大截面超高压交联聚乙烯电力电缆绝缘挤出模具的选择.pdf

2 0 1 0年第 4期 No 4 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g ， 2 01 0 大截面超高压交联聚乙烯电力电缆绝缘 挤出模具 的选择 杨娟 ， 王 福 志 ( 浙江万马集团有限公司 ， 浙江 临安 3 1 1 3 0 5 ) 摘要： 由于大截面超 高压交联 聚 乙烯电力电缆的绝缘 比较厚 ， 挤 出模具规格很 大 ， 在挤 出过程 中会 出现很 多f* l 题 。因此 ， 挤 出模 具正确 选配至关重要 。结合欧洲发达国 家多个公 司的立式化 学交联 ( V C V) 聚 乙烯绝缘 生 产线三层 共挤机 头各 自的优 点， 对超 高压 V C V生产线挤 出机 三层共挤机头提 出了设计 方案和建议。 关键 词 ： 大截 面； 超 高压 交联聚 乙烯 电力 电缆 ； 三层共挤机头 ； 模具 ； 选择 中圈分类号 ： T M 2 0 5 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 3 6 - 0 3 S e l e c t i o n o f t h e Ext r us i o n Di e f o r I n s ul afio n Coa tin g f 0 r Lar g e S i z e EHV XLPE Po we r Ca b l e s YANG J u a ne t a l ( Z h e j i a n g Wa n Ma Gr o u p Co ，L i n a n 3 1 1 3 0 5，C h i n a ) Abs t r a c t ：As t he e x t r us i o n d i e f o r p r o d uc i n g l a r g e s i z e EHV XLP E p o we r c a b l e s h a s us u a l l y l a r g e s i z e d u e t o t h i c k i n s u l a t i o n，ma n y pr o bl e ms ma y a ris e d u r i n g t he e x t r u s i o n p r o c e s s Fo r t h i s r e a s o n，c o r r e c t s e l e c t i on o f t h e e x t r us i o n di e i s o f mo s t i mp o r t a n c e A d e s i g n p r o g r a mme a nd s ug g e s t i o ns a r e pr o po s e d f o r t he t r i p l e e x t r us i o n c r o s s h e a d f o r t he v e rt i c a l c h e mi c a l v u l c a n i z a t i o n ( VC V)l i n e s for EHV c a b l e s ，i n t e g r a t i n g t h e d a v a n t a g e s o f t h e t ri p l e e x t r u s i o n c r o s s he a ds f o r VCV p o l y e t h y l e ne i ns u l a t i o n c o a t i n g l i ne s u s e d by a n u mbe r o f c a b l e c o mp a n i e s i n t he i n d us t ria l l y d e v e l o pe d c o un t rie s i n Eur o pe Ke y wor ds：l a r g e s i z e；EHV XLPE po we r c a bl e；t r i pl e e x t r u s i o n c r o s s h e a d；d i e；s e l e c t i o n 0 引 言 近年来 ， 高压 、 超高 压 交联 聚 乙烯 电力 电缆 ( 以 下简称交联 电缆 ) 的需 求量与 日俱增 ， 随着 电网容 量的加大， 交联电缆 的导体截 面也不断增大。