基于正交试验设计的220 kV级超高压电缆绝缘料配方优化

刘美兵,姜新梅,刘敬锐

(浙江万马高分子材料有限公司，浙江临安 311305)

0 前言

随着城市电网改造,大型项目建设带动国内220 kV级超高压电缆需求持续增长，为220 kV级超高压电缆绝缘料提供了稳定的需求保证。目前,我国电力电缆制造业已经取得了长足的发展，220 kV级超高压电缆已实现国产化,但是220 kV级超高压电缆绝缘料产品长期被国外企业垄断;因此,220 kV级超高压电缆绝缘料的国产化进程刻不容缓。浙江万马高分子材料有限公司选择220 kV级超高压电缆绝缘料进行国产化创新研究,笔者针对该研究中的配方进行正交试验,得出最优配方条件。

1 正交试验设计

为了考察各因素对结果影响的显著性，以确定最佳的工艺方案，往往需要对许多参数进行试验验证。在多参数组合的情况下，试验次数较多。随着因子数和因子水平的增加，试验次数急剧增多，一方面，使试验成本难以负担，另一方面，使试验周期变长，有时甚至无法完成试验。因此，为了使试验数据具有代表性，如用较少的试验次数而获得所需的信息，以及使试验数据具有较好的统计分析性质，就要求人们事先对试验做出合理的安排。

正交试验设计[1]利用正交表安排试验因子及因子水平的优化组合，能够在许多试验方案中挑选出代表性最强的少数几个，并通过对这些方案试验结果的分析，推断出最优方案。同时，还可以通过进一步的分析，得到比试验结果本身更多的有关各因素的信息[2]，节约人力、物力和时间，增加企业的经济效益。

正交表Ln(Sr)是正交试验设计的基本工具，其中:L表示正交表;n表示正交表的横行数，即可安排试验的次数;r表示正交表的纵列数，即最多可安排试验因子的个数;S表示每个试验因子的水平(位级)。

2 配方探索

2.1 试样原料

低密度聚乙烯，市售(高清洁度)；

抗氧剂，4,4′-硫代双(6-叔丁基间甲酚)(TBM-6)，美国大湖公司；

交联剂，过氧化二异丙苯(DCP)，江苏道明化学有限公司；

助剂，含不饱和双键烯烃，浙江万马高分子材料有限公司；

国外主流220 kV化学交联聚乙烯(XLPE)绝缘料1(简称进口样1)和绝缘料2(简称进口样2)。

2.2 配方问题的引出

为了保证配方开发的良好效果，浙江万马高分子材料有限公司项目组对本公司生产的YJ-110绝缘料(简称YJ-110)与进口样1和进口样2进行了性能对比分析[3]，以期找出YJ-110的不足之处，明确研发方向。对比结果见表1和表2。由表1可以看出：YJ-110、进口样1和进口样2的常规性能大同小异。由表2可以看出：在非常规性能测试中，YJ-110有2项明显的不足,即挥发分质量分数的难以控制和非常规老化时间问题。这也正是该项目的主要研究方向。

表1 常规性能对比结果

注：1)脆化性能试验温度为-76 ℃,总数量为30; 2)d为杂质粒径。

表2 非常规性能对比结果

2.3 试验目的和试验指标

试验目的：开发220 kV级超高压电缆绝缘料的国产化优化配方。

试验指标：挥发分质量分数和非常规老化时间。其中,挥发分质量分数越小越好，非常规老化时间越长越好[3]。

2.4 因子水平表

影响220 kV级超高压电缆绝缘料配方效果(挥发分质量分数和非常规老化时间)的因素主要有：抗氧化剂质量分数、交联剂质量分数和助剂质量分数。试验中，项目组将上述3项作为试验因子A、B、C，对每个因子各取3个水平(见表3)。

表3 配方试验的因子水平表

3 试验结果分析

通过查正交表，选择L9(34)安排试验,试验结果见表4。

表4 非常规性能对比结果

3.1 直观分析

由表4可以看出：

(1)对于挥发分质量分数指标，第6号试验结果为1.50%，试验效果最好，试验条件为A2B3C1(即抗氧化剂质量分数为0.2%，交联剂质量分数为1.4%，助剂质量分数为0.1%)。

(2)对于非常规老化时间指标，第5号试验结果为205 min，试验效果最好，试验条件为A2B2C3(即抗氧化剂质量分数为0.2%，交联剂质量分数为1.8%，助剂质量分数为0.5%)。

3.2 极差分析

直观分析结果只是给出了已做的9次试验中最好的配方条件。事实上，3因子3水平总共可以安排27次试验。因此，需要通过极差分析来发现27次试验中最好的配方条件。

分别针对挥发分质量分数和非常规老化时间指标计算各因子不同水平的均值和极差，计算结果见表5和表6。

表5 挥发分质量分数均值和极差 %

表6 非常规老化时间均值和极差 min

由表5、表6可以看出：

(1)对于挥发分质量分数指标，因子的显著性顺序从大到小排列为RB>RC>RA。

(2)对于非常规老化时间指标，因子的显著性顺序从大到小排列为RA>RB>RC。

3.3 方差分析

对挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标，针对影响因素——抗氧化剂质量分数、交联剂质量分数和助剂质量分数，分别进行方差分析,结果见表7、表8[4]。

