中壓交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣偏心度的控制

周建 溫鵬 李楷東 周優 李楷純

摘要：絕緣偏心度的控制一直是中壓電纜制造過程的產品質量、制造成本和工藝控制的難點，是輸配電作業采購中的重要關鍵指標之一。通過分析三層共擠絕緣層在生產制造、材料選用、工藝工裝中形成偏心的潛在因素，結合產品技術規范要求，進行數學建模計算，制定產品工藝參數關聯性適配表，用于指導絕緣層偏心度的有效控制。經長期實踐表明，產品偏心度控制得到提升，制造成本降低，直接創造經濟效益。

關鍵詞：中壓;交聯聚乙烯絕緣;偏心度;控制方法

中圖分類號：TM247文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0258-05

Control of Insulation Eccentricity of Medium Voltage XLPE Insulated Cable

Zhou Jian，Wen Peng，Li Kaidong，Zhou You，Li Kaichun

（ Guangzhou Nanyang cable group Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511356，China ）

Abstract：The control of insulation eccentricity isalwaysthedifficulty of product quality，manufacturing cost and processcontrolin themanufacturing process of medium voltage cable，and it is one of the important key indicators in the procurement of power transmission anddistribution operation. By analyzing the potential factors of eccentricity in the manufacturing，material selection and process tooling of three-layer co extrusion insulation layer，combined with the requirements of product specifications，the mathematical model calculation was carried out， and the product process parameter relevance adaptation table was formulated to guide the effective control of insulation layer eccentricity. Thelong-term practice shows that the product eccentricity control is effectively improved，the manufacturing cost is reduced，and the economicbenefits are directly created.

Key words：medium voltage;XLPE insulation;eccentricity;control method

0引言

中壓電纜作為輸配電系統的重要產品，絕緣偏心度的要求，是產品重要的一項技術指標，國家標準 GB/T 12706. 2-2020及GB/T 12706. 3-2020對中壓電纜絕緣線芯偏心度的要求是不大于15%[1-2]。隨著國網、南網等輸變電系統對中壓電纜產品質量日益提高，偏心度指標要求已大高于國標要求，國家電網（優質設備）及南方電網招標采購技術規范對絕緣偏心度的要求不大于8%[3-4]。在商務技術投標中競爭更是激烈，為體現企業的技術實力，電纜生產廠家更是主動大幅度提高對絕緣偏心度和最薄點厚度保障的質量承諾。這也考驗一個電纜制造企業的制造技術、工裝設備、質量控制的水平。

近年來，為提高絕緣偏心度的制造水平，生產企業紛引入先進導體制造工藝[5]、新裝備技術在交聯生產線的應用[6-9]、數學統計工具在品控的應用[10]，以減少生產過程中的質量缺陷[11]。通過絕緣生產過程中人、機、料、法、環、測等環節的分析，并利用絕緣厚度和偏心度及其要求建立數學關系，提升生產內控要求制定切實可行的作業規范指導生產。實踐結果表明，方案有效提升了絕緣偏心度控制水平，節約了生產成本，滿足了客戶的高質量要求。

1 偏心度原因分析

1. 1 導體的因素

導體質量不過關是引起內屏蔽層最薄點異常出現和內嵌的重要因素之一，導體內屏蔽層的內嵌也會直接影響絕緣層的偏心度異常。

（1）導體圓整度的因素

導體單絲直徑不穩定、導體單絲退火程度不一致、導體緊壓程度不高、節距不合理，造成導體絞合后，更有個別單絲塑性變形不徹底有反彈，導致導體外層圓整服帖性不足。

（2）導體緊壓度不足導致外層松散

因導體結構控制不到位，導體絞合松散，尤其導體上交聯機前要多道導輪和儲線器裝置，在此過程中，導體絞合的松散程度會加大，到進入交聯機三層共擠機頭時，通過擠出壓力，熔融的內屏蔽料會滲入緊壓導體絞合單絲的間隙中，形成半導電屏蔽層內嵌的質量缺陷。三層共擠機頭結構示意如圖1所示。

