中压交联聚乙烯绝缘电缆绝缘偏心度的控制

周建 温鹏 李楷东 周优 李楷纯

摘要：绝缘偏心度的控制一直是中压电缆制造过程的产品质量、制造成本和工艺控制的难点，是输配电作业采购中的重要关键指标之一。通过分析三层共挤绝缘层在生产制造、材料选用、工艺工装中形成偏心的潜在因素，结合产品技术规范要求，进行数学建模计算，制定产品工艺参数关联性适配表，用于指导绝缘层偏心度的有效控制。经长期实践表明，产品偏心度控制得到提升，制造成本降低，直接创造经济效益。

关键词：中压;交联聚乙烯绝缘;偏心度;控制方法

中图分类号：TM247文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）12-0258-05

Control of Insulation Eccentricity of Medium Voltage XLPE Insulated Cable

Zhou Jian，Wen Peng，Li Kaidong，Zhou You，Li Kaichun

（ Guangzhou Nanyang cable group Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511356，China ）

Abstract：The control of insulation eccentricity isalwaysthedifficulty of product quality，manufacturing cost and processcontrolin themanufacturing process of medium voltage cable，and it is one of the important key indicators in the procurement of power transmission anddistribution operation. By analyzing the potential factors of eccentricity in the manufacturing，material selection and process tooling of three-layer co extrusion insulation layer，combined with the requirements of product specifications，the mathematical model calculation was carried out， and the product process parameter relevance adaptation table was formulated to guide the effective control of insulation layer eccentricity. Thelong-term practice shows that the product eccentricity control is effectively improved，the manufacturing cost is reduced，and the economicbenefits are directly created.

Key words：medium voltage;XLPE insulation;eccentricity;control method

0引言

中压电缆作为输配电系统的重要产品，绝缘偏心度的要求，是产品重要的一项技术指标，国家标准 GB/T 12706. 2-2020及GB/T 12706. 3-2020对中压电缆绝缘线芯偏心度的要求是不大于15%[1-2]。随着国网、南网等输变电系统对中压电缆产品质量日益提高，偏心度指标要求已大高于国标要求，国家电网（优质设备）及南方电网招标采购技术规范对绝缘偏心度的要求不大于8%[3-4]。在商务技术投标中竞争更是激烈，为体现企业的技术实力，电缆生产厂家更是主动大幅度提高对绝缘偏心度和最薄点厚度保障的质量承诺。这也考验一个电缆制造企业的制造技术、工装设备、质量控制的水平。

近年来，为提高绝缘偏心度的制造水平，生产企业纷引入先进导体制造工艺[5]、新装备技术在交联生产线的应用[6-9]、数学统计工具在品控的应用[10]，以减少生产过程中的质量缺陷[11]。通过绝缘生产过程中人、机、料、法、环、测等环节的分析，并利用绝缘厚度和偏心度及其要求建立数学关系，提升生产内控要求制定切实可行的作业规范指导生产。实践结果表明，方案有效提升了绝缘偏心度控制水平，节约了生产成本，满足了客户的高质量要求。

1 偏心度原因分析

1. 1 导体的因素

导体质量不过关是引起内屏蔽层最薄点异常出现和内嵌的重要因素之一，导体内屏蔽层的内嵌也会直接影响绝缘层的偏心度异常。

（1）导体圆整度的因素

导体单丝直径不稳定、导体单丝退火程度不一致、导体紧压程度不高、节距不合理，造成导体绞合后，更有个别单丝塑性变形不彻底有反弹，导致导体外层圆整服帖性不足。

（2）导体紧压度不足导致外层松散

因导体结构控制不到位，导体绞合松散，尤其导体上交联机前要多道导轮和储线器装置，在此过程中，导体绞合的松散程度会加大，到进入交联机三层共挤机头时，通过挤出压力，熔融的内屏蔽料会渗入紧压导体绞合单丝的间隙中，形成半导电屏蔽层内嵌的质量缺陷。三层共挤机头结构示意如图1所示。

