影響兩步法硅烷交聯低壓架空電纜絕緣熱收縮性能的工藝研究

2021-11-17 11:13:36王中建曹點點趙士銀楊麗麗

電線電纜 2021年5期

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

交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜正常運行溫度可達90℃，持續5 s短路運行溫度可達250℃，因其具有優越的電性能，在國家電網電力系統建設中被廣泛應用。但在生產過程中經常出現電纜絕緣熱收縮性能不合格的現象，給企業帶來一定程度的財產損失。熱收縮率是低壓交聯聚乙烯絕緣電纜和架空電纜的一項重要質量指標，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，則會出現由于熱收縮過大，導致發生電纜端頭導體暴露，帶來漏電的安全隱患，發生觸電安全事故?；谝陨显?，企業應解決該類電纜的熱收縮性能不合格的問題，控制產品質量。在國家標準GB／T 12706—2020［1］中規定的低壓交聯聚乙烯電力電纜和GB／T 12527—2008［2］中規定架空電纜要求絕緣熱收縮率不高于4%，其試驗方法應依據GB／T 2951.13—2008［3］。

本工作對SJ?120擠塑機生產的JKLYJ?1 kV－1×185 mm2架空電纜絕緣進行試驗驗證，作跟蹤分析。研究電纜絕緣材料的控制以及導體溫度、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

聚乙烯是一種結晶型聚合物，當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作用力重新排列，從無序狀態變為有序狀態，這就是結晶過程。在電纜絕緣擠出時，流態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生的取向應變。應變會產生更多晶胚，使晶核數量增加，結晶時間縮短，結晶度增大。在絕緣冷卻的過程中，這種應變產生的內應力被凝結在絕緣層中，但聚乙烯絕緣電纜在長期使用中，聚乙烯絕緣擠出時產生的內應力使得結晶的聚乙烯分子容易解取向，產生回縮的趨勢，使絕緣層發生收縮，這就是聚乙烯絕緣的熱收縮現象［4］。

2 交聯工藝選擇及絕緣料控制

交聯絕緣主要分為物理交聯和化學交聯兩大類。物理交聯也稱為輻照交聯，一般適用于絕緣厚度較薄的低壓電纜；化學交聯分為過氧化物交聯和硅烷接枝交聯，過氧化物交聯通常用于中高壓電纜，硅烷交聯常用于電壓10 kV及以下的絕緣電纜。與輻照交聯工藝相比，硅烷交聯工藝簡單、操作安全，輻照交聯聚乙烯的交聯度為70%，硅烷交聯聚乙烯的交聯度可達70%～83%，故硅烷交聯工藝廣泛應用于低壓電纜。目前，電纜行業生產硅烷交聯聚乙烯（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劑的聚乙烯絕緣料，在擠出電纜絕緣時進行接枝，然后在溫水或水蒸氣中使絕緣層交聯［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。一步法的材料成本低、工藝簡單、操作方便，但由于硅烷交聯一步法在擠制XLPE絕緣層時，其結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，低壓電纜交聯工藝應盡量選用兩步法。

XLPE絕緣料的質量決定了電纜絕緣層的性能，如果電纜的絕緣料的質量不合格，則生產工藝再好也無法生產出合格的電纜絕緣層。因此，為保證電纜絕緣層的質量，必須嚴格把關絕緣料的進廠檢驗。

3 兩步法硅烷交聯低壓架空電纜生產工藝控制

3.1 導體溫度

導體的溫度會影響交聯聚乙烯的熱收縮性能，當導體溫度過低時，剛擠出的交聯聚乙烯絕緣包覆在導體上時，絕緣會因為導體溫度過低而快速收縮，產生收縮應力。此現象會減小絕緣層在導體上的附著力，影響導體的熱收縮性能。導體規格越大，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?，應在導體放線端與機頭之間采用預熱裝置，對導體連續加熱。經過多次的試驗驗證，得出導體進入機頭時的溫度應確保在60℃以上，避免導體溫度過低，使絕緣層內外存在較大的應力差，而影響交聯聚乙烯絕緣層的熱收縮性能。

3.2 擠塑溫度

在黏流狀態下，結晶型聚合物為含有晶核的熔體，且熔融時間越長晶核的數量越少。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，晶核的數量將越少，有利于降低絕緣的結晶度。所以，生產硅烷交聯絕緣電纜，應充分考慮選用長徑比大的擠出機，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。但在實際生產中，需要注意的是，由于XLPE絕緣料中含有硅烷交聯劑，熔體溫度過高和保溫時間過長，也會形成絕緣料的預交聯和焦燒現象，從而影響絕緣層外觀質量和電氣絕緣性能。所以，根據不同批次的絕緣料，要優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，不但導致絕緣料的早期分解，造成擠出壓力波動，并因過早熔融，導致混合不均勻，塑化不均勻，所以應采用低溫；壓縮段應使絕緣料被壓縮直至熔融，但應以不引起接枝反應為限，否則會引起過早交聯；塑化段溫度要有幅度較大的提高，因為絕緣料的接枝反應大部分在此階段完成；機頭承接已塑化均勻的熔體塑料，起繼續壓實絕緣層的作用，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，更會使產品成型冷卻困難，使產品不利于定型，因此，此階段溫度應稍有下降。經試驗室多次試驗驗證，擠出機設定溫度和實測溫度見表1。

表1 擠出機不同區域的設定和實測溫度

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種型式模具的結構相似，區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定型的。擠出塑料層緊密結實，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，然后經拉伸再包覆在線芯上。與擠壓式相比，擠管式有以下優點：

（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）容易調整偏心，厚度均勻；

（3）拉伸取向提高了材料的機械強度和耐龜裂性；

（4）配模簡便、模具通用性強、能擠扇形、瓦形等多種規格。

但擠管式也有其缺點，與擠壓式模具相比，擠管式模具生產的XLPE絕緣電纜在生產中的牽引拉伸變形更大，聚乙烯分子的取向結晶更明顯，同時擠管式擠出的絕緣層密實性較差，這種方式生產的XLPE絕緣電纜的熱收縮也比擠壓式模具生產的大很多。

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。但半擠管式模具應合理配模，其主要依據擠出塑料的拉伸比，所謂拉伸比就是塑料在?？谔幍膱A環面積與包覆于導體上的圓環面積之比：

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，導體擠塑模具應盡量使用擠壓式，若是用半擠管式，應合理配置拉伸比。本次試驗所用的185 mm2架空絕緣電纜，其導體直徑為16.2 mm，絕緣層標稱厚度為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不小于6°～9°。

電纜的絕緣擠出速率決定了電纜的產量，因此，生產速率不宜過慢，但擠出速率過快會使絕緣層被較大拉伸，使絕緣料分子發生較大取向應變，增加絕緣熱收縮率，擠出速率快也會使得電纜快速經過冷卻段，造成絕緣內部應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晶的關鍵。在快速的冷卻方式下，電纜絕緣層會產生較大的收縮應力。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晶核的產生和延緩晶粒的長大，降低絕緣熱收縮率。因此，在生產中注重控制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。生產中一般采用逐步降溫的溫水冷卻方法來進行降溫，冷卻水槽分段分節，直至室溫，對降低硅烷交聯聚乙烯絕緣的熱收縮率具有良好效果。經多次試驗，各個段的冷卻溫度見表2。