27.5 kV电缆低偏心绝缘线芯的制备和性能研究.pdf
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1、铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 182No.4 2023总第182期2023年第4期引文格式引文格式:王阳,朱若林,秦轩杰,陈虎啸,张文华.27.5 kV电缆低偏心绝缘线芯的制备和性能研究 J.铜业工程,2023(4):108-114.27.5 kV电缆低偏心绝缘线芯的制备和性能研究王阳1,朱若林1,秦轩杰1,陈虎啸2,张文华2(1.江西铜业技术研究院有限公司,江西 南昌 330096;2.江西电缆有限责任公司,江西 吉安 343000)摘要:在生产电气化铁路专用27.5 kV电缆时,绝缘线芯的制备起着至关重要的作用。本文首先研究了高绝缘偏心对绝缘热延伸性能的影响,明
2、确了过高的绝缘偏心会造成同一绝缘线芯不同位置热延伸性能不一致。通过配有进口端热处理系统(EHT)和搓线机的35 kV悬链式中压生产线连续生产了1 mm 400 mm铁路专用27.5 kV电缆绝缘线芯,结合在线测偏仪和数字影像式精密测量仪对样品(离线取切片样)进行测量,结果可知,制备出的线芯绝缘偏心度6%,优于GB/T 284272012产品标准中关于绝缘偏心度的规定。在交联工艺过程中,随着交联管道整体温度的提升,线芯绝缘层的凝胶含量和热延伸性能先增加后降低,主要原因是管道整体温度升高40 oC时,绝缘层发生了过交联。因此交联管道各温区最佳温度为480-420-380-360-340-320 o
3、C。为了验证经交联工艺处理后绝缘线芯各项性能的均匀性,对随机选取的5个样品进行了性能分析。结果显示,绝缘层凝胶含量、热延伸性能和拉伸性能较为均匀,表明整根绝缘线芯的交联程度相近。关键词:绝缘线芯;偏心度;交联;热延伸性能;凝胶含量doi:10.3969/j.issn.1009-3842.2023.04.014中图分类号:TM24;TM247.1 文献标识码:A 文章编号:1009-3842(2023)04-0108-07相较于传统的内燃机车,电力机车的运输能力更为优异。电力机车运行时需要电能,因此沿线均需配置相关的电气设备1。一般将配套电气设备可供电力机车正常运行的铁路称为电气化铁路2。随着经
4、济的快速发展,中国电气化铁路建设总里程已居世界第一。电气化铁路27.5 kV单相交流交联聚乙烯绝缘电缆(简称电气化铁路专用27.5 kV电缆)是电气化铁路传输电能的主要产品,主要作用是将沿线变电所的电能传输至接触网3-4。该电缆需要适应特殊的使用环境,因此对各项性能有着更高的要求。对比 GB/T 12706.22020 和GB/T 284272012 可知5-6,对电气化铁路专用27.5 kV电缆的多项性能要求都要高于普通中压电力电缆。电气化铁路专用27.5 kV电缆制作工艺流程大致如下:导体拉丝和绞合三层(内屏蔽层+绝缘层+外屏蔽层)共挤及交联铜丝疏绕隔离套挤包铠装外护套挤包3。该电缆的绝缘
5、性能和偏心度与三层共挤和交联工艺直接相关,因此在生产电气化铁路专用27.5 kV电缆时,绝缘线芯的制备起着至关重要的作用。绝缘线芯的质量和性能的优劣直接决定了整个电缆产品性能是否合格。电气化铁路专用27.5 kV电缆对绝缘偏心要求也比较高(8%)6。本文研究了高绝缘偏心对电缆绝缘性能的影响,通过对挤塑过程的控制,制备了低偏心度的电气化铁路专用27.5 kV电缆绝缘线芯,探索了不同交联温度对绝缘线芯交联程度