国内 目前运行的交联电缆线路 中最大导体截面为 2 5 0 0 mm 。5 0 0 k V线 路 进 入 城 网 已 经 纳 入 “ 十一 五 ” 规划里面， 交联 电缆是首选品种 。如何生产优质的、 让用户 放心 的交 联 电缆是 我们 超高 压 电缆 行业需 要 解决的一大课题。超高压交联电缆的绝缘厚度 比较 厚 ， 在绝缘挤出过程中有时会出现屏蔽渗入绝缘或 绝缘渗人屏蔽( 称为界面突起) 、 竹节、 厚度不均匀、 屏蔽疙瘩等缺陷。其 中屏蔽渗入绝缘、 绝缘渗人屏 蔽 、 屏蔽疙瘩是超高压交联 电缆的致命缺陷， 尤其是 大截面( 导体截面为 1 0 0 0 mm 及以上 ) 的超高压交 联电缆， 上述现象更加明显 ， 这样会给企业造成很大 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 2 0 作者简介 ： 杨娟 ( 1 9 7 5一) ， 女 ， 工程师 。 作者地址 ： 浙 江 临 安 市 经 济 开 发 区 南 环 路 6 3 号 -3 1 1 3 0 5 浪 费 。 上述缺陷与机头的结构、 模具选择 的正确与否 有很 大关 系 ， 因此 ， 要 从 根 本 上解 决 问题 ， 必须 吸收 欧洲发达国家各 自的优点 ， 对三层共挤机头进行合 理设计 ， 并依据实际经验选择更加适合的模具。 1 模具设计 和选择 挤 出模 具 的型 式 主要有 挤 压 式模 具 、 半挤 压 式 模具和挤管式模具 ， 三层共挤模具采用 的均是挤压 式模具。挤压式模具结构如图 1所示 ， 三层共挤模 具结 构如 图 2所 示 。挤 压 式模 具 的特 点 ： 熔融 的塑 料是靠压力通过模套实现最后定型 ， 挤 出的塑胶层 图 1 挤压式模具结构示意 图 2 0 1 0年第 4期 No ， 4 201 0 电 线 电 缆 El e c t ric W i r e Ca bl e 2 01 0年 8月 Aug ， 2 01 0 ( 绝缘层或护层 ) 结 构紧密 ， 表 面平整。因此 ， 挤压 模具是超高压交联电缆绝缘挤出模具的最佳选择。 。 - 模 芯 。 I Q - ； 模芯2 _ _ R1 5 图 2 三层共挤 挤出模具结构示意 图 挤出时， 模芯和模 套间的夹 角大小决定料流压 力 的大小 ， 影响塑胶层的质量 ； 模芯 、 模套尺寸及表 面光洁度直接决定 着塑胶层的几何 尺寸和表 面质 量 。模 套孔 径 大小 选择 必须 考 虑解 除压 力后 塑料 的 “ 膨 胀 ” ， 以及 冷 却后 的收 缩 等综 合 因素 。挤 压 式 模 具 的一大缺点就是偏心调节 困难 ， 当模芯与线芯配 合尺寸不当或线芯微弯均会影响绝缘的偏心度 ， 因 此 ， 模芯尺寸( 内径) 不能过分大于线芯外径 。 1 1 挤 出模 具 的设 计原 则 在 生 产 大 截 面超 高 压 交 联 电缆 的绝 缘 时 ， 往 往 会出现外径不均匀的现象 ， 俗称“ 竹节 ” 现象 。如果 挤出机组的牵引和张力系统工作正常的情况下 出现 这类现象， 就应该考虑一下模具的设计和选择是 否 合理了。三层共挤机头的模具设计遵循如下原则 ： ( 1 )模具间应该保持一定 的正夹角 ， 即如 图 2 所示 ， 夹角 a l ， 2 I ， 2 艿 。设计正夹角的 目 的是在挤 出过程 中能够保持非常均匀恒定的挤出压 力 。如果 压 力不 均匀 ， 必 然会 导致 出胶 量不 均匀 ， 外 观表现出“ 竹节 ” 现象。这类现象 在生产大截面超 高压交联 电缆 的绝缘时表现更为明显。 ( 2 )避免产生“ 死角” ， 这是挤 出模具设计 的最 基本原则。在模具的转弯处应有适 当的圆弧过渡 ， 如图 2所示 ， 设计模具时必须保证 圆弧与两条夹角 直线严 格 相切 。