浅谈高压交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘挤制与质量控制
本文是笔者根据从事多年中、高压交联聚乙烯绝缘电力电缆生产的实践经验，探讨在挤制交联聚乙烯绝缘电力电缆过程中容易引起产品质量的主要问题及其控制方法。
一、引言
近年来，随着国民经济较快的增长和国内城市电网的不断完善改造，交联聚乙烯电缆作为电力电缆的主流产品已广泛应用于输电线路和配电网中，110kV和220kV电压等级已基本采用交联聚乙烯电力电缆，提升高压电缆的运行可靠性水平，是加强电网资产全寿命管理的重要内容。高压交联聚乙烯电力电缆质量事故也时有发生，给国民经济带来巨大损失，发生质量事故的主要原因，除电缆的敷设以及运行管理因素外，电缆绝缘的本体质量水平也是一个相当重要的原因，因此在电缆制造环节，保证电缆绝缘是至关重要的，本文通过总结多年的生产经验，在生产高压交联工序中，提出影响交联质量问题的原因和控制方法。
二、绝缘材料预交联问题
按VCV最新技术生产的交联电缆，影响其性能的主要因素是：杂质、微孔和突起，其中以杂质为最。采用超净可交联聚乙烯绝缘料来控制初始纯净度，绝缘材料经过长时间连续生产时，就必须要保证有良好的工艺参数和严格的工艺手段控制，这样才能保证优质的产品和高的生产效率。聚乙烯绝缘在生产过程中有时会出现胶块，有的呈浅黄色，这就是绝缘材料的预交联现象。因绝缘料在挤出机内出现预交联进而在绝缘内部形成料块，绝缘内部存在淡黄色预交联料块，可视为绝缘杂质，如果料块分布在绝缘边缘，会在绝缘层与屏蔽层的界面形成突起。这种预交联产物严重影响电缆绝缘的质量，针对绝缘材料预交联问题，可以采取如下措施：
1.工艺温度控制
对于这种现象解决的办法是合理调整挤出温度，首先应考虑原材料的加工温度，一般来说进口料的加工温度略高于国内料，这是由于进口料与国内材料所使用的交联剂过氧化二异丙苯(DCP)含量不同，挤出温度直接影响交联剂DCP的半衰期（见表1）。其次要注意法兰处的温度控制，由于法兰直接连接导胶管，绝缘料从机筒进入导胶管时所承受较大的压力，部分料受压力进入导胶管，有一部分仍处在回流，假设该处温度设得过高，很容易产生焦粒。另外，机头加温时要尽可能使温度保持均匀，温度不均匀会影响料的均匀挤出，且机头温度不宜过高，只要保持设定温度即可，它就相当于保温瓶的作用，因物料的熔融，均化都已在螺杆内完成。
表1 DCP不同温度下的半衰期
绝缘料加工温度范围控制在115-120℃之间，屏蔽料加工温度范围控制在112-116℃之间。
2.生产时间控制
长时间的生产，预交联产物会在挤出机过滤网处大量堆积，造成挤出压力逐渐增大，通过多年观察，正常生产超过3天后，挤出压力开始有所增加，7天后挤出压力会增加30-40bar，这种情况下，挤出机过滤网容易被冲破。为确保产品质量，正常生产时间推荐如下：110kV不超过7天，220kV不超过5天。
3.制定严格的操作规程
需要制定严格的操作规程，严格按规程进行操作，操作人员必须严格按操作规程拆装机头，工具尽量用铜工具，轻拿轻放，保持设备的完整度。如机头或过滤板有损伤，在长时间生产中，损伤的部位导致料的流道不畅通，引起积料，积料长期堆积就会预交联。
三、绝缘的热应力问题
交联聚乙烯是一种半结晶半无定形的片状交叉结构，晶片厚约10-3μm，可用高倍电镜观测。交联聚乙烯的无定形体质地相对疏松，容易吸收水分和水分中的杂质，是产生水树的根源[1]。尤其是晶体和无定形体之间的界面由于热应力的存在容易造成开裂，最终导致电缆击穿。所以消除绝缘热应力、使绝缘的结晶态增加、使晶体和无定形体界面紧密地结合在一起，是提高绝缘品质的有效途径。
1.加装在线热应力松弛系统
在VCV超高压交联生产线上加装在线热应力松弛装置（Relaxation），当绝缘冷却后又重新加热到交联聚乙烯的结晶温度以上，然后再冷却，使交联聚乙烯结晶更充分，并使绝缘的结晶体与不定形体界面结合更加紧密；有效的消除绝缘热应力，改善了绝缘的热收缩，从而提高了绝缘强度。
2.合理控制硫化管各段温度分布
在交联聚乙烯绝缘挤制的过程中，绝缘线芯经过高温交联进入冷却管，因温差的存在，在绝缘层中产生了径向应力，交联的温度越高，这种拉应力越明显，热应力的存在会使绝缘产生微小裂纹，造成绝缘性能的严重下降。为避免热应力的危害，浙江万马股份有限公司的设备组件中，交联管的预冷段、冷却段都加长，采用特定的NCC模拟硫化程序，将交联过程中的绝缘表面温度严格控制在250—280℃，并安装冷却塔降温冷却系统，把热交换器的出水温度控制在35℃以内，这样能够最大限度的消除热应力对电缆的危害，提高绝缘的品质。
△NCC软件截图-硫化管温度
四、影响绝缘偏心度的因素
绝缘偏心度是影响电缆产品质量的重要因素，当绝缘厚度不均匀产生偏心后，电场发生畸变，在绝缘厚度薄的一侧导体屏蔽上的最大场强将会增加。当电场畸变达到Ep／Ev≥1.07时，使用寿命将缩短一半[2]。所以超高压电缆绝缘的偏心度应通过以下措施严格控制。
1.挤出模具设计和匹配
尺寸基本决定了制品的尺寸，对于高压交联电缆来说，导体绝缘屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层同时挤出，即三层共挤，应采用组合挤压式模具，方能使屏蔽、绝缘材料挤出致密均匀，界面平整光滑，模具尺寸依据制品尺寸、材料性能而设计，良好的模具是保证制品参数符合设计要求的前提，否则不仅会导致偏心度超标且还会产生其它质量缺陷。
2.合理控制硫化温度
在VCV生产线中，绝缘线芯在没有冷却充分的情况下，直接进入压力转向轮，将会导致绝缘线芯压成椭圆状，破坏绝缘线芯的圆整度和绝缘的偏心度。因此，硫化管温度需要合理控制，将交联过程中的绝缘表面温度严格控制在250—280℃，并安装冷却塔降温冷却系统，把热交换器的出水温度控制在35℃以内，最终将导体温度控制在70℃以下，确保绝缘线芯在回转盘处不发生变形。
3.悬链生产线绝缘偏心度控制
悬链生产线生产高压电缆时，绝缘偏心度控制相对比较困难，通常采取了多项措施：
（1）绝缘材料采用熔体指数MI较低的材料，MI通常为1.0kg/10min；
（2）采用预冷系统，绝缘线芯在进入硫化管之前，先进行冷却处理，让绝缘线芯固化；
（3）采用旋转牵引防止绝缘重力下垂。
五、开机前的检查
笔者通过多年的生产经验，总结了一下在开机前应注意检查的一些细节：
首先挤出机和机头清理一定要干净，若存料在机身或机头内发生粘连，时间一长产生预交联焦粒；
模具选用要正确，必须严格检查模具的模口是否完好，特别是模芯2，如果它存在缺陷的话，对绝缘和内屏蔽都会产生质量隐患；
加温时要检查各个热电偶有无需插，卡扣是否卡住，防止由温度原因导致的焦粒。加温的时间一定要够（机头加温不少于2.5小时，原材料加温不少于4小时），温度不够会引起塑化不良产生硬块，一般出现在开机过程中，在绝缘中形成一个凸起物，在外屏蔽下，交联线芯表面出现单面竹节印；
开机前确认氮气的浓度，氮气的浓度应控制在99.5%以上，这样能够有效的保证热延伸值达到要求同时防止绝缘、绝缘屏蔽焦化变色和热老化不合格，很多电缆公司受到过客户的投诉，绝缘屏蔽掉色，也是由于氮气浓度问题引起的。因此笔者建议使用液氮，用液氮是防止由于氮气浓度不合格引起的质量问题最有效的办法。
六、绝缘的硅油试验
为了保证绝缘质量，除了对绝缘外观、结构尺寸、热延伸等项目进行检验以外，生产过程中需要增加行之有效的检验方法对导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽内部的气孔、凸起和杂质进行检测，硅油试验就是一种国家标准未规定的、却非常实用的一种检验方法，将绝缘线芯取20mm-30mm剔除导体，放在温度120℃-130℃的硅油中煮至透明，可观察绝缘中的杂质、气泡和界面凸起情况。
△硅油试验
七、结论
随着我国电力工业的不断发展，先进的电缆设备已进入国内大部分企业，工艺和工装模具的精度也越来越高，这给生产高质量的交联电缆提供了必要的保证，然而为使我国电缆工业赶上国际先进水平还需在材料的选取、材料的生产环境、电缆工艺质量管理等方面不断的努力，使我国的电缆制造技术水平再上一个台阶，为我国电力电缆走向世界而共同努力。
参考文献
[1]蒋佩南.国产交联电缆的生产和运行经验[C].交联电缆专题研讨会2002年会论文集
[2]王琨明.电力工业对交联电缆质量和性能要求[C].1997年电力电缆（交联）技术工艺设计研讨会,青岛