1. 2 擠出溫度因素和交聯管各段的溫度因素

擠出溫度特別是三層共擠機頭的溫度變化非常關鍵。擠出溫度的高低不同，在很大程度上決定著機頭內熔融的絕緣料及屏蔽料擠出壓力的變化，粘流態物料的流速不均勻，將引起絕緣層偏心度的變化。另外，剪切力不同造成絕緣溫度不均勻，材料流動速度不同，彈性變形不同，也是造成絕緣偏心的因素之一。

交聯管交聯各段的工藝溫度因素。CCV 懸鏈交聯生產線中影響絕緣下垂的幾個重要因素如圖2所示。交聯線芯在擠出并進入硫化管道后的第一段管道溫度設定，會對絕緣偏心造成相當的影響。特別是35 kV電壓等級95 mm2及以下小截面中壓交聯聚乙烯絕緣線芯的偏心度要達到4%及以內的生產控制難度大：絕緣外徑與導體直徑（D/d）的比值越大，絕緣層相對較厚，生產過程中極易發生梨形下垂，同時冷卻過程不充分，易造成絕緣線芯呈橢圓形，導致偏心度變化大，較難控制。

1. 3 設備因素

交聯機設備的穩定是對絕緣偏心度影響的主要因素。當交聯工序完成一個生產周期后，需要拆卸三層共擠機頭時，因工人不按照設備操作規程進行機頭拆卸，在拆卸過程中為了急于快速拆卸清理機頭，使用野蠻的方式清理拆卸機頭，造成三層共擠機頭未可見損傷，當再次開機時，交聯擠出會出現擠出波動，造成電纜偏心。其次是機頭分流器流道設計不合理或者長期使用磨損，機頭內粘流體分流不均衡，造成絕緣層厚度的不均勻。交聯三層共擠機頭的磨損情況及質量，設備的牽引同步性等因素，對電纜的生產控制極為重要。

2 交聯偏心度的解決辦法

2. 1 絞合導體上車前的嚴格檢查

導體的質量對中壓電纜絕緣偏心度的控制起到重要作用，在交聯絕緣線芯生產過程中，首先嚴格檢查導體的絞制質量，不滿足交聯工序生產導體內控標準的導體堅決不予流道。

首先，對中壓電纜的導體使用無氧銅桿拉制絞線單絲，單絲偏差嚴格控制在工藝要求范圍內，單絲的延伸率控制在33%～35%，導體外層緊壓系數為0. 9，內層緊壓系數為0. 87～0. 89，導體外層節徑比控制在11～13倍，模具采用納米模，其特點是耐磨損，能夠保證線芯外徑的穩定，符合工藝要求，且使用時間長。其次，上車前，嚴格檢查導體相鄰單絲的緊密度。各相鄰單絲應緊密接觸，用撥片強力撥動單絲時，不應產生目力可見的位移乃至縫隙。強力摁壓每根單絲，不應有銅單絲的起伏變化。第三，通過上述的上車前檢查措施，確認導體不松散后，再在過導輪和儲線裝置后，檢查導體絞合緊致、不松散。

2. 2 材料物性的掌握和生產應用

導體屏蔽材料的流動性也是引起導體屏蔽內嵌的一個因素。熔融指數越大的材料，流動性越好，產生屏蔽層內嵌的風險越大。導體半導電屏蔽材料的熔融指數不超過1. 9 g/10 min。

中壓交聯聚乙烯絕緣電纜使用的絕緣料要求擠出溫度在115～120℃，交聯起硫速度快，能夠在硫化段的管路中快速交聯，硫化段管路溫度設置為330℃～400℃，在生產過程中，8. 7/10 kV 電壓等級的熱態絕緣尺寸收縮率約為7%～10%，根據絕緣材料的收縮率，嚴格控制開機絕緣厚度，及時根據測偏儀反映的數據，進行絕緣各點厚度的調整。