1. 2 挤出温度因素和交联管各段的溫度因素

挤出温度特别是三层共挤机头的温度变化非常关键。挤出温度的高低不同，在很大程度上决定着机头内熔融的绝缘料及屏蔽料挤出压力的变化，粘流态物料的流速不均匀，将引起绝缘层偏心度的变化。另外，剪切力不同造成绝缘温度不均匀，材料流动速度不同，弹性变形不同，也是造成绝缘偏心的因素之一。

交联管交联各段的工艺温度因素。CCV 悬链交联生产线中影响绝缘下垂的几个重要因素如图2所示。交联线芯在挤出并进入硫化管道后的第一段管道温度设定，会对绝缘偏心造成相当的影响。特别是35 kV电压等级95 mm2及以下小截面中压交联聚乙烯绝缘线芯的偏心度要达到4%及以内的生产控制难度大：绝缘外径与导体直径（D/d）的比值越大，绝缘层相对较厚，生产过程中极易发生梨形下垂，同时冷却过程不充分，易造成绝缘线芯呈椭圆形，导致偏心度变化大，较难控制。

1. 3 设备因素

交联机设备的稳定是对绝缘偏心度影响的主要因素。当交联工序完成一个生产周期后，需要拆卸三层共挤机头时，因工人不按照设备操作规程进行机头拆卸，在拆卸过程中为了急于快速拆卸清理机头，使用野蛮的方式清理拆卸机头，造成三层共挤机头未可见损伤，当再次开机时，交联挤出会出现挤出波动，造成电缆偏心。其次是机头分流器流道设计不合理或者长期使用磨损，机头内粘流体分流不均衡，造成绝缘层厚度的不均匀。交联三层共挤机头的磨损情况及质量，设备的牵引同步性等因素，对电缆的生产控制极为重要。

2 交联偏心度的解决办法

2. 1 绞合导体上车前的严格检查

导体的质量对中压电缆绝缘偏心度的控制起到重要作用，在交联绝缘线芯生产过程中，首先严格检查导体的绞制质量，不满足交联工序生产导体内控标准的导体坚决不予流道。

首先，对中压电缆的导体使用无氧铜杆拉制绞线单丝，单丝偏差严格控制在工艺要求范围内，单丝的延伸率控制在33%～35%，导体外层紧压系数为0. 9，内层紧压系数为0. 87～0. 89，导体外层节径比控制在11～13倍，模具采用纳米模，其特点是耐磨損，能够保证线芯外径的稳定，符合工艺要求，且使用时间长。其次，上车前，严格检查导体相邻单丝的紧密度。各相邻单丝应紧密接触，用拨片强力拨动单丝时，不应产生目力可见的位移乃至缝隙。强力摁压每根单丝，不应有铜单丝的起伏变化。第三，通过上述的上车前检查措施，确认导体不松散后，再在过导轮和储线装置后，检查导体绞合紧致、不松散。

2. 2 材料物性的掌握和生产应用

导体屏蔽材料的流动性也是引起导体屏蔽内嵌的一个因素。熔融指数越大的材料，流动性越好，产生屏蔽层内嵌的风险越大。导体半导电屏蔽材料的熔融指数不超过1. 9 g/10 min。

中压交联聚乙烯绝缘电缆使用的绝缘料要求挤出温度在115～120℃，交联起硫速度快，能够在硫化段的管路中快速交联，硫化段管路温度设置为330℃～400℃，在生产过程中，8. 7/10 kV 电压等级的热态绝缘尺寸收缩率约为7%～10%，根据绝缘材料的收缩率，严格控制开机绝缘厚度，及时根据测偏仪反映的数据，进行绝缘各点厚度的调整。

2. 3工艺工装的适配使用

2. 3. 1严格选用适配的模具

通常内屏模芯选用导体实际尺寸+（0. 4～0. 6） mm，绝缘模芯选用内屏后外径+（0. 2～0. 8） mm。为了保证绝缘的质量，不使用大模套小模的跨2个规格生产的节约生产方式。机头拆卸和清理过程中，严格按照设备操作规范，避免各组件损伤，确保机头处于完好状态。

2. 3. 2 启用循环冷却系统和搓线器

根据绝缘线芯在交联硫化管中绝缘材料在热态环境下，熔融体未交联态、已交联态以及正在逐步交联的三种状态过程的相关性，特别是绝缘外径与导体直径的比值（D/d）较大时，可以采用以下两种措施。

