影響兩步法硅烷交聯(lián)低壓架空電纜絕緣熱收縮性能的工藝研究

王中建， 曹點點， 趙士銀， 楊麗麗

（江蘇南瑞銀龍電纜有限公司，江蘇 徐州221700）

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜正常運行溫度可達(dá)90℃，持續(xù)5 s短路運行溫度可達(dá)250℃，因其具有優(yōu)越的電性能，在國家電網(wǎng)電力系統(tǒng)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。但在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)電纜絕緣熱收縮性能不合格的現(xiàn)象，給企業(yè)帶來一定程度的財產(chǎn)損失。熱收縮率是低壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜和架空電纜的一項重要質(zhì)量指標(biāo)，如果熱收縮性能不合格的電纜在輸電線路中使用，在電纜長期運行過程中，則會出現(xiàn)由于熱收縮過大，導(dǎo)致發(fā)生電纜端頭導(dǎo)體暴露，帶來漏電的安全隱患，發(fā)生觸電安全事故?；谝陨显?，企業(yè)應(yīng)解決該類電纜的熱收縮性能不合格的問題，控制產(chǎn)品質(zhì)量。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 12706—2020［1］中規(guī)定的低壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜和GB／T 12527—2008［2］中規(guī)定架空電纜要求絕緣熱收縮率不高于4%，其試驗方法應(yīng)依據(jù)GB／T 2951.13—2008［3］。

本工作對SJ?120擠塑機(jī)生產(chǎn)的JKLYJ?1 kV－1×185 mm2架空電纜絕緣進(jìn)行試驗驗證，作跟蹤分析。研究電纜絕緣材料的控制以及導(dǎo)體溫度、擠塑溫度、擠塑模具和冷卻等因素對絕緣熱收縮性能的影響，取得了有效減小絕緣熱收縮率的方法。

1 熱收縮原理

聚乙烯是一種結(jié)晶型聚合物，當(dāng)聚乙烯的溫度處于熔融溫度和玻璃化溫度之間時，聚乙烯分子則通過分子間的很強(qiáng)作用力重新排列，從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，這就是結(jié)晶過程。在電纜絕緣擠出時，流態(tài)的聚乙烯分子受到縱向的拉伸作用，使得聚乙烯分子的晶粒沿拉伸方向被拉長、晶粒橫向長度則被拉小，拉伸作用將會提升分子的有序性，這就是絕緣擠出過程中聚乙烯分子發(fā)生的取向應(yīng)變。應(yīng)變會產(chǎn)生更多晶胚，使晶核數(shù)量增加，結(jié)晶時間縮短，結(jié)晶度增大。在絕緣冷卻的過程中，這種應(yīng)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力被凝結(jié)在絕緣層中，但聚乙烯絕緣電纜在長期使用中，聚乙烯絕緣擠出時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使得結(jié)晶的聚乙烯分子容易解取向，產(chǎn)生回縮的趨勢，使絕緣層發(fā)生收縮，這就是聚乙烯絕緣的熱收縮現(xiàn)象［4］。

2 交聯(lián)工藝選擇及絕緣料控制

交聯(lián)絕緣主要分為物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)兩大類。物理交聯(lián)也稱為輻照交聯(lián)，一般適用于絕緣厚度較薄的低壓電纜；化學(xué)交聯(lián)分為過氧化物交聯(lián)和硅烷接枝交聯(lián)，過氧化物交聯(lián)通常用于中高壓電纜，硅烷交聯(lián)常用于電壓10 kV及以下的絕緣電纜。與輻照交聯(lián)工藝相比，硅烷交聯(lián)工藝簡單、操作安全，輻照交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)度為70%，硅烷交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)度可達(dá)70%～83%，故硅烷交聯(lián)工藝廣泛應(yīng)用于低壓電纜。目前，電纜行業(yè)生產(chǎn)硅烷交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜常用的工藝方法有一步法和兩步法。一步法是采用直接加入交聯(lián)劑的聚乙烯絕緣料，在擠出電纜絕緣時進(jìn)行接枝，然后在溫水或水蒸氣中使絕緣層交聯(lián)［5］；兩步法是采用接枝母料和催化劑母料混合的聚乙烯絕緣料，擠出電纜絕緣，而后在溫水或水蒸氣中使絕緣層交聯(lián)。一步法的材料成本低、工藝簡單、操作方便，但由于硅烷交聯(lián)一步法在擠制XLPE絕緣層時，其結(jié)晶過程和接枝過程互相作用，使得絕緣熱收縮性能較差［6］。因此，低壓電纜交聯(lián)工藝應(yīng)盡量選用兩步法。

