一種新型超高壓交聯電纜絕緣擠出模具設計

王福志,吳 剛,黃偉立

(浙江萬馬股份有限公司,杭州 311305)

0 引言

隨著電網容量逐年加大,超高壓電纜的需求逐漸向更大截面、更高電壓等級發(fā)展,額定電壓220 kV、導體截面2 500 mm2的交聯電纜已經成為常態(tài)化需求[1]。高壓、超高壓電纜絕緣擠出通常采用三層共擠方式,即導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共用一個機頭同時擠出。傳統的三層共擠模具(包括國外引進設備的模具)在絕緣擠出過程中會出現界面突起、竹節(jié)、屏蔽起皺、合膠縫明顯、劃傷線較多、外觀不圓整等缺陷,其中界面突起、屏蔽起皺是超高壓交聯電纜的致命缺陷[2]。大部分電纜廠家依靠選擇合適的屏蔽料和絕緣料來適應擠出機的特定要求。這是一種權宜之計,沒有從根本上解決問題。近年來,超高壓絕緣料和屏蔽料的研制國產化呼聲越來越大[3],將來會出現多廠家、多牌號材料不停地切換使用的情況,因此開發(fā)設計一種新型的適應性強的超高壓電纜絕緣擠出模具是亟待解決的課題。

本工作基于塑料成型原理,對超高壓電纜絕緣的三層共擠模具的口徑形式進行了改進,消除界面突起等缺陷,提高電纜產品質量。

1 傳統的三層共擠模具

三層共擠模具采用的是擠壓式模具,三層共擠模具斷面示意見圖1。擠壓式模具的特點是:熔融的塑料是靠壓力通過模套實現最后的定型,擠出的塑層結構緊密,表面平整。因此,擠壓模具是超高壓交聯電纜絕緣擠出模具的最佳形式[4]。

圖1 三層共擠模具斷面示意圖

傳統形式的三層共擠模具有一定的局限性,針對某一種物料有很好的擠出表現,但是換一種材料,會經常出現外屏顆粒、合膠縫明顯、界面突起超標、內外屏劃傷線較多等不良現象。

2 新型模具設計

2.1 設計原理

傳統的三層共擠模具無論是模芯還是模套,在模口處都有一個平直的承徑區(qū),承徑區(qū)是絕緣定型的關鍵部位,擠出過程中屏蔽層和絕緣層進入承徑區(qū)后基本定型,不會再來回流動,以確保絕緣線芯外徑的均勻。但正是由于承徑區(qū)的平直形式的存在,有些絕緣料或屏蔽料會在模口粘有粉末狀的物質,該物質是絕緣料或屏蔽料在擠出過程中的析出物,俗稱“流涎”。模口粉末的存在會造成屏蔽和絕緣界面不光滑,形成突起或者小顆粒等不良現象。為了完全避免這一現象,需要對模具承徑區(qū)加以改進,本工作主要針對模具的模芯2 和模套進行改進。

根據“離模膨脹”原理[5],熔體塑料在出模口時壓力得到釋放,熔體的斷面尺寸大于模具端口尺寸,在模具端口處會留有大量的粉末。本工作將模具端口處設計為敞開式,熔體在出模前得到充分舒展和緩慢釋放,避免端口形成“流涎”,改造后的新型模芯2 和模套的斷面示意見圖2 和圖3。模具內表面的交接面均為大圓弧,熔體在模具內部的行程略有增加,可促進熔體進一步融合并塑化均勻,避免了“流涎”現象的產生。

圖2 新型模芯2 斷面示意圖

圖3 新型模套斷面示意圖

模芯2 和模套外形尺寸、內錐角、外錐角等通用尺寸由各自擠出機機頭加以確定,本設計的模具主要是模具端口處的形狀設計,并給出相應尺寸確定理論公式。

由圖1～圖3 可知,新型模芯2 和模套的?？跒槌ㄩ_式,熔體在離開?？跁r不會出現膨脹現象,避免“流涎”生成。

2.2 配模尺寸

2.2.1 模芯2 尺寸

模芯2 內側是導體屏蔽層,導體屏蔽層的厚度通常在1.0～2.0 mm,厚度相對較薄,其承徑長度不宜太長,避免焦燒顆粒產生。承徑長度L1和L2通?？刂圃?～10 mm 范圍。模芯2 內部尺寸由下列公式計算得出:

式中:d1為模芯2 承徑區(qū)內徑,mm;dc為導體外徑,mm;tis為導體屏蔽厚度,mm。模芯2 的β角一般取6°～10°。

2.2.2 模套尺寸

擠壓式模具不必考慮配模系數和拉伸比等因素[6],需要考慮熱態(tài)下外徑尺寸與冷態(tài)時的外徑尺寸關系,通常引入熱膨脹系數α。

模套內側工作面是導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽匯集處,內部尺寸由導體外徑、絕緣線芯的外徑、模芯2 尺寸等因素決定。承徑長度L3為1 倍的絕緣厚度,開口區(qū)水平長度L4為2 倍的絕緣厚度。模套主要部位尺寸由下列公式計算得出:

式中:α為熱膨脹系數,取1.15;Dos為絕緣屏蔽外徑,mm;dc為導體外徑,mm。

d3由模套的d4和模芯2 的d2可得

上述模具設計打破了三層共擠模具的常規(guī)設計,尤其是模套承徑區(qū)內徑d3、開口區(qū)d4的尺寸確定與以往模具設計不同,需要考慮離模膨脹尺寸與模具內徑的關系,從而引入了熱膨脹系數α。新型模具設計的特點是擠出壓力得到緩慢釋放、確保絕緣線芯外徑均勻,開口區(qū)的形狀可以有效避免“流涎”的生成,消除導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層之間的界面顆粒、界面突起、界面劃傷線等不良現象,提高產品質量。

3 效果驗證

驗證的樣品規(guī)格均為220 kV-2500 電纜絕緣線芯,分別進行合膠縫刮磨檢測、絕緣與半導電屏蔽層界面突起檢測、屏蔽層與絕緣界面劃傷線檢查、外觀檢查和圓整度檢測。

3.1 合膠縫刮磨檢測

模擬施工現場操作程序,將絕緣屏蔽沿圓周方向刮磨一部分,觀察合膠縫處界面突起情況,不同模具生產的絕緣屏蔽合膠縫刮磨后情況見圖4。由圖4 可見,新型模具生產的絕緣線芯無目力可見的界面突起。

圖4 絕緣屏蔽合膠縫

3.2 絕緣與半導電屏蔽層界面突起檢測

按國家標準GB/T 18890.1—2015 附錄H 的測試方法取樣切片,對絕緣與半導電屏蔽層界面的突起進行測試,界面突起情況見圖5。在放大40 倍測量顯微鏡下進行觀測,傳統模具生產的絕緣線芯界面突起為87 μm,新型模具生產的絕緣線芯界面突起不大于50 μm。

圖5 界面檢測

3.3 屏蔽層與絕緣界面劃傷線檢查

取絕緣線芯長度50～100 mm,去掉導體。將其端面切削整齊潔凈,放入硅油,加熱至135 ℃呈透明狀,目力觀察絕緣和屏蔽界面的劃傷線情況,界面情況見圖6。傳統模具生產的絕緣線屏蔽層與絕緣層界面有目力可見的劃傷痕跡,新型模具生產的絕緣線芯屏蔽層與絕緣界面無目力可見的劃傷線。

圖6 導體屏蔽界面

3.4 驗證測試結果對比

根據上述方法對絕緣線芯樣品進行測試,測試結果見表1。

表1 測試結果對比

由表1 可知,使用新型模具消除了屏蔽層與絕緣層界面劃傷痕跡和小顆粒,對半導電屏蔽層與絕緣界面的突起有了明顯改善,界面突起符合國家標準要求,收到了較好的效果。

4 結束語

針對導體屏蔽和絕緣屏蔽“流涎”造成的不良現象,本工作設計了三層共擠模具的模芯2 和模套,適當加長該模具的內部流道、擠出壓力由小到大,在端口有個釋放過程,可有效避免“流涎”產生,具有成型好、適應性強等特點。