由表7、表8可以看出：交联剂质量分数对挥发分质量分数指标影响高度显著，在配方参数选择时，应充分考虑其对挥发分质量分数指标的影响。

3.4 趋势图分析

为了进行趋势分析，寻找更好的配方因素组合水平，根据试验数据，求出挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标的主效应影响(见图1和图2)。

表7 挥发分质量分数的方差

表8 非常规老化时间的方差

3.5 试验结果综合分析

鉴于衡量配方效果的主要指标有2个：挥发分质量分数和非常规老化时间，因此，需要对二者的影响因素进行综合分析。

对于抗氧化剂质量分数，无论是哪个指标，第2个水平都是最好的，所以，抗氧化剂质量分数取第2个水平。

交联剂质量分数对挥发分质量分数指标影响高度显著，而对非常规老化时间指标影响不显著，所以，可主要考虑其对挥发分质量分数指标的影响，取第3个水平。

助剂质量分数对挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标影响均不显著，但由极差分析可知，其对挥发分质量分数指标影响排第2位，而对非常规老化时间指标影响排在第3位(最后位)，可主要考虑其对挥发分质量分数指标的影响，取第1个水平。

(a)A

(b)B

(c)C

(a)A

(b)B

(c)C

综合来说，最终确定各因子最优组合应为：A2B3C1。

4 配方优化试验

根据试验方案安排和分析，得到了9次试验中配方因子水平的最优组合;但根据趋势图可知，可能还存在更好的配方因子组合水平。

综合考虑挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标的因子水平组合及主效应影响图，进行二次优化试验设计。此时，对因子水平的选择见表9。

表9 配方优化的因子水平表

应用正交表L9(34)再次安排试验，试验结果见表10。

表10 配方优化试验安排及试验结果

4.1 直观分析

由表10可以看出：

(1)对于挥发分质量分数指标，第6号试验结果为1.47%，试验效果最好，试验条件为A2B3C1(即抗氧化剂质量分数为0.2%，交联剂质量分数为1.4%，助剂质量分数为0.1%)。

(2)对于非常规老化时间指标，第5号试验结果为221 min，试验效果最好，试验条件为A2B2C3(即抗氧化剂质量分数为0.2%，交联剂质量分数为1.6%，助剂质量分数为0.3%)。

4.2 极差分析

对试验结果进行均值及极差计算，结果见表11和表12。

表11 挥发分质量分数均值和极差 %

表12 非常规老化时间均值和极差 min

由表11、表12可以看出：

(1)对于挥发分质量分数指标，最好的试验条件是A2B3C1，因素的显著性顺序从大到小排列为RB>RA>RC。

(2)对于非常规老化时间指标，最好的试验条件是A2B2C3，因素的显著性顺序从大到小排列为RA>RB>RC。

4.3 方差分析

对挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标，针对影响因素——抗氧化剂质量分数、交联剂质量分数和助剂质量分数，分别进行方差分析,结果见表13、表14。由表13、表14可以看出：交联剂质量分数对挥发分质量分数指标影响高度显著，配方参数选择时，应充分考虑其对挥发分质量分数指标的影响。

表13 挥发分质量分数的方差

表14 非常规老化时间的方差

4.4 二次优化试验结果的综合分析

鉴于衡量配方效果的主要指标有2个：挥发分质量分数和非常规老化时间，因此，需要对二者的影响因素进行综合分析。

(1)对于抗氧化剂质量分数，无论哪个指标，第2个水平都是最好的，所以抗氧化剂质量分数取第2个水平。

(2)交联剂质量分数对挥发分质量分数指标影响高度显著，而对非常规老化时间指标影响不显著，所以，可主要考虑其对挥发分质量分数指标的影响，取第3个水平。

(3)助剂质量分数对挥发分质量分数指标和非常规老化时间指标影响均不显著。而由表11和表12可知，3个不同水平对2个指标的影响都是最小的，于是，可从成本的角度来考虑，取第1个水平。

综合来说，最终确定各因子水平组合应为：A2B3C1(即抗氧化剂质量分数为0.20%，交联剂质量分数为1.4%，助剂质量分数为0.1%)。

5 结 语

笔者应用L9(34)正交表，针对影响浙江万马高分子材料有限公司220 kV级超高压电缆绝缘料配方效果三大因素：抗氧化剂质量分数、交联剂质量分数和助剂质量分数，安排并进行一次和二次优化的正交试验。经过试验结果分析和论证，得出最优配方条件为：抗氧化剂质量分数为0.20%，交联剂质量分数为1.4%，助剂质量分数为0.1%。

利用正交试验设计既可以避免试验次数的盲目增大，加快试验进程，既节约了人力、物力和时间成本，又增加了企业的经济效益，有必要在广泛的科研和生产实践领域中，推广该方法的应用。