XLPE絕緣料的質(zhì)量決定了電纜絕緣層的性能，如果電纜的絕緣料的質(zhì)量不合格，則生產(chǎn)工藝再好也無法生產(chǎn)出合格的電纜絕緣層。因此，為保證電纜絕緣層的質(zhì)量，必須嚴(yán)格把關(guān)絕緣料的進(jìn)廠檢驗。

3 兩步法硅烷交聯(lián)低壓架空電纜生產(chǎn)工藝控制

3.1 導(dǎo)體溫度

導(dǎo)體的溫度會影響交聯(lián)聚乙烯的熱收縮性能，當(dāng)導(dǎo)體溫度過低時，剛擠出的交聯(lián)聚乙烯絕緣包覆在導(dǎo)體上時，絕緣會因為導(dǎo)體溫度過低而快速收縮，產(chǎn)生收縮應(yīng)力。此現(xiàn)象會減小絕緣層在導(dǎo)體上的附著力，影響導(dǎo)體的熱收縮性能。導(dǎo)體規(guī)格越大，對絕緣熱收縮性能影響越大，冬季溫度較低，故比夏季時影響更大?；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，對導(dǎo)體連續(xù)加熱。經(jīng)過多次的試驗驗證，得出導(dǎo)體進(jìn)入機(jī)頭時的溫度應(yīng)確保在60℃以上，避免導(dǎo)體溫度過低，使絕緣層內(nèi)外存在較大的應(yīng)力差，而影響交聯(lián)聚乙烯絕緣層的熱收縮性能。

3.2 擠塑溫度

在黏流狀態(tài)下，結(jié)晶型聚合物為含有晶核的熔體，且熔融時間越長晶核的數(shù)量越少。因此，在電纜絕緣擠出過程中，XLPE絕緣料的加熱熔融溫度越高、保溫時間越長，晶核的數(shù)量將越少，有利于降低絕緣的結(jié)晶度。所以，生產(chǎn)硅烷交聯(lián)絕緣電纜，應(yīng)充分考慮選用長徑比大的擠出機(jī)，以確保熔體在螺筒中有充分的保溫時間，以降低XLPE絕緣層的熱收縮性能。但在實際生產(chǎn)中，需要注意的是，由于XLPE絕緣料中含有硅烷交聯(lián)劑，熔體溫度過高和保溫時間過長，也會形成絕緣料的預(yù)交聯(lián)和焦燒現(xiàn)象，從而影響絕緣層外觀質(zhì)量和電氣絕緣性能。所以，根據(jù)不同批次的絕緣料，要優(yōu)化確定合適的加工工藝溫度，可以有效降低XLPE絕緣層的熱收縮率。加料段如果溫度過高，不但導(dǎo)致絕緣料的早期分解，造成擠出壓力波動，并因過早熔融，導(dǎo)致混合不均勻，塑化不均勻，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，否則會引起過早交聯(lián)；塑化段溫度要有幅度較大的提高，因為絕緣料的接枝反應(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)壓實絕緣層的作用，因此，溫度要稍有下降；在模具階段，若溫度過高，不但造成絕緣表層分解，更會使產(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)試驗室多次試驗驗證，擠出機(jī)設(shè)定溫度和實測溫度見表1。

表1 擠出機(jī)不同區(qū)域的設(shè)定和實測溫度

3.3 擠塑模具

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

擠壓式模具的模芯沒有管狀承徑部分，模芯縮在模套承徑后面。熔融的塑料是靠壓力通過模套實現(xiàn)定型的。擠出塑料層緊密結(jié)實，外表平滑，但出膠量較小，擠出速率慢。由于模芯縮在里面，不容易調(diào)偏心，選配模芯孔徑要求高，過小、過大都會出問題。

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，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：

（1）充分利用塑料可拉伸性的特性，提高了出膠量和線速率；

（2）容易調(diào)整偏心，厚度均勻；

（3）拉伸取向提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐龜裂性；

（4）配模簡便、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，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，聚乙烯分子的取向結(jié)晶更明顯，同時擠管式擠出的絕緣層密實性較差，這種方式生產(chǎn)的XLPE絕緣電纜的熱收縮也比擠壓式模具生產(chǎn)的大很多。

半擠管式模具是擠管式與擠壓式的中間型式。其用于大規(guī)格的絞線絕緣擠包時，與擠壓式相比，提高了出膠量和線速率；與擠管式相比，絕緣層則可以更密實。但半擠管式模具應(yīng)合理配模，其主要依據(jù)擠出塑料的拉伸比，所謂拉伸比就是塑料在?？谔幍膱A環(huán)面積與包覆于導(dǎo)體上的圓環(huán)面積之比：