如 果模 具存 在 “ 死 角 ” ， 将会 不 可 避 免地在“ 死角 ” 处残 留物料 ， 时间久 了， 残 留物料将 会发生焦烧炭化 ， 外观表现为屏蔽疙瘩 、 绝缘疙 瘩 ， 这是超高压交联 电缆的致命 缺陷。另外 ， 在模具设 计时应尽量减少转弯 ， 最理想 的模具设计是只有一 个锥度 。 ( 3 )模具表面应有很高的光洁度 。凡是有胶料 经过的模具表 面， 粗糙度 R 应为 0 0 5 。高 的光洁 度会使绝缘与屏蔽之间的界面更加光滑 、 圆整 ， 可以 有效地避免界面突起 ， 尤其是模具端 口处 ， 光洁度水 平要求更高 ， 这是模具设计人员和模具 制造人员最 容 易 忽略 的地 方 。 如果 模 具 端 口的光 洁 度 很 差 ， 或 者有破损现象 ， 长时间的挤 出后 ， 屏蔽料或绝缘料会 在 该 处 出现堆 积 ， 俗 称 “ 流 涎 ” 。“ 流 涎 ” 一 旦 随正 常 胶料带出， 将会 出现屏蔽渗入绝缘或者绝缘渗入屏 蔽 ， 造成致命缺陷。 ( 4 )模具 的材 料应 选 择耐 高 温 的合金 钢， 如 3 8 C r M o A I 、 4 2 C r Mo 4 V等， 模具 表 面要氮化处 理 ， 表 面硬度 一 般要 达 到 洛 氏硬 度 ( H R c ) 4 85 2 。通 常 ， 普通模具表面一般都镀硬质铬 ， 这种表 面处理方法 用于超高压交联 电缆绝缘挤 出模具上是不可取 的， 因为硬质铬一旦脱落， 将会变成杂质混入绝缘 中， 严 重影响绝缘品质。因此 ， 超 高压交联 电缆绝缘挤 出 模具氮化后抛光是最理想的表面处理方法 。 1 2 挤 出模 具 规格 的正 确选 择 模 具规 格 的正确 选 取是 影 响挤 出质量 的又一个 主要因素， 下面针对大截 面超高压交联 电缆绝缘三 层共挤挤 出模具 ， 论述一下模具规格的选取。 ( 1 )模芯 1的选择 。模芯 1通常按下式 ( 1 ) 选 择 ： d l=d + +e I ( 1 ) 式中， d 。 为模芯 1内径( m m) ； 为导体直径的正公 差( mm) ； d 为导体直径( m m) ； e 。 为放大值 ， 通常取 0 2 mm 。 大截面分割导体的直径很难控制 ， 直径公差通 常控 制在 0 6 mm左 右 ， 而模 芯 1的 内径越 接近 导 体直径 ， 挤出质量越好 ； 如果模芯 1内径过大， 在挤 出过程 中， 导体在模芯 1内孔 中来回摆动 ， 这会导致 绝缘线芯外径不均匀或者是绝缘的偏心度超标 。所 以选择模芯 1的规格不能仅仅按照上述的公式 ( 1 ) 套用 ， 应根据具体的实际情况进行选择 ， 通常模芯 1 3 7 2 0 1 0年第 4期 No 4 2 O1 O 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g ， 201 0 的内径为导体实际直径( 包括导体外面的半导 电包 带 ) 加上 0 5 0 8 m m较 为合 适 。 ( 2 )模 芯 2的选择 。 d 2= d +2 t I ( 2 ) 式 中， d ： 为模芯 2内径( mm) ； d 为导体直径( m m) ； t 为导体屏蔽层厚度 ( m m) ； k为修正系数 ， 其值是 根 据不 同挤 出材料 ， 考虑 到 因出模 口后 ， 解 除压力 引 起 的膨胀 ， 以及经 过 冷却 后 的 收缩 而 引 入 的 经验 的 修 正系数 ， 通 常交联 型屏蔽 料取 为 k =1 0 41 0 6 。 ( 3 )模芯 3的选择。大截面的超高压交联电缆 的绝缘比较厚 ， 绝缘的出胶量大 ， 模芯 3可以保证绝 缘挤出压力恒定 ， 并使绝缘胶料按一定的方 向流动， 可以有效地避免绝缘和绝缘屏蔽之 间界 面存 在突 起 。通常， 一个三层共挤机头配备 2 3个规格的模 芯 3 ， 也就是 说 ， 生产多 种规 格 的电 缆可 以套用 一 种 规 格 的模 芯 3 。 比如绝 缘线 芯外 径小 于 4 5 m m 时 ， 模芯 3内径为 5 0 m m； 绝缘线芯外径大于 4 5 mm， 小 于 8 0 m m时， 模芯 3内径为 8 5 mm。