2. 3工藝工裝的適配使用

2. 3. 1嚴格選用適配的模具

通常內屏模芯選用導體實際尺寸+（0. 4～0. 6） mm，絕緣模芯選用內屏后外徑+（0. 2～0. 8） mm。為了保證絕緣的質量，不使用大模套小模的跨2個規格生產的節約生產方式。機頭拆卸和清理過程中，嚴格按照設備操作規范，避免各組件損傷，確保機頭處于完好狀態。

2. 3. 2 啟用循環冷卻系統和搓線器

根據絕緣線芯在交聯硫化管中絕緣材料在熱態環境下，熔融體未交聯態、已交聯態以及正在逐步交聯的三種狀態過程的相關性，特別是絕緣外徑與導體直徑的比值（D/d）較大時，可以采用以下兩種措施。

（1）使用大循環冷卻系統，充分保證線芯的冷卻定型

進口端熱處理系統（EHT）的原理即是通過液氮冷卻循環系統，將從機頭擠出的全截面熔融熱態且尚未交聯的絕緣粘流體從外層表面進行降溫冷卻處理，使得表面溫度適當降低并具有一定的表面韌性張力，此時，由于溫度較低的導體對內側剛擠出的熔融熱態且尚未交聯的絕緣粘流體也具有降溫作用，而具有一定的韌性張力。絕緣體中間層則一直處于熱態的熔融粘流態，絕緣層越厚，中間的熔融態層就越明顯。

圖3所示為進口端熱處理系統（EHT）的工作原理，形象地呈現了絕緣體在EHT 區段內，以導體為軸心從外到內在截面上的狀態變化示意。由圖可知，ETH 區段的循環冷卻更大的作用。它事實上起到了隔離交聯管加熱段熱氮氣向機頭高溫傳導的作用，通過冷氮氣的循環，降低了交聯管加熱段的氮氣對機頭模具橫斷面的熱沖擊，有效避免絕緣外屏蔽層在機頭的模套、模具口的交聯（焦燒），減緩和避免膠料粘模的問題。

絕緣線芯在整個交聯管內的行進過程中，從出機頭開始，先后經過EHT 段、交聯段、水氣平衡段，進入水溫較高的冷卻段，再到水冷較低的冷卻段，最后出下密封口，圖4所示為絕緣層在整個過程中從外到內的熔融態和固態、熔體逐步受熱交聯到全部交聯，再到交聯體逐步冷卻定型的全部轉化過程。由圖可知，絕緣層從外層起，在EHT 區中后段，降溫的熔融體便開始自外而內快速起硫交聯。在經過EHT 循環中進入交聯加熱段時再次被加溫，并通過熱傳導，熱量直達絕緣層導體側，最終實現絕緣層全部完成交聯，并在冷卻段逐步降溫至正常溫度的交聯固體狀態。在此過程中硫化管道內水氣平衡的控制也很重要，水氣平衡高度要保持平穩，避免較大起伏。

圖5所示為交聯過程中，熱傳導過程中，絕緣體由外到內的交聯、逐步交聯、未交聯的物質狀態界面的轉變。因EHT 區段的循環冷卻，絕緣外層得以降溫固化，韌性和強度增加，可以一定程度上緩解絕緣體的下垂。但因為在EHT 區段，存在一定高溫熔融態的中間層，厚度越厚，導體截面越小，D/d 較大，更加明顯，仍然存在絕緣體梨形下垂，或導體偏離軸線中心的問題。事實上，D/d 較大的絕緣體，EHT 循環系統只能一定程度的緩解，不能根治偏心問題，仍需要輔助于搓線器的解決。比如26/35 kV 95 mm2 以下絕緣線芯的生產。

（2）使用搓線器

依上所說，搓線器，也不是每個電壓等級和每個規格都要使用。減輕熱態絕緣體的梨形下垂，重點是電壓等級較大、導體截面較小、絕緣外直徑與導體外徑（D/d）比值較大的、偏心度要求較高的產品上。