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）。

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

為滿足絕緣熱收縮性能，導(dǎo)體擠塑模具應(yīng)盡量使用擠壓式，若是用半擠管式，應(yīng)合理配置拉伸比。本次試驗所用的185 mm2架空絕緣電纜，其導(dǎo)體直徑為16.2 mm，絕緣層標(biāo)稱厚度為2.0 mm，擠塑模具采用擠壓式，其模芯孔徑為16.8 mm，模套孔徑為20.1 mm，模套與模芯兩錐角差應(yīng)不小于6°～9°。

電纜的絕緣擠出速率決定了電纜的產(chǎn)量，因此，生產(chǎn)速率不宜過慢，但擠出速率過快會使絕緣層被較大拉伸，使絕緣料分子發(fā)生較大取向應(yīng)變，增加絕緣熱收縮率，擠出速率快也會使得電纜快速經(jīng)過冷卻段，造成絕緣內(nèi)部應(yīng)力不能得到較大程度地釋放，增大絕緣層的熱收縮率。試驗可選擇擠出速率為12～16 m／min，實測擠出速率為13 m／min。

3.4 絕緣冷卻

電纜絕緣擠出后的冷卻一般采用水冷的方式，絕緣熔體從熔融溫度以上降到玻璃化溫度以下的過程稱為冷卻，冷卻速率是影響絕緣料結(jié)晶的關(guān)鍵。在快速的冷卻方式下，電纜絕緣層會產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。如果將絕緣熔體的冷卻速率放慢，則使絕緣層獲得充分冷卻，絕緣分子的松弛過程延長，可輕易解取向，取向程度下降，并可控制XLPE晶核的產(chǎn)生和延緩晶粒的長大，降低絕緣熱收縮率。因此，在生產(chǎn)中注重控制XLPE電纜擠出過程中冷卻速率，可有效改善絕緣的熱收縮性能。生產(chǎn)中一般采用逐步降溫的溫水冷卻方法來進(jìn)行降溫，冷卻水槽分段分節(jié)，直至室溫，對降低硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣的熱收縮率具有良好效果。經(jīng)多次試驗，各個段的冷卻溫度見表2。

表2 冷卻溫度 （單位：℃）

3.5 電纜成品應(yīng)力消除方法

生產(chǎn)出的電纜成品絕緣中都會存有殘余的應(yīng)力，最好能對電纜進(jìn)行脫氣處理，不僅可以去除電纜中甲烷、水等成分，還可以消除絕緣層內(nèi)部的應(yīng)力，減小絕緣層的熱收縮率，溫度宜選為60～70℃。在電纜安裝時，最好使用加熱設(shè)備對電纜端頭進(jìn)行熱處理，使絕緣層產(chǎn)生一定的收縮，減小電纜使用過程中產(chǎn)生的收縮。

3.6 試驗驗證的收縮率

針對影響絕緣收縮率的主要因素，采取以上措施后，取試驗樣品50 m，在相同間隔距離上取5個樣品，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 2951.13—2008進(jìn)行熱收縮試驗，并按下式計算收縮率：

式中：L1為取樣后標(biāo)記的長度（m）；L2樣品試驗后標(biāo)記之間的長度（m）。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱收縮率 （單位：%）

由表3中結(jié)果可知：收縮率平均值為3.14%，最小值為2.8%，最大值3.4%，測得結(jié)果均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 2951.13—2008規(guī)定不大于4%的要求。

4 結(jié) 論

基于以上分析研究，為了確保XLPE絕緣熱收縮指標(biāo)合格，針對分析的影響因素，企業(yè)在原材料和生產(chǎn)工藝上應(yīng)采取如下措施：

（1）絕緣料產(chǎn)品的質(zhì)量是生產(chǎn)合格絕緣層的根本，必須進(jìn)行嚴(yán)格檢驗；

（2）交聯(lián)工藝應(yīng)盡量采用兩步法硅烷交聯(lián)；

（3）各階段擠塑溫度應(yīng)合理設(shè)置，不宜過高或過低；

（4）模具應(yīng)盡量采用擠壓式，若采用半擠管式，應(yīng)根據(jù)拉伸比選配合適的模具；

（5）擠塑速率不宜過快，以12～16m／min為宜；

（6）冷卻方式應(yīng)采用分段式冷卻；

（7）電纜生產(chǎn)后最好進(jìn)行保溫處理，以便消除絕緣層應(yīng)力。