絕緣偏心對(duì)電纜性能的影響及改進(jìn)措施

曹點(diǎn)點(diǎn)，趙士銀，蘇本升，李建新，楊麗麗，王中建

（江蘇南瑞銀龍電纜有限公司，江蘇 徐州 221700）

絕緣作用是防止導(dǎo)體中的電流外泄，使導(dǎo)體與外界隔離開(kāi)，絕緣偏心度是電纜絕緣的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，若電纜絕緣層偏心度較大，在交變電壓的作用下，絕緣層的電場(chǎng)分布不均，對(duì)電纜絕緣層造成破壞，影響電纜的安全運(yùn)行。這種現(xiàn)象對(duì)低壓電纜影響不是很大，但對(duì)中壓及以上電纜影響較大。因此，在電線電纜絕緣擠制過(guò)程中，需要對(duì)電纜的絕緣偏心度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

近年來(lái)，用戶對(duì)電纜絕緣偏心度這一指標(biāo)越來(lái)越重視，招標(biāo)技術(shù)規(guī)范要求35 kV 及以下中壓電力電纜[1]、0.6/1 kV低壓電力電纜、1 kV架空絕緣電纜[2]及10 kV架空絕緣電纜[3]的絕緣偏心度均不大于10%。中壓電纜絕緣偏心度在國(guó)標(biāo)中要求為不大于15%，用戶要求在此基礎(chǔ)上減小了30%。低壓電力電纜和架空絕緣電纜在國(guó)標(biāo)中均沒(méi)有此要求。因此，絕緣偏心度要求的提高，為電纜企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)了很大的困難，特別是低壓電力電纜本身絕緣層較薄，制造困難更大。不僅要求現(xiàn)有設(shè)備要滿足需求，更重要的是優(yōu)化工藝。在生產(chǎn)此類產(chǎn)品時(shí)，由于調(diào)偏心難度較大，使廢料增加，生產(chǎn)速度慢，使產(chǎn)品的產(chǎn)量降低，廢品率也相對(duì)增加，有些企業(yè)為了偏心度的合格，將絕緣層加厚，這些都會(huì)造成產(chǎn)品成本大幅提高[4]。為解決這一難題，文中從材料絕緣性能要求、導(dǎo)體、模具、擠塑溫度、速度、冷卻溫度等方面進(jìn)行分析，使電纜的絕緣偏心度能夠滿足電力建設(shè)的要求。

1 絕緣材料

電纜絕緣材料是生產(chǎn)電纜絕緣層的基礎(chǔ)，如果是電纜絕緣料的質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，那么再好的設(shè)備和工藝都無(wú)法生產(chǎn)出合格的電纜絕緣層。因此，電纜的絕緣材料的質(zhì)量至關(guān)重要，但很多企業(yè)并不具備電纜絕緣料性能的檢驗(yàn)?zāi)芰?，?dǎo)致多數(shù)電線電纜企業(yè)的電纜材料檢驗(yàn)僅驗(yàn)證其外觀、型號(hào)、合格證、數(shù)量等，無(wú)法對(duì)具體性能進(jìn)行試驗(yàn)，因此，電纜材料進(jìn)貨檢驗(yàn)不嚴(yán)格也會(huì)使得電纜絕緣層的偏心度不易控制。不同熔體指數(shù)的電纜絕緣料對(duì)偏心度的控制有一定影響，因?yàn)榻^緣料在未交聯(lián)之前是一種線性高分子材料，按其分子量的大小及其分布狀況，在熔融溫度以及在交聯(lián)溫度狀態(tài)下，其粘流狀態(tài)的變形是有差異的[5]，低熔體指數(shù)的電纜絕緣料變形更小，更有利于偏心度的控制。

2 生產(chǎn)工藝控制

2.1 改進(jìn)導(dǎo)體緊壓工藝

導(dǎo)體的外觀質(zhì)量是影響電纜絕緣偏心度的關(guān)鍵因素，如果導(dǎo)體外觀質(zhì)量較差，絕緣擠制工藝再好也難保證偏心質(zhì)量。導(dǎo)體表面不光潔，緊壓不均勻，有蛇形彎，接頭修整不規(guī)范，緊壓系數(shù)小等，都會(huì)造成偏心度過(guò)大，因此，導(dǎo)體的質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格把控。一般電纜導(dǎo)體工藝會(huì)存在2個(gè)方面的問(wèn)題：一方面，導(dǎo)體緊壓系數(shù)較小，不超過(guò)86%，導(dǎo)體表面單線間縫隙大，造成部分電纜絕緣層內(nèi)表面出現(xiàn)紋路痕跡，使得電纜擠制的絕緣層的偏心度很難滿足小于10%的要求；另一方面，未考慮到導(dǎo)體單線間的強(qiáng)度極差問(wèn)題，因?yàn)?，?dāng)個(gè)別導(dǎo)體用的單線強(qiáng)度過(guò)大或過(guò)小，將導(dǎo)致導(dǎo)體出現(xiàn)蛇形彎的現(xiàn)象，使得生產(chǎn)出來(lái)的絕緣層厚度不均，造成電纜偏心度不合格。