（1）使用大循环冷却系统，充分保证线芯的冷却定型

进口端热处理系统（EHT）的原理即是通过液氮冷却循环系统，将从机头挤出的全截面熔融热态且尚未交联的绝缘粘流体从外层表面进行降温冷却处理，使得表面温度适当降低并具有一定的表面韧性张力，此时，由于温度较低的导体对内侧刚挤出的熔融热态且尚未交联的绝缘粘流体也具有降温作用，而具有一定的韧性张力。绝缘体中间层则一直处于热态的熔融粘流态，绝缘层越厚，中间的熔融态层就越明显。

图3所示为进口端热处理系统（EHT）的工作原理，形象地呈现了绝缘体在EHT 区段内，以导体为轴心从外到内在截面上的状态变化示意。由图可知，ETH 区段的循环冷却更大的作用。它事实上起到了隔离交联管加热段热氮气向机头高温传导的作用，通过冷氮气的循环，降低了交联管加热段的氮气对机头模具横断面的热冲击，有效避免绝缘外屏蔽层在机头的模套、模具口的交联（焦烧），减缓和避免胶料粘模的问题。

绝缘线芯在整个交联管内的行进过程中，从出机头开始，先后经过EHT 段、交联段、水气平衡段，进入水温较高的冷却段，再到水冷较低的冷却段，最后出下密封口，图4所示为绝缘层在整个过程中从外到内的熔融态和固态、熔体逐步受热交联到全部交联，再到交联体逐步冷却定型的全部转化过程。由图可知，绝缘层从外层起，在EHT 区中后段，降温的熔融体便开始自外而内快速起硫交联。在经过EHT 循环中进入交联加热段时再次被加温，并通过热传导，热量直达绝缘层导体侧，最终实现绝缘层全部完成交联，并在冷却段逐步降温至正常温度的交联固体状态。在此过程中硫化管道内水气平衡的控制也很重要，水气平衡高度要保持平稳，避免较大起伏。

图5所示为交联过程中，热传导过程中，绝缘体由外到内的交联、逐步交联、未交联的物质状态界面的转变。因EHT 区段的循环冷却，绝缘外层得以降温固化，韧性和强度增加，可以一定程度上缓解绝缘体的下垂。但因为在EHT 区段，存在一定高温熔融态的中间层，厚度越厚，导体截面越小，D/d 较大，更加明显，仍然存在绝缘体梨形下垂，或导体偏离轴线中心的问题。事实上，D/d 较大的绝缘体，EHT 循环系统只能一定程度的缓解，不能根治偏心问题，仍需要辅助于搓线器的解决。比如26/35 kV 95 mm2 以下绝缘线芯的生产。

（2）使用搓线器

依上所说，搓线器，也不是每个电压等级和每个规格都要使用。减轻热态绝缘体的梨形下垂，重点是电压等级较大、导体截面较小、绝缘外直径与导体外径（D/d）比值较大的、偏心度要求较高的产品上。

搓线器一般安装在交联生产线在交联下密封与下牵引之间，如图6所示。通过调整搓线速度，转动导体，以减轻热态绝缘体因重力下垂形成梨形的偏心。搓线器速度主要根据导体直径、绝缘厚度、交联管温度和线芯行进速度进行设定。

（3） EHT 进口端热处理循环系统和搓线器的配合使用

通过由原来采用放慢速度生产、交联管第一段不加温生产的生产方式改为交联管第一段通过实行液氮循环强制冷却。把第一段交联管内实际控制在50℃以下，让线芯及时冷却定型，并在下牵引前的搓线设备作用下，让线芯不停反复旋转，防止绝缘层熔体下垂。上述措施的应用，可有效解决了35 kV 电压等级95 mm2及以下截面偏心度及椭圆度达标，提高整个机组的生产速度，有效地保证产品质量。