搓線器一般安裝在交聯生產線在交聯下密封與下牽引之間，如圖6所示。通過調整搓線速度，轉動導體，以減輕熱態絕緣體因重力下垂形成梨形的偏心。搓線器速度主要根據導體直徑、絕緣厚度、交聯管溫度和線芯行進速度進行設定。

（3） EHT 進口端熱處理循環系統和搓線器的配合使用

通過由原來采用放慢速度生產、交聯管第一段不加溫生產的生產方式改為交聯管第一段通過實行液氮循環強制冷卻。把第一段交聯管內實際控制在50℃以下，讓線芯及時冷卻定型，并在下牽引前的搓線設備作用下，讓線芯不停反復旋轉，防止絕緣層熔體下垂。上述措施的應用，可有效解決了35 kV 電壓等級95 mm2及以下截面偏心度及橢圓度達標，提高整個機組的生產速度，有效地保證產品質量。

2. 4三層共擠絕緣工藝參數的摸索和應用

為加強生產指導，根據客戶規范或基于企業的內控要求，針對具體絕緣偏心度和標稱值的要求，以偏心度控制水平為基準，來制定絕緣最大厚度、最小厚度以及絕緣擠出工序裕度等相關工藝參數和定額。以下主要以極端厚度的平均值不小于標稱值以及偏心度不大于最大偏心度要求兩項公式，推導出在標稱值為特定值條件下，以偏心度為變量的函數關系絕緣最大厚度的最小值計算公式、絕緣最薄點厚度的最小值計算公式、工藝厚度平均值的最小值計算公式以及擠出厚度的工藝裕度，并據此計算在偏心度不大于15%的《中壓電纜偏心度-標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度的關聯性適配表》，如圖7所示。

2. 4. 1 厚度尺寸的基本要求

一是平均值不小于標稱值的要求。絕緣厚度測量值的平均值不得低于絕緣厚度的標稱值。

二是最大偏心度要求。偏心度不應超過相關產品標準和客戶技術規范的要求;

其中，絕緣標稱值和絕緣的最大偏心度基本是由相關產品標準和具體客戶技術規范具體約定。式（1）采用絕緣厚度最大值和最薄點厚度的兩個極限厚度值進行平均值的計算，這與產品標準中的6點測量值的平均有一點差異，其中的實際平均值小于標稱值的風險，可通過在后繼計算出的最大厚度和最小厚度值之間用隨機函數進行計算進度的風險排查。經后期模擬演算和實際操作中，在工藝平均厚度大于標稱值裕度1. 007倍，偏心度不大于6%時，出現平均值隨機誤差小于標稱值的可能性較低，因此不影響公式的推導。

2. 4. 2 絕緣工藝最大厚度和最薄點厚度的最小值的公式推導

以下公式推導，主要是在標稱值為特定值條件下，以偏心度控制水平為變量，推導出絕緣工藝最大厚度的最小值、工藝控制最薄厚度的最小值以及絕緣擠出工序裕度等計算公式。

由式（2）推導出絕緣最小厚度半程公式：

tmin ≥tmax （1-P偏心度）（3）

由式（1）、（3）推導出絕緣最大厚度：

tmax ≥2t標稱/（2-P偏心度） （4）

將式（4）代入式（3）推導出絕緣最薄厚度：

tmin ≥2t標稱（1-P偏心度）/（2-P偏心度）（5）

由式（3）、（4）推導出工藝平均厚度：

t工藝平均值≥（ tmax +tmin ）/2（ 6）

由式（6）推導出生產實際控制的工藝裕度值：

Z工藝裕度≥tmax/t標稱 （7）

2. 4. 3工藝參數的制定

根據上述公式，在絕緣以標稱厚度和偏心度為變量，可以快速計算出絕緣生產過程的對絕緣層的工藝最大厚度、工藝最薄點厚度、工藝平均值以及生產工藝定額的加工裕度的工藝編制指導和操作參考，得出《中壓電纜偏心度-標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度的關聯性適配表》。技術輸入如下。