針對(duì)電纜導(dǎo)體的外觀質(zhì)量問(wèn)題，可采用納米金剛石復(fù)合涂層模具代替聚晶模具，在保證導(dǎo)體電阻不變的情況下，增大導(dǎo)體單線的直徑，可使導(dǎo)體填充率達(dá)到90%。如圖1 所示。使用納米金剛石復(fù)合涂層模具生產(chǎn)的導(dǎo)體，表面緊壓的非常光潔，填充密實(shí)。納米金剛石復(fù)合涂層模具的使用會(huì)增加模具的成本，但其會(huì)使導(dǎo)體的外觀質(zhì)量更好，其次可減小導(dǎo)體外徑，使得電纜其他材料的用量減小，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。針對(duì)銅單線強(qiáng)度極差的問(wèn)題，應(yīng)采用銅拉絲退火，再用配盤方式，將強(qiáng)度極差不超過(guò)20 MPa的單線用于同一根導(dǎo)體中，以避免因強(qiáng)度不均勻造成導(dǎo)體產(chǎn)生蛇形彎的現(xiàn)象。對(duì)于鋁導(dǎo)體，應(yīng)采用整體熱理，達(dá)到半退火狀態(tài)，消除導(dǎo)體中的不均勻的應(yīng)力，退火的同時(shí)，也優(yōu)化了導(dǎo)體電性能。通過(guò)以上2 種導(dǎo)體工藝的改進(jìn)措施，導(dǎo)體的外觀如圖1 所示，其光潔、圓整、密實(shí)，擠出的絕緣層內(nèi)外表面都較平滑，使得電纜不會(huì)因?qū)w的質(zhì)量原因而造成電纜偏心度的不合格。

圖1 使用納米涂層模具的導(dǎo)體

2.2 導(dǎo)體溫度

導(dǎo)體的溫度也會(huì)影響電纜的絕緣偏心度，當(dāng)導(dǎo)體溫度過(guò)低時(shí)，剛擠出的交聯(lián)聚乙烯絕緣包覆在導(dǎo)體上時(shí)，絕緣會(huì)因?yàn)閷?dǎo)體溫度過(guò)低而快速收縮，產(chǎn)生收縮應(yīng)力。此現(xiàn)象會(huì)不僅會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣層的偏心，而且會(huì)影響絕緣的交聯(lián)過(guò)程，減小絕緣層在導(dǎo)體上的附著力。導(dǎo)體規(guī)格越大，對(duì)絕緣的偏心度影響越大，特別是冬天，氣溫低至0 ℃以下，導(dǎo)體自身溫度相對(duì)絕緣溫度較低，與絕緣的溫差達(dá)到160 ℃以上，與導(dǎo)體接觸處的絕緣料會(huì)先冷卻凝固，使絕緣料不能完全得到交聯(lián)，扭曲變形，影響了絕緣厚度的均勻性?；谝陨显?，應(yīng)在導(dǎo)體放線端與機(jī)頭之間采用預(yù)熱裝置，對(duì)導(dǎo)體采用適當(dāng)預(yù)熱，可使絕緣層與導(dǎo)體貼合充分，同時(shí)緩解絕緣層內(nèi)外溫差引起的應(yīng)力不均，避免溫差引起的絕緣厚度不均。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)的驗(yàn)證，得出導(dǎo)體進(jìn)入機(jī)頭時(shí)的溫度應(yīng)確保在60 ℃以上，這樣不會(huì)因?qū)w溫度過(guò)低，使絕緣層內(nèi)外存在較大的應(yīng)力差，而影響電纜的絕緣偏心度。