2. 4三层共挤绝缘工艺参数的摸索和应用

为加强生产指导，根据客户规范或基于企业的内控要求，针对具体绝缘偏心度和标称值的要求，以偏心度控制水平为基准，来制定绝缘最大厚度、最小厚度以及绝缘挤出工序裕度等相关工艺参数和定额。以下主要以极端厚度的平均值不小于标称值以及偏心度不大于最大偏心度要求两项公式，推导出在标称值为特定值条件下，以偏心度为变量的函数关系绝缘最大厚度的最小值计算公式、绝缘最薄点厚度的最小值计算公式、工艺厚度平均值的最小值计算公式以及挤出厚度的工艺裕度，并据此计算在偏心度不大于15%的《中压电缆偏心度-标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度的关联性適配表》，如图7所示。

2. 4. 1 厚度尺寸的基本要求

一是平均值不小于标称值的要求。绝缘厚度测量值的平均值不得低于绝缘厚度的标称值。

二是最大偏心度要求。偏心度不应超过相关产品标准和客户技术规范的要求;

其中，绝缘标称值和绝缘的最大偏心度基本是由相关产品标准和具体客户技术规范具体约定。式（1）采用绝缘厚度最大值和最薄点厚度的两个极限厚度值进行平均值的计算，这与产品标准中的6点测量值的平均有一点差异，其中的实际平均值小于标称值的风险，可通过在后继计算出的最大厚度和最小厚度值之间用随机函数进行计算进度的风险排查。经后期模拟演算和实际操作中，在工艺平均厚度大于标称值裕度1. 007倍，偏心度不大于6%时，出现平均值随机误差小于标称值的可能性较低，因此不影响公式的推导。

2. 4. 2 绝缘工艺最大厚度和最薄点厚度的最小值的公式推导

以下公式推导，主要是在标称值为特定值条件下，以偏心度控制水平为变量，推导出绝缘工艺最大厚度的最小值、工艺控制最薄厚度的最小值以及绝缘挤出工序裕度等计算公式。

由式（2）推导出绝缘最小厚度半程公式：

tmin ≥tmax （1-P偏心度）（3）

由式（1）、（3）推导出绝缘最大厚度：

tmax ≥2t标称/（2-P偏心度） （4）

将式（4）代入式（3）推导出绝缘最薄厚度：

tmin ≥2t标称（1-P偏心度）/（2-P偏心度）（5）

由式（3）、（4）推导出工艺平均厚度：

t工艺平均值≥（ tmax +tmin ）/2（ 6）

由式（6）推导出生产实际控制的工艺裕度值：

Z工艺裕度≥tmax/t标称 （7）

2. 4. 3工艺参数的制定

根据上述公式，在绝缘以标称厚度和偏心度为变量，可以快速计算出绝缘生产过程的对绝缘层的工艺最大厚度、工艺最薄点厚度、工艺平均值以及生产工艺定额的加工裕度的工艺编制指导和操作参考，得出《中压电缆偏心度-标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度的关联性适配表》。技术输入如下。

（1）技术输入1：产品标准和客户要求。根据实际生产的8. 7/10 kV 中压交联聚乙烯绝缘线芯检验数据统计分析，以YJV228. 7/15 kV 3×300为例。当按 GB/T12706. 2要求生产时，只规定了绝缘最薄处的测量值应不小于标称值的90%-0. 1 mm （即3. 95 mm ），但没有规定厚度测量值的平均值应不小于标称值4. 5 mm。但按照南方电网的要求生产时，绝缘最薄处的测量值应不小于标称值的90%（即4. 05 mm），同时还规定了测量值的平均值应不小于标称值（4. 5 mm ），偏心度应不小于8%。

（2）技术输入2：基于技术承诺，偏心度不大于6%，在生产过程中，内控标准要求不超过5%，最薄点厚度不低于4. 2 mm。为了满足这一要求，只有适当增加厚度，才能保证最薄点厚度合格。通过生产摸索，制定了《中压电缆偏心度-标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度的关联性适配表》，用于指导生产，图7所示为节取示例。

（3）风险评估：通过以上计算，编制出《中压电缆偏心度-标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度的关联性适配表》，工艺加工裕度不小于1. 011倍的标称值（平均工艺厚度不下于4. 56 mm ）以后，在绝缘厚度平均值不低于标称值和偏心度不大于内控指标5%的范围内，内控最薄点是基本能够得到保障，同时，偏心度越小，最薄点越安全，超出部分须经内部评估，让步放行。需要注意的是，本挤出模具的挤出厚度精度基本在0. 2±0. 05 mm 之间，如超出这个精度，须应对模具进行维修或更换。

