纜盤上按要求繞，然后展直，再反向繞，如此反復做3次，從外觀上檢查鋁護套沒有變形，軋紋處也沒有裂紋。從中截取30 cm樣品，取出電纜后觀察電纜表面，沒有壓痕。

4.5 電纜的局放耐壓試驗

按GB/T 11017—2002要求，對該做過彎曲試驗后的電纜進行局放及耐壓試驗。先將電壓升至2.5 U0，即160 kV耐壓30 min，電纜絕緣沒有擊穿。做局放試驗時，將電壓逐漸升至1.73 U0，保持10 s后降至1.5 U0即96 kV，未檢測出放電(該設(shè)備的靈敏度為0.8 pC)。

5 結(jié)束語

在本次鋁護套擠出過程中，我們主要解決了鋁管擠出偏心、電纜冷卻保護不好和鋁管圓整度較差等問題。擠出產(chǎn)品與同規(guī)格的氬弧焊產(chǎn)品比較，鋁護套的圓整性和厚度的均勻性均無太大區(qū)別，產(chǎn)品也通過了電氣和機械性能各項檢測要求。

另外，本次大規(guī)格電纜的鋁護套連續(xù)生產(chǎn)時間超過了20 h，生產(chǎn)線的擠出和冷卻系統(tǒng)均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，絕緣表面也未出現(xiàn)燙傷的情況，其生產(chǎn)速度也比用氬弧焊生產(chǎn)線快一些。從生產(chǎn)質(zhì)量和效率來看，用擠鋁機完全可滿足生產(chǎn)大規(guī)格電纜鋁護套的生產(chǎn)需要。

［1］楊俊家.高壓XLPE絕緣電力電纜皺紋鋁護套的應(yīng)用［J］.電線電纜，2003(8):44-48.

［2］陳光高.220kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的研制［J］.電線電纜，1997(6):13-16.