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(lián)聚乙烯電力電纜(以下簡稱交聯(lián)電纜)的需求量與日俱增，隨著電網(wǎng)容量的加大，交聯(lián)電纜的導體截面也不斷增大。國內(nèi)目前運行的交聯(lián)電纜線路中最大導體截面為2500 mm2。500 kV線路進入城網(wǎng)已經(jīng)納入“十一·五”規(guī)劃里面，交聯(lián)電纜是首選品種。如何生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的、讓用戶放心的交聯(lián)電纜是我們超高壓電纜行業(yè)需要解決的一大課題。超高壓交聯(lián)電纜的絕緣厚度比較厚，在絕緣擠出過程中有時會出現(xiàn)屏蔽滲入絕緣或絕緣滲入屏蔽(稱為界面突起)、竹節(jié)、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(lián)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(lián)電纜，上述現(xiàn)象更加明顯，這樣會給企業(yè)造成很大浪費。

上述缺陷與機頭的結(jié)構(gòu)、模具選擇的正確與否有很大關(guān)系，因此，要從根本上解決問題，必須吸收歐洲發(fā)達國家各自的優(yōu)點，對三層共擠機頭進行合理設(shè)計，并依據(jù)實際經(jīng)驗選擇更加適合的模具。

1 模具設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示，三層共擠模具結(jié)構(gòu)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(xiàn)最后定型，擠出的塑膠層(絕緣層或護層)結(jié)構(gòu)緊密，表面平整。因此，擠壓 模具是超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具的最佳選擇。

圖1 擠壓式模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三層共擠擠出模具結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(diào)節(jié)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(nèi)徑)不能過分大于線芯外徑。

1.1 擠出模具的設(shè)計原則

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

(1)模具間應(yīng)該保持一定的正夾角，即如圖2所示，夾角 α≤β1，β2≤γ1，γ2≤δ。設(shè)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(xiàn)出“竹節(jié)”現(xiàn)象。這類現(xiàn)象在生產(chǎn)大截面超高壓交聯(lián)電纜的絕緣時表現(xiàn)更為明顯。

(2)避免產(chǎn)生“死角”，這是擠出模具設(shè)計的最基本原則。在模具的轉(zhuǎn)彎處應(yīng)有適當?shù)膱A弧過渡，如圖2所示，設(shè)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(fā)生焦燒炭化，外觀表現(xiàn)為屏蔽疙瘩、絕緣疙瘩，這是超高壓交聯(lián)電纜的致命缺陷。另外，在模具設(shè)計時應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎，最理想的模具設(shè)計是只有一個錐度。

(3)模具表面應(yīng)有很高的光潔度。凡是有膠料經(jīng)過的模具表面，粗糙度Ra應(yīng)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(shè)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(xiàn)象，長時間的擠出后，屏蔽料或絕緣料會在該處出現(xiàn)堆積，俗稱“流涎”。“流涎”一旦隨正常膠料帶出，將會出現(xiàn)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(yīng)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(zhì)鉻，這種表面處理方法用于超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具上是不可取的，因為硬質(zhì)鉻一旦脫落，將會變成雜質(zhì)混入絕緣中，嚴重影響絕緣品質(zhì)。因此，超高壓交聯(lián)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(guī)格的正確選擇

模具規(guī)格的正確選取是影響擠出質(zhì)量的又一個主要因素，下面針對大截面超高壓交聯(lián)電纜絕緣三層共擠擠出模具，論述一下模具規(guī)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(nèi)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?？刂圃凇?.6 mm左右，而模芯1的內(nèi)徑越接近導體直徑，擠出質(zhì)量越好;如果模芯1內(nèi)徑過大，在擠出過程中，導體在模芯1內(nèi)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(guī)格不能僅僅按照上述的公式(1)套用，應(yīng)根據(jù)具體的實際情況進行選擇，通常模芯1的內(nèi)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(nèi)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(shù)，其值是根據(jù)不同擠出材料，考慮到因出?？诤?，解除壓力引起的膨脹，以及經(jīng)過冷卻后的收縮而引入的經(jīng)驗的修正系數(shù)，通常交聯(lián)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(lián)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(guī)格的模芯3，也就是說，生產(chǎn)多種規(guī)格的電纜可以套用一種規(guī)格的模芯3。比如絕緣線芯外徑小于45 mm時，模芯3內(nèi)徑為50 mm;絕緣線芯外徑大于45 mm，小于80 mm時，模芯3內(nèi)徑為85 mm。在生產(chǎn)大截面的超高壓交聯(lián)電纜的絕緣時，選擇模芯3應(yīng)慎重考慮，即模芯3的內(nèi)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(yīng)有的作用。當絕緣外徑在100～130 mm之間時，模芯3內(nèi)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(nèi)徑為120 mm的模芯3;絕緣外徑大于115 mm、小于130 mm時，采用內(nèi)徑為140 mm的模芯3。

(4)模套的選擇。模套內(nèi)徑的計算應(yīng)遵循以下公式:

式中，D為模套內(nèi)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(shù)，其值是根據(jù)不同擠出材料，考慮到因出?？诤?，解除壓力引起的膨脹，以及經(jīng)過冷卻后的收縮而引入的經(jīng)驗的修正系數(shù)，通常交聯(lián)型屏蔽料和交聯(lián)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(shù)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(xiàn)竹節(jié)、界面突起等缺陷。因此，筆者建議生產(chǎn)大截面超高壓交聯(lián)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(jié)、界面突起等現(xiàn)象發(fā)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(xiàn)象，界面突起、絕緣雜質(zhì)超標的幾率大大降低。

(3)錐形機頭內(nèi)三層料流均采用雙面溫控設(shè)計，保證了膠料溫度的穩(wěn)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(jié)構(gòu)使機身與機頭連接部位的流道更加暢通，不易出現(xiàn)積料現(xiàn)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(shè)計提出如下建議及方案:

(1)整個機頭采用錐形設(shè)計，保證膠料在流道內(nèi)穩(wěn)定流動。

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

(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(jié)束語

大截面超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出不同于其它規(guī)格交聯(lián)電纜，同樣的擠出機，小規(guī)格電纜絕緣擠出沒能表現(xiàn)出來的缺陷在大規(guī)格電纜上卻表現(xiàn)得十分明顯。因此，大截面超高壓交聯(lián)電纜三層共擠機頭的選型、模具的設(shè)計和選配都是至關(guān)重要的，各個生產(chǎn)廠家的具體情況都不盡相同，模具規(guī)格的選擇還要根據(jù)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(shè)計［M］.光電線纜行業(yè)協(xié)會，1989.