2.3 絕緣料塑化控制

電纜國(guó)標(biāo)對(duì)絕緣偏心度要求較寬，甚至對(duì)架空絕緣電纜和低壓電力電纜沒(méi)有規(guī)定偏心度，絕緣料的塑化溫度高一點(diǎn)或低一點(diǎn)，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的指標(biāo)有影響。但當(dāng)招標(biāo)單位對(duì)偏心度有要求時(shí)，就應(yīng)考慮溫度塑化這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)絕緣偏心度的影響。絕緣偏心度對(duì)塑化溫度很敏感，當(dāng)溫度偏高時(shí)，機(jī)頭出料溫度高，且流量大，絕緣層冷卻時(shí)間長(zhǎng)，粘稠狀的塑料受重力作用，使絕緣層底部易出現(xiàn)梨滴現(xiàn)象，使絕緣層下層變厚，上層變薄。當(dāng)溫度偏低時(shí)，機(jī)頭塑料偏稠偏硬，包覆在導(dǎo)體上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)貼合不緊，即松包的現(xiàn)象，在經(jīng)過(guò)水槽的冷卻過(guò)程中，絕緣易變形，造成偏心度變大。因此，在要求偏心度的情況下，應(yīng)嚴(yán)格控制擠塑的溫度，生產(chǎn)前對(duì)擠塑各階段溫度還要進(jìn)行校正，以達(dá)到最佳溫度參數(shù)和塑化效果。在加料段，如果溫度過(guò)高，不但導(dǎo)致絕緣料的早期分解，造成擠出壓力波動(dòng)，并因過(guò)早熔融，導(dǎo)致混合不均，塑化不均，所以應(yīng)采用低溫。壓縮段應(yīng)使絕緣料被壓縮直至熔融，但應(yīng)以不引起接枝反應(yīng)為限，否則會(huì)引起過(guò)早交聯(lián)。塑化段溫度要有幅度較大的提高，因?yàn)榻^緣料的接枝反應(yīng)大部分在此階段完成。機(jī)頭承接已塑化均勻的熔體塑料，起繼續(xù)壓實(shí)絕緣的作用，因此溫度要稍有下降。在模具階段，若溫度過(guò)高，不但造成絕緣表層分解，更會(huì)使產(chǎn)品成型冷卻困難，使產(chǎn)品不利于定型，因此，此階段溫度應(yīng)稍有下降。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，得出擠塑溫度設(shè)定如表1 所示，擠制絕緣效果較好，偏心率較低。

絕緣的擠塑壓力的穩(wěn)定性對(duì)偏心的也有一定的影響，已熔融絕緣的擠制壓力的變化會(huì)使塑化材料的速度發(fā)生突然變化，使絕緣產(chǎn)生一定的偏心，因此，絕緣的擠制壓力和速度都應(yīng)穩(wěn)定控制，以保證電纜在持續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，擠制塑料的形狀不發(fā)生突然的變形。

表1 擠塑溫度 ℃

2.4 擠塑模具

擠塑模分為擠壓式、半擠管式和擠管式3 種型式，3 種模具的結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于模芯前端有無(wú)管狀承徑部分和模套的相對(duì)位置的不同。

擠壓式模具的模芯沒(méi)有管狀承徑部分，模芯縮在模套承徑后面。熔融的塑料是靠壓力通過(guò)模套實(shí)現(xiàn)定型的。擠出塑料層緊密結(jié)實(shí)，外表平滑，但出膠量較小，擠出速度慢，但若在生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)體發(fā)生抖動(dòng)容易造成一定程度的偏心。由于模芯縮在里面，不容易調(diào)偏心，選配模芯孔徑要求高。

擠管式模具有管狀承徑部分，模芯口端面伸出模套口端面或與模套口端面持平。擠管式擠出時(shí)由于模芯管狀承徑部分的存在，使塑料不是直接擠在線芯上，而是沿著管狀承徑部分向前移動(dòng)，先形成管狀，然后經(jīng)拉伸再包覆在線芯上。與擠壓式相比，擠管式有以下優(yōu)點(diǎn)：

充分利用了塑料可拉伸性的特性，提高了出膠量和線速度；

容易調(diào)整偏心，厚度均勻，即使導(dǎo)線發(fā)生輕微抖動(dòng)也不會(huì)對(duì)絕緣的偏心度造成影響；

拉伸取向，提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐龜裂性；

配模簡(jiǎn)便，模具通用性強(qiáng)，能擠扇形、瓦形等多種規(guī)格。

但擠管式也有其缺點(diǎn)，與擠壓式模具相比，擠管式模具生產(chǎn)的XLPE 絕緣電纜在生產(chǎn)中的牽引拉伸變形更大，PE分子的取向結(jié)晶更明顯，容易產(chǎn)生應(yīng)力，冷卻后，絕緣容易收縮，對(duì)偏心度產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)擠管式擠出的絕緣層緊密性也較差。

