交聯(lián)聚乙烯絕緣低壓電纜絕緣熱收縮案例分析

賈璐璐 吳明孝

（1.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜因其耐熱好、機(jī)械強(qiáng)度高、負(fù)載能力強(qiáng)等性能，被廣泛應(yīng)用于電力線路建設(shè)中。絕緣熱收縮性能作為電纜的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，一旦在使用中電纜出現(xiàn)熱收縮過大，將導(dǎo)致熱收縮端頭部位導(dǎo)體裸露，發(fā)生電纜擊穿或觸電事故，影響線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。小截面低壓交聯(lián)聚乙烯電纜更容易出現(xiàn)這種情況［1］，尤其是很難達(dá)到GB/T 12706—2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的絕緣熱收縮率不大于4%的要求。針對以上問題，本研究結(jié)合實(shí)際案例，對檢測方法、原因分析和提升措施進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 檢測方法

1.1 檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

本研 究 依據(jù)GB/T 12706.1—2020［2］和GB/T 2951.13—2008［3］標(biāo)準(zhǔn)對電纜進(jìn)行檢測。

1.2 檢測過程

1.2.1 取樣。在被抽取電纜上距離端頭大于0.5 m的位置切取一根長度約為1.5L長度的被試樣品。按照GB/T 12706.1中的相關(guān)規(guī)定，L應(yīng)為200 mm。當(dāng)電纜產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范有特殊要求時(shí)，應(yīng)以具體要求為準(zhǔn)。

1.2.2 制樣。除了擠包工藝形成的半導(dǎo)電屏蔽層外，應(yīng)及時(shí)去除所有包覆在絕緣線芯上的護(hù)套等護(hù)層。然后在取樣5 min內(nèi)，對每一相絕緣線芯樣品的中部標(biāo)記上L±5 mm的長度，并準(zhǔn)確測量標(biāo)記的實(shí)際距離，精度為0.5 mm。最后,在樣品兩頭端部與標(biāo)記相距2～5 mm的位置處切除絕緣。

1.2.3 試驗(yàn)。將樣品放置在水平支架上，并放入空氣烘箱中，按照GB/T 12706.1中的規(guī)定，在130℃中加熱1 h。然后從烘箱中取出樣品，并放在空氣中進(jìn)行冷卻，待冷至室溫后，再次測量每相樣品標(biāo)記間的距離，精度為0.5 mm。

1.2.4 計(jì)算。根據(jù)前后兩次測量結(jié)果，計(jì)算樣品的絕緣收縮率，也即加熱前測量標(biāo)記距離和冷卻后測量標(biāo)記距離的差，與加熱前測量標(biāo)記的距離進(jìn)行對比，并根據(jù)GB/T 12706.1中規(guī)定來判定是否合格。

1.3 結(jié)果判定

絕緣收縮試驗(yàn)要按照GB/T 2951.13—2008中相應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測。結(jié)果應(yīng)符合GB/T 12706.1—2020中的規(guī)定，樣品絕緣收縮最大允許收縮率為4%。

2 不合格案例

2022年03月29日，國網(wǎng)某供電公司送檢一根規(guī)格型號為額定電壓0.6/1 kV的鋁芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套阻燃C類電力電纜ZC-YJLV22-0.6/1KV 4×240。對送檢樣品按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行絕緣收縮試驗(yàn)，樣品四相絕緣收縮率不符合最大允許收縮率為4%的要求?？膳卸ㄔ撍蜋z樣品的絕緣收縮試驗(yàn)不合格。具體情況見表1、圖1。

表1 檢測數(shù)據(jù)表

3 問題產(chǎn)生的原因分析

3.1 絕緣熱收縮原理

聚乙烯（PE）作為生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的主要原料，通常呈結(jié)晶態(tài)。當(dāng)控制溫度變化處于其熔融態(tài)和玻璃化態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，PE分子會因分子間的作用力而重新排列，形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在絕緣被擠出過程中，塑性流態(tài)的聚乙烯分子晶體沿拉伸方向伸長、沿垂直方向壓縮，分子的有序性得到提升，發(fā)生取向應(yīng)變。因絕緣冷卻時(shí)間較短，伴隨應(yīng)變而產(chǎn)生的應(yīng)力未得到完全釋放，在實(shí)際使用中，內(nèi)應(yīng)力會隨外力或溫升逐漸釋放，使得絕緣層發(fā)生一定程度的收縮，這就是聚乙烯絕緣的熱收縮現(xiàn)象［4］。