（1）技術輸入1：產品標準和客戶要求。根據實際生產的8. 7/10 kV 中壓交聯聚乙烯絕緣線芯檢驗數據統計分析，以YJV228. 7/15 kV 3×300為例。當按 GB/T12706. 2要求生產時，只規定了絕緣最薄處的測量值應不小于標稱值的90%-0. 1 mm （即3. 95 mm ），但沒有規定厚度測量值的平均值應不小于標稱值4. 5 mm。但按照南方電網的要求生產時，絕緣最薄處的測量值應不小于標稱值的90%（即4. 05 mm），同時還規定了測量值的平均值應不小于標稱值（4. 5 mm ），偏心度應不小于8%。

（2）技術輸入2：基于技術承諾，偏心度不大于6%，在生產過程中，內控標準要求不超過5%，最薄點厚度不低于4. 2 mm。為了滿足這一要求，只有適當增加厚度，才能保證最薄點厚度合格。通過生產摸索，制定了《中壓電纜偏心度-標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度的關聯性適配表》，用于指導生產，圖7所示為節取示例。

（3）風險評估：通過以上計算，編制出《中壓電纜偏心度-標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度的關聯性適配表》，工藝加工裕度不小于1. 011倍的標稱值（平均工藝厚度不下于4. 56 mm ）以后，在絕緣厚度平均值不低于標稱值和偏心度不大于內控指標5%的范圍內，內控最薄點是基本能夠得到保障，同時，偏心度越小，最薄點越安全，超出部分須經內部評估，讓步放行。需要注意的是，本擠出模具的擠出厚度精度基本在0. 2±0. 05 mm 之間，如超出這個精度，須應對模具進行維修或更換。

3 實踐驗證

《中壓電纜偏心度-標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度的關聯性適配表》，對810組數據的分析如下，基本能夠指導和符合生產的實際情況，經過長期實踐，數據驗證分析如下。

（1）生產實操的平均厚度出現在4. 55～4. 70 mm區間是大概率事件，工藝厚度至少不低于4. 55 mm，如圖8所示。當工藝厚度平均值的規定低于4. 53 mm，即使在擠塑機模具和分流器完好的情況，實測平均值可能出現不合格的極端情況，修約才能符合要求。

（2）絕緣層偏心度的實測值的平均值為3. 5%，偏心度水平在2. 0%～5. 0%以內是大概率事件，如圖9 ～10所示。符合性在94. 5%以內，符合性比例較高，且可控和實現，經濟性最優化。偏心要求過高，將增加成本、調整時間和難度，導致降級使用。

（3）交聯擠出機的冷卻后，擠出尺寸精度絕對約在0.15+0.05 mm的區間;在工裝相同的情況下，不同電壓等級條件下，絕緣厚度標稱大的情況，各電壓等級的絕緣線芯偏心度的表觀值和絕緣厚度的尺寸范圍有關。

（4）在偏心度、平均值符合要求的情況，通過最薄點厚度的測算，內控指標的最薄點厚度要求提的越高，在保證工藝裕度目標值符合產品定額的情況下，偏心度要求越高，意味著生產成本提高的風險越大，這是企業應重視的成本風險。

4 結束語

本文對中壓交聯聚乙烯絕緣電纜的絕緣偏心度的形成因素及其糾正有效措施做了詳盡分析，利用絕緣厚度和偏心度及其要求建立數學關系，制定出詳細偏心度、標稱值和工藝厚度指導值的設定和工藝加工裕度之間關聯性適配的作業方案。經過長期實踐檢驗，實現了絕緣線芯的偏心度控制在5%以內的目標，指標明顯優于國家標準要求，提高了產品質量，節省了生產成本，降低潛在的質量風險承諾，完全滿足了客戶商品采購的優品要求。

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[11]羅風魁，趙丹丹，黃付環.減少10kV交聯電纜生產過程中的絕緣缺陷[J].電線電纜，2017（1）：42-43.第一作者簡介：周建（1972-），男，江蘇揚州人，大學本科，工程師，研究領域為電線電纜研發和制造，已發表論文3篇。

（編輯：王智圣）