大截面超高壓交聯聚乙烯電力電纜絕緣擠出模具的選擇

楊 娟， 王福志

(浙江萬馬集團有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

近年來，高壓、超高壓交聯聚乙烯電力電纜(以下簡稱交聯電纜)的需求量與日俱增，隨著電網容量的加大，交聯電纜的導體截面也不斷增大。國內目前運行的交聯電纜線路中最大導體截面為2500 mm2。500 kV線路進入城網已經納入“十一·五”規劃里面，交聯電纜是首選品種。如何生產優質的、讓用戶放心的交聯電纜是我們超高壓電纜行業需要解決的一大課題。超高壓交聯電纜的絕緣厚度比較厚，在絕緣擠出過程中有時會出現屏蔽滲入絕緣或絕緣滲入屏蔽(稱為界面突起)、竹節、厚度不均勻、屏蔽疙瘩等缺陷。其中屏蔽滲入絕緣、絕緣滲入屏蔽、屏蔽疙瘩是超高壓交聯電纜的致命缺陷，尤其是大截面(導體截面為1000 mm2及以上)的超高壓交聯電纜，上述現象更加明顯，這樣會給企業造成很大浪費。

上述缺陷與機頭的結構、模具選擇的正確與否有很大關系，因此，要從根本上解決問題，必須吸收歐洲發達國家各自的優點，對三層共擠機頭進行合理設計，并依據實際經驗選擇更加適合的模具。

1 模具設計和選擇

擠出模具的型式主要有擠壓式模具、半擠壓式模具和擠管式模具，三層共擠模具采用的均是擠壓式模具。擠壓式模具結構如圖1所示，三層共擠模具結構如圖2所示。擠壓式模具的特點:熔融的塑料是靠壓力通過模套實現最后定型，擠出的塑膠層(絕緣層或護層)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選擇。

圖1 擠壓式模具結構示意圖

圖2 三層共擠擠出模具結構示意圖

擠出時，模芯和模套間的夾角大小決定料流壓力的大小，影響塑膠層的質量;模芯、模套尺寸及表面光潔度直接決定著塑膠層的幾何尺寸和表面質量。模套孔徑大小選擇必須考慮解除壓力后塑料的“膨脹”，以及冷卻后的收縮等綜合因素。擠壓式模具的一大缺點就是偏心調節困難，當模芯與線芯配合尺寸不當或線芯微彎均會影響絕緣的偏心度，因此，模芯尺寸(內徑)不能過分大于線芯外徑。

1.1 擠出模具的設計原則

在生產大截面超高壓交聯電纜的絕緣時，往往會出現外徑不均勻的現象，俗稱“竹節”現象。如果擠出機組的牽引和張力系統工作正常的情況下出現這類現象，就應該考慮一下模具的設計和選擇是否合理了。三層共擠機頭的模具設計遵循如下原則:

(1)模具間應該保持一定的正夾角，即如圖2所示，夾角 α≤β1，β2≤γ1，γ2≤δ。設計正夾角的目的是在擠出過程中能夠保持非常均勻恒定的擠出壓力。如果壓力不均勻，必然會導致出膠量不均勻，外觀表現出“竹節”現象。這類現象在生產大截面超高壓交聯電纜的絕緣時表現更為明顯。

(2)避免產生“死角”，這是擠出模具設計的最基本原則。在模具的轉彎處應有適當的圓弧過渡，如圖2所示，設計模具時必須保證圓弧與兩條夾角直線嚴格相切。如果模具存在“死角”，將會不可避免地在“死角”處殘留物料，時間久了，殘留物料將會發生焦燒炭化，外觀表現為屏蔽疙瘩、絕緣疙瘩，這是超高壓交聯電纜的致命缺陷。另外，在模具設計時應盡量減少轉彎，最理想的模具設計是只有一個錐度。

(3)模具表面應有很高的光潔度。凡是有膠料經過的模具表面，粗糙度Ra應為0.05。高的光潔度會使絕緣與屏蔽之間的界面更加光滑、圓整，可以有效地避免界面突起，尤其是模具端口處，光潔度水平要求更高，這是模具設計人員和模具制造人員最容易忽略的地方。如果模具端口的光潔度很差，或者有破損現象，長時間的擠出后，屏蔽料或絕緣料會在該處出現堆積，俗稱“流涎”。“流涎”一旦隨正常膠料帶出，將會出現屏蔽滲入絕緣或者絕緣滲入屏蔽，造成致命缺陷。

(4)模具的材料應選擇耐高溫的合金鋼，如38CrMoAl、42CrMo4V等，模具表面要氮化處理，表面硬度一般要達到洛氏硬度(HRc)48～52。通常，普通模具表面一般都鍍硬質鉻，這種表面處理方法用于超高壓交聯電纜絕緣擠出模具上是不可取的，因為硬質鉻一旦脫落，將會變成雜質混入絕緣中，嚴重影響絕緣品質。因此，超高壓交聯電纜絕緣擠出模具氮化后拋光是最理想的表面處理方法。

1.2 擠出模具規格的正確選擇

模具規格的正確選取是影響擠出質量的又一個主要因素，下面針對大截面超高壓交聯電纜絕緣三層共擠擠出模具，論述一下模具規格的選取。

(1)模芯1的選擇。模芯1通常按下式(1)選擇:

式中，d1為模芯1內徑(mm);f1為導體直徑的正公差(mm);dc為導體直徑(mm);e1為放大值，通常取0.2 mm。

大截面分割導體的直徑很難控制，直徑公差通常控制在±0.6 mm左右，而模芯1的內徑越接近導體直徑，擠出質量越好;如果模芯1內徑過大，在擠出過程中，導體在模芯1內孔中來回擺動，這會導致絕緣線芯外徑不均勻或者是絕緣的偏心度超標。所以選擇模芯1的規格不能僅僅按照上述的公式(1)套用，應根據具體的實際情況進行選擇，通常模芯1的內徑為導體實際直徑(包括導體外面的半導電包帶)加上0.5～0.8 mm較為合適。

(2)模芯2的選擇。

式中，d2為模芯2內徑(mm);dc為導體直徑(mm);t1為導體屏蔽層厚度(mm);k為修正系數，其值是根據不同擠出材料，考慮到因出模口后，解除壓力引起的膨脹，以及經過冷卻后的收縮而引入的經驗的修正系數，通常交聯型屏蔽料取為k=1.04～1.06。

(3)模芯3的選擇。大截面的超高壓交聯電纜的絕緣比較厚，絕緣的出膠量大，模芯3可以保證絕緣擠出壓力恒定，并使絕緣膠料按一定的方向流動，可以有效地避免絕緣和絕緣屏蔽之間界面存在突起。通常，一個三層共擠機頭配備2～3個規格的模芯3，也就是說，生產多種規格的電纜可以套用一種規格的模芯3。比如絕緣線芯外徑小于45 mm時，模芯3內徑為50 mm;絕緣線芯外徑大于45 mm，小于80 mm時，模芯3內徑為85 mm。在生產大截面的超高壓交聯電纜的絕緣時，選擇模芯3應慎重考慮，即模芯3的內徑不要過分大于絕緣外徑，否則會導致導體屏蔽層、絕緣、絕緣屏蔽層三者的壓力不均衡，模芯3也就失去了應有的作用。當絕緣外徑在100～130 mm之間時，模芯3內徑通常為135～140 mm之間。比較合適的選擇是:絕緣外徑大于100 mm、小于115 mm時，采用內徑為120 mm的模芯3;絕緣外徑大于115 mm、小于130 mm時，采用內徑為140 mm的模芯3。

(4)模套的選擇。模套內徑的計算應遵循以下公式:

式中，D為模套內徑(mm);dc為導體直徑(mm);t1為導體屏蔽層厚度(mm);t2為絕緣層厚度(mm);t3為絕緣屏蔽層厚度(mm);k為修正系數，其值是根據不同擠出材料，考慮到因出模口后，解除壓力引起的膨脹，以及經過冷卻后的收縮而引入的經驗的修正系數，通常交聯型屏蔽料和交聯聚乙烯絕緣取為k=1.04～1.06。

有的廠家習慣將導體屏蔽層和絕緣屏蔽層的k值省略，在屏蔽層厚度較薄的情況下是允許的，但是超高壓電纜，導體屏蔽和絕緣屏蔽相對都比較厚，k值是不可以省略的。

2 機頭類型選擇

三層共擠機頭按流道的外形分為兩種:一種是圓柱形機頭，一種是錐形機頭。多數擠出機機頭流道都是圓柱形的。但是，當出膠量特別大，圓柱形機頭的出膠壓力很難控制，很容易出現竹節、界面突起等缺陷。因此，筆者建議生產大截面超高壓交聯電纜的絕緣宜采用錐形機頭。錐形機頭有如下特點:

(1)錐形機頭的流道呈錐形，膠料在流道中行進時可以被進一步壓實、定型，能夠保持恒定的壓力，可以有效地避免竹節、界面突起等現象發生。

(2)與圓柱形機頭比較，錐形機頭的流道不存在“死角”，不易積存膠料，從而避免了焦燒現象，界面突起、絕緣雜質超標的幾率大大降低。

(3)錐形機頭內三層料流均采用雙面溫控設計，保證了膠料溫度的穩定，溫度波動小。

(4)錐形機頭與擠出機機身的夾角為鈍角(圓柱形機頭與機身夾角為直角)，這種結構使機身與機頭連接部位的流道更加暢通，不易出現積料現象。

針對大截面超高壓絕緣擠出的特點，對三層共擠機頭的設計提出如下建議及方案:

(1)整個機頭采用錐形設計，保證膠料在流道內穩定流動。

(2)機頭要采用水加熱或油加熱的方式，確保穩定恒定，溫度精度控制在±1℃范圍內。

(3)進膠口和機頭的夾角為鈍角，保證料流通暢。

(4)各個流道要滲氮、拋光處理，粗糙度Ra為0.05，表面硬度要達到HRc50～65。

(5)模芯支撐器的錐度要和模芯外形錐度保持一致，模芯與模芯支撐器的銜接處要有良好的配合，配合精度為0.05 mm。

(6)流道采用雙面合膠的形式，目的是保證流道圓周方向的料流壓力均勻一致。

3 結束語

大截面超高壓交聯電纜絕緣擠出不同于其它規格交聯電纜，同樣的擠出機，小規格電纜絕緣擠出沒能表現出來的缺陷在大規格電纜上卻表現得十分明顯。因此，大截面超高壓交聯電纜三層共擠機頭的選型、模具的設計和選配都是至關重要的，各個生產廠家的具體情況都不盡相同，模具規格的選擇還要根據各廠家的實際具體情況進行合理選擇。

［1］洪永華.塑料電線擠出模具設計［M］.光電線纜行業協會，1989.