3 实践验证

《中压电缆偏心度-标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度的关联性适配表》，对810组数据的分析如下，基本能够指导和符合生产的实际情况，经过长期实践，数据验证分析如下。

（1）生产实操的平均厚度出现在4. 55～4. 70 mm区间是大概率事件，工艺厚度至少不低于4. 55 mm，如图8所示。当工艺厚度平均值的规定低于4. 53 mm，即使在挤塑机模具和分流器完好的情况，实测平均值可能出现不合格的极端情况，修约才能符合要求。

（2）绝缘层偏心度的实测值的平均值为3. 5%，偏心度水平在2. 0%～5. 0%以内是大概率事件，如图9 ～10所示。符合性在94. 5%以内，符合性比例较高，且可控和实现，经济性最优化。偏心要求过高，将增加成本、调整时间和难度，导致降级使用。

（3）交联挤出机的冷却后，挤出尺寸精度绝对约在0.15+0.05 mm的区间;在工装相同的情况下，不同电压等级条件下，绝缘厚度标称大的情况，各电压等级的绝缘线芯偏心度的表观值和绝缘厚度的尺寸范围有关。

（4）在偏心度、平均值符合要求的情况，通过最薄点厚度的测算，内控指标的最薄点厚度要求提的越高，在保证工艺裕度目标值符合产品定额的情况下，偏心度要求越高，意味着生产成本提高的风险越大，这是企业应重视的成本风险。

4 结束语

本文对中压交联聚乙烯绝缘电缆的绝缘偏心度的形成因素及其纠正有效措施做了详尽分析，利用绝缘厚度和偏心度及其要求建立数学关系，制定出详细偏心度、标称值和工艺厚度指导值的设定和工艺加工裕度之间关联性适配的作业方案。经过长期实践检验，实现了绝缘线芯的偏心度控制在5%以内的目标，指标明显优于国家标准要求，提高了产品质量，节省了生产成本，降低潜在的质量风险承诺，完全满足了客户商品采购的优品要求。

参考文献：

[1]中国国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.额定电压1 kV（Um = 1. 2 kV）到35 kV（Um = 40. 5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件第2部分额定电压6 kV（Um = 7. 2 kV） 到30 kV（Um = 36 kV）电缆：GB/ T 12706. 2-2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

[2]中国国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.额定电压1 kV（Um = 1. 2 kV）到35 kV（Um = 40. 5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件第3部分额定电压35kV（Um = 40. 5 kV） 电缆：GB/ T 12706. 3 - 2020 [S ]. 北京：中国标准出版社，2020.

[3]中国国家电网公司.配网标准化物资固化技术规范书10kV电力电缆（9906-500030091-0003）[Z]. 2016.

[4]中国南方电网有限责任公司. 10 kV三芯电力电缆（铜芯）技术规范书（专用部分）：2017版V1. 0[Z]，2017.

[5]方健銀，施明，方建忠，等.异型线绞合电缆导体及其生产方法：CN201410338703. 5[P]. 2014-07-16.

[6]Pekka Huotari. Improvements on the production of XLPE insulated high and extra high voltage cores in catenary CV-LINE [J]. Wire Industry，1997（6）：366-368.

[7]Maillefer Extrusion Oy. Autocure-4 Operating Instruction [Z].2010.

[8]汪传斌.CCV交联工艺生产高压电力电缆的特点及其绝缘偏心的控制[J].电线电缆，2009（2）：16-18.

[9]刘召见，马兰杰.新技术在高压电缆VCV生产线的应用[J].电线电缆，2012（1）：35-37.

[10]辛秀东.正态分布统计技术在线缆质量控制中的应用[J].电线电缆，2005（5）：35-39.

[11]罗风魁，赵丹丹，黄付环.减少10kV交联电缆生产过程中的绝缘缺陷[J].电线电缆，2017（1）：42-43.第一作者简介：周建（1972-），男，江苏扬州人，大学本科，工程师，研究领域为电线电缆研发和制造，已发表论文3篇。

（编辑：王智圣）