在生产大截面 的超高压交联电缆的绝缘时 ， 选择模芯 3应慎重考 虑 ， 即模 芯 3的内径 不要过 分大 于绝缘 外径 ， 否则 会 导致导体屏蔽层 、 绝缘 、 绝缘屏蔽层三者的压力不均 衡 ， 模芯 3也就失去了应有的作 用。当绝缘外径在 1 0 01 3 0 m m之间时， 模芯 3内径通常为 1 3 51 4 0 m m之间。比较合适 的选择是 ： 绝缘外径 大于 1 0 0 m m、 小 于 1 1 5 m m 时 ， 采用 内径 为 1 2 0 m m 的模 芯 3 ； 绝缘 外 径 大 于 1 1 5 m m、 小 于 1 3 0 m m 时 ， 采 用 内径 为 1 4 0 m m 的模芯 3 。 ( 4 )模套的选择。模套内径的计算应遵循 以下 公式 ： D =d +2( t I+t 2+t 3 ) k ( 3 ) 式中， D为模套 内径( m m) ； d 为导体直径( mm) ； t 。 为导体屏蔽层厚度( m m) ； t 为绝缘层厚度 ( mm) ； t ， 为绝缘屏 蔽层 厚 度 ( m m) ；k为 修正 系 数 ， 其值 是 根据 不同挤 出材料 ， 考 虑到 因出模 口后 ， 解除 压力 引 起 的膨 胀 ， 以及经 过 冷却 后 的收 缩 而 引入 的 经 验 的 修正系数 ， 通常交联型屏蔽料和交联 聚乙烯绝缘取 为 k=1 。 0 41 0 6 。 有的厂家习惯将导体屏蔽层和绝缘屏蔽层 的 k 值省略， 在屏蔽层厚度较薄的情况下是允许 的， 但是 超高压电缆 ， 导体屏蔽和绝缘屏蔽相对都 比较厚， k 值是不 可 以省略 的 。 2 机 头类型选择 三层 共 挤 机头 按 流 道 的外 形分 为 两种 ： 一种 是 3 8 圆柱形机头， 一种是锥形机头。多数挤 出机机头流 道都是圆柱形的。但是， 当出胶量特别大， 圆柱形机 头 的 出胶 压力很 难控 制 ， 很 容易 出现竹 节 、 界 面突起 等缺陷。因此 ， 笔者建议生产大截面超 高压交联电 缆的绝缘宜采用锥形机头。锥形机头有如下特点 ： ( 1 )锥形机头的流道呈锥形， 胶料在流道中行 进时可以被进一步压实 、 定 型， 能够保持恒定 的压 力 ， 可以有效地避免竹节、 界面突起等现象发生。 ( 2 )与圆柱形机头 比较 ， 锥形机头的流道不存 在“ 死角” ， 不易积存胶料 ， 从而避免了焦烧现象 ， 界 面突起、 绝缘杂质超标的几率大大降低 。 ( 3 )锥形 机头内三层料流均采用双 面温控设 计 ， 保证了胶料温度的稳定 ， 温度波动小 。 ( 4 )锥形机头与挤出机机身的夹角为钝角 ( 圆 柱形机头与机身夹角为直角) ， 这种结构使机 身与 机 头连接 部位 的流道更 加 畅通 ， 不 易 出现积 料现象 。 针对大截面超高压绝缘挤 出的特点 ， 对三层共 挤机头的设计提出如下建议及方案 ： ( 1 )整个机头采用锥形设计， 保证胶料在流道 内稳 定流 动 。 ( 2 )机 头要 采用 水 加 热 或 油加 热 的 方式 ， 确 保 稳定恒定 ， 温度精度控制在 1 o C 范 围内。 ( 3 )进胶口和机头的夹角为钝角， 保证料流通畅。 ( 4 )各个流道要渗氮、 抛光处理 ， 粗糙度 R 。为 O 0 5 ， 表面硬度要达到 H R c 5 0 6 5 。 ( 5 )模芯支撑器的锥度要和模芯外形锥度保持 一 致 ， 模芯与模芯支撑器 的衔接处要有 良好的配合 ， 配合精 度 为 0 0 5 mm。 ( 6 )流道采用双 面合胶的形式 ， 目的是保证流 道 圆周 方 向的料 流压力 均匀一 致 。 3 结束语 大截 面超高 压交联 电缆绝 缘挤 出不 同 于其它规 格交联 电缆 ， 同样的挤出机 ， 小规格电缆绝缘挤出没 能表现 出来 的缺 陷在大 规格 电缆上 却表 现得 十分 明 显。因此 ， 大截面超高压交联 电缆 三层共挤机头 的 选型 、 模具的设计和选配都是至关重要的， 各个生产 厂家的具体情况都不尽相同， 模具规格 的选择还要 根据各厂家的实际具体情况进行合理选择 。 参考 文献 ： 1 洪永华 塑料 电线 挤 出模 具设 计 M 光 电线 缆行 业协 会 1 9 8 9