半擠管式模具是擠管式與擠壓式的中間型式，其剖面如圖2所示。用于大規(guī)格的絞線絕緣擠包時(shí)，與擠壓式相比，提高了出膠量和線速度；與擠管式相比，絕緣層則可以更密實(shí)。但半擠管式模具應(yīng)合理配模，其依據(jù)主要擠出塑料的拉伸比，所謂拉伸比就是塑料在模口處的圓環(huán)面積與包覆于導(dǎo)體上的圓環(huán)面積之比[6]。

式中：D1為模套孔徑，mm；D2為模芯出口處外徑，mm；d1為擠包后制品外徑，mm；d2為擠包前制品外徑，mm。

圖2 半擠管式模具剖面

不同塑料的拉伸比K值也不一樣，聚氯乙烯K=1.2～1.8，聚乙烯K=1.3～2.0。

基于以上分析研究，為減小電纜絕緣的偏心度，導(dǎo)體擠塑模具應(yīng)盡量使用半擠管式，并應(yīng)合理配拉伸比。

2.5 絕緣冷卻

電纜絕緣擠出后，熔融的絕緣層會(huì)在重力作用下，產(chǎn)生梨滴現(xiàn)象，造成線芯上面絕緣變薄，下面絕緣變厚，導(dǎo)致電纜的偏心度增加，因此，擠出絕緣應(yīng)及時(shí)得到冷卻，一般采用水冷的方式。對(duì)不同材料的絕緣層冷卻速度也不同。PVC（聚氯乙烯）絕緣料為非結(jié)晶材料，不會(huì)因冷卻速度造成太大影響，可以采用快速冷卻。而以PE（聚乙烯）為基料的絕緣料是結(jié)晶型材料，溫度變化為梯狀改變，冷卻溫度設(shè)置也應(yīng)遵循這梯狀規(guī)律，冷卻速度是影響絕緣料結(jié)晶的關(guān)鍵。在快速的冷方式下，電纜絕緣層會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，易使絕緣變形，甚至還會(huì)出現(xiàn)絕緣開(kāi)裂[7]。如果使絕緣熔體的冷卻速度放慢，則使絕緣層獲得充分冷卻，絕緣分子的松弛過(guò)程延長(zhǎng)，可輕易解取向，取向程度下降，并可控制PE晶核的產(chǎn)生和延緩晶粒的長(zhǎng)大，避免因冷卻造成絕緣變形。因此，在生產(chǎn)中注重控制PE電纜擠出過(guò)程中冷卻速度，可有效降低電纜絕緣的偏心度。生產(chǎn)中一般采用逐步降溫的溫水冷卻方法來(lái)進(jìn)行降溫，冷卻水槽分段分節(jié)，直至室溫，對(duì)降低聚乙烯絕緣的偏心度具有良好效果。經(jīng)多次試驗(yàn)后，水槽冷卻溫度的控制如表2所示。

表2 冷卻溫度 ℃

2.6 絕緣偏心度測(cè)量結(jié)果

針對(duì)影響絕緣偏心度的主要因素，通過(guò)采取以上措施后，取正生產(chǎn)的YJV22-8.7/10 3×150 mm2電纜的擠絕緣樣品100 m，在相同間隔距離上取5個(gè)樣品進(jìn)行絕緣偏心度測(cè)量，得出數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 樣品偏心度 %

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，偏心度平均值：8.0%，最小值為7.3%，最大值8.7%，所有值均滿足技術(shù)要求規(guī)定的不大于10%的要求，其中絕緣偏心度最小的電纜樣品如圖3所示。

圖3 電纜絕緣樣品

3 結(jié)束語(yǔ)

基于以上分析研究，為了確保電纜絕緣偏心度的指標(biāo)合格，針對(duì)分析的影響因素，企業(yè)在原材料和生產(chǎn)工藝上應(yīng)采取如下措施：

產(chǎn)品的絕緣料質(zhì)量是生產(chǎn)合格絕緣層的根本，必須進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)；

導(dǎo)體應(yīng)盡量采用金剛石納米涂層模具；

在擠塑前應(yīng)對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行加熱；

各階段擠塑溫度應(yīng)合理設(shè)置，不宜過(guò)高或過(guò)低；

模具應(yīng)盡量采用半擠管式，并應(yīng)合理配擠塑拉伸比；

擠塑壓力應(yīng)穩(wěn)定；

冷卻方式應(yīng)采用分段式冷卻。