一种新型超高压交联电缆绝缘挤出模具设计

王福志,吴 刚,黄伟立

(浙江万马股份有限公司,杭州 311305)

0 引言

随着电网容量逐年加大,超高压电缆的需求逐渐向更大截面、更高电压等级发展,额定电压220 kV、导体截面2 500 mm2的交联电缆已经成为常态化需求[1]。高压、超高压电缆绝缘挤出通常采用三层共挤方式,即导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共用一个机头同时挤出。传统的三层共挤模具(包括国外引进设备的模具)在绝缘挤出过程中会出现界面突起、竹节、屏蔽起皱、合胶缝明显、划伤线较多、外观不圆整等缺陷,其中界面突起、屏蔽起皱是超高压交联电缆的致命缺陷[2]。大部分电缆厂家依靠选择合适的屏蔽料和绝缘料来适应挤出机的特定要求。这是一种权宜之计,没有从根本上解决问题。近年来,超高压绝缘料和屏蔽料的研制国产化呼声越来越大[3],将来会出现多厂家、多牌号材料不停地切换使用的情况,因此开发设计一种新型的适应性强的超高压电缆绝缘挤出模具是亟待解决的课题。

本工作基于塑料成型原理,对超高压电缆绝缘的三层共挤模具的口径形式进行了改进,消除界面突起等缺陷,提高电缆产品质量。

1 传统的三层共挤模具

三层共挤模具采用的是挤压式模具,三层共挤模具断面示意见图1。挤压式模具的特点是:熔融的塑料是靠压力通过模套实现最后的定型,挤出的塑层结构紧密,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形式[4]。

图1 三层共挤模具断面示意图

传统形式的三层共挤模具有一定的局限性,针对某一种物料有很好的挤出表现,但是换一种材料,会经常出现外屏颗粒、合胶缝明显、界面突起超标、内外屏划伤线较多等不良现象。

2 新型模具设计

2.1 设计原理

传统的三层共挤模具无论是模芯还是模套,在模口处都有一个平直的承径区,承径区是绝缘定型的关键部位,挤出过程中屏蔽层和绝缘层进入承径区后基本定型,不会再来回流动,以确保绝缘线芯外径的均匀。但正是由于承径区的平直形式的存在,有些绝缘料或屏蔽料会在模口粘有粉末状的物质,该物质是绝缘料或屏蔽料在挤出过程中的析出物,俗称“流涎”。模口粉末的存在会造成屏蔽和绝缘界面不光滑,形成突起或者小颗粒等不良现象。为了完全避免这一现象,需要对模具承径区加以改进,本工作主要针对模具的模芯2 和模套进行改进。

根据“离模膨胀”原理[5],熔体塑料在出模口时压力得到释放,熔体的断面尺寸大于模具端口尺寸,在模具端口处会留有大量的粉末。本工作将模具端口处设计为敞开式,熔体在出模前得到充分舒展和缓慢释放,避免端口形成“流涎”,改造后的新型模芯2 和模套的断面示意见图2 和图3。模具内表面的交接面均为大圆弧,熔体在模具内部的行程略有增加,可促进熔体进一步融合并塑化均匀,避免了“流涎”现象的产生。

图2 新型模芯2 断面示意图

图3 新型模套断面示意图

模芯2 和模套外形尺寸、内锥角、外锥角等通用尺寸由各自挤出机机头加以确定,本设计的模具主要是模具端口处的形状设计,并给出相应尺寸确定理论公式。

由图1～图3 可知,新型模芯2 和模套的模口为敞开式,熔体在离开模口时不会出现膨胀现象,避免“流涎”生成。

2.2 配模尺寸

2.2.1 模芯2 尺寸

模芯2 内侧是导体屏蔽层,导体屏蔽层的厚度通常在1.0～2.0 mm,厚度相对较薄,其承径长度不宜太长,避免焦烧颗粒产生。承径长度L1和L2通常控制在5～10 mm 范围。模芯2 内部尺寸由下列公式计算得出:

式中:d1为模芯2 承径区内径,mm;dc为导体外径,mm;tis为导体屏蔽厚度,mm。模芯2 的β角一般取6°～10°。

2.2.2 模套尺寸

挤压式模具不必考虑配模系数和拉伸比等因素[6],需要考虑热态下外径尺寸与冷态时的外径尺寸关系,通常引入热膨胀系数α。

模套内侧工作面是导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽汇集处,内部尺寸由导体外径、绝缘线芯的外径、模芯2 尺寸等因素决定。承径长度L3为1 倍的绝缘厚度,开口区水平长度L4为2 倍的绝缘厚度。模套主要部位尺寸由下列公式计算得出:

式中:α为热膨胀系数,取1.15;Dos为绝缘屏蔽外径,mm;dc为导体外径,mm。

d3由模套的d4和模芯2 的d2可得

上述模具设计打破了三层共挤模具的常规设计,尤其是模套承径区内径d3、开口区d4的尺寸确定与以往模具设计不同,需要考虑离模膨胀尺寸与模具内径的关系,从而引入了热膨胀系数α。新型模具设计的特点是挤出压力得到缓慢释放、确保绝缘线芯外径均匀,开口区的形状可以有效避免“流涎”的生成,消除导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层之间的界面颗粒、界面突起、界面划伤线等不良现象,提高产品质量。

3 效果验证

验证的样品规格均为220 kV-2500 电缆绝缘线芯,分别进行合胶缝刮磨检测、绝缘与半导电屏蔽层界面突起检测、屏蔽层与绝缘界面划伤线检查、外观检查和圆整度检测。

3.1 合胶缝刮磨检测

模拟施工现场操作程序,将绝缘屏蔽沿圆周方向刮磨一部分,观察合胶缝处界面突起情况,不同模具生产的绝缘屏蔽合胶缝刮磨后情况见图4。由图4 可见,新型模具生产的绝缘线芯无目力可见的界面突起。

图4 绝缘屏蔽合胶缝

3.2 绝缘与半导电屏蔽层界面突起检测

按国家标准GB/T 18890.1—2015 附录H 的测试方法取样切片,对绝缘与半导电屏蔽层界面的突起进行测试,界面突起情况见图5。在放大40 倍测量显微镜下进行观测,传统模具生产的绝缘线芯界面突起为87 μm,新型模具生产的绝缘线芯界面突起不大于50 μm。

图5 界面检测

3.3 屏蔽层与绝缘界面划伤线检查

取绝缘线芯长度50～100 mm,去掉导体。将其端面切削整齐洁净,放入硅油,加热至135 ℃呈透明状,目力观察绝缘和屏蔽界面的划伤线情况,界面情况见图6。传统模具生产的绝缘线屏蔽层与绝缘层界面有目力可见的划伤痕迹,新型模具生产的绝缘线芯屏蔽层与绝缘界面无目力可见的划伤线。

图6 导体屏蔽界面

3.4 验证测试结果对比

根据上述方法对绝缘线芯样品进行测试,测试结果见表1。

表1 测试结果对比

由表1 可知,使用新型模具消除了屏蔽层与绝缘层界面划伤痕迹和小颗粒,对半导电屏蔽层与绝缘界面的突起有了明显改善,界面突起符合国家标准要求,收到了较好的效果。

4 结束语

针对导体屏蔽和绝缘屏蔽“流涎”造成的不良现象,本工作设计了三层共挤模具的模芯2 和模套,适当加长该模具的内部流道、挤出压力由小到大,在端口有个释放过程,可有效避免“流涎”产生,具有成型好、适应性强等特点。