3.2 絕緣熱收縮不合格的原因

圖1 A相標(biāo)記間長度

電纜絕緣熱收縮性能的主要表征為電纜的交聯(lián)聚乙烯絕緣在受熱狀態(tài)下收縮比率，用其來反映生產(chǎn)過程中的殘留熱應(yīng)力的變化情況。該項(xiàng)性能不合格的原因體現(xiàn)在生產(chǎn)過程中的方方面面，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)廠家對擠塑、冷卻等工序的工藝參數(shù)選取錯誤或未嚴(yán)格按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)文件要求執(zhí)行等。

3.2.1 擠塑方式。擠塑模分為擠壓式、擠管式和半擠管式3種，三者的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是內(nèi)部模芯管狀承徑的長短，二是內(nèi)部管狀承徑與外部模套之間的相對位置［5］。擠壓式擠塑模主要由內(nèi)部模芯與外部模套夾角的擠壓力將塑料擠壓在線芯上，擠出的絕緣層緊密結(jié)實(shí)，嵌入線芯間的間隙，外表面光滑，絕緣強(qiáng)度性能可靠，但出膠量較低、速度慢、不易調(diào)偏心。擠管式模具擠出的塑料要先擠在管狀承徑上，而不是直接擠在線芯上，并在牽引作用下沿管狀承徑向前移動，隨后包裹在線芯上，因此出膠速度快、易調(diào)偏心，但因擠壓力較小，絕緣層致密性較差，與導(dǎo)體間的黏附力降低，使用中容易產(chǎn)生較大收縮。半擠管式模具綜合擠壓式和擠管式的優(yōu)點(diǎn)，易調(diào)偏心，且包緊力大［6］。

3.2.2 擠塑溫度。在塑料的擠出過程中，溫度對交聯(lián)聚乙烯分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和塑料流體黏度狀態(tài)的轉(zhuǎn)變決定性作用。若溫度過高，會導(dǎo)致出膠量和出膠速度不可控，穩(wěn)定性較差，形成的成品絕緣厚度不均勻，導(dǎo)致絕緣熱收縮試驗(yàn)不合格。若溫度過低，則會造成塑料流動性差，出膠表面粗糙，交聯(lián)不充分，導(dǎo)致絕緣熱收縮不合格。

3.2.3 冷卻方式。電纜絕緣被擠出后，通常采用水冷的方式進(jìn)行冷卻，該過程是將塑料流體從大于融溫度的區(qū)間范圍降低至小于玻璃化溫度的區(qū)間范圍，這個(gè)過程中降溫速度的快慢對絕緣料的結(jié)晶效果起決定性作用。若降溫速度過快，會在絕緣層中產(chǎn)生較大的應(yīng)力。放慢冷卻速度，絕緣層能充分冷卻，絕緣分子取向較易完成，絕緣熱收縮率得到降低。

3.2.4 試驗(yàn)操作。試驗(yàn)操作也會對絕緣熱收縮試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。一是制取樣品畫標(biāo)記的時(shí)間要控制在5 min以內(nèi)，并盡可能短，防止絕緣材料受到環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生熱脹冷縮，導(dǎo)致標(biāo)記線間距離產(chǎn)生誤差。二是烘箱應(yīng)定期校準(zhǔn)，保證加熱溫度的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，避免因溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致絕緣熱收縮不合格。三是確保試樣放置在支架上是水平的，或放置在滑石粉表面上為平放狀態(tài)，使得樣品的絕緣層能完全自由伸縮，避免樣品傾斜導(dǎo)致測試精度誤差。

4 結(jié)語

綜上所述，為避免交聯(lián)聚乙烯絕緣低壓電纜出現(xiàn)案例所述的絕緣熱收縮不合格的情況，建議采取以下措施。①在電纜生產(chǎn)中，應(yīng)選擇合適的模具和拉伸比，提高對擠出材料緊密度的重視，避免絕緣熱收縮不合格。②建議采用緩冷、分段水槽進(jìn)行冷卻，縮小溫差范圍，避免因冷卻過程中絕緣層內(nèi)部殘留過多應(yīng)力而引起絕緣熱收縮不合格。③嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)檢測，降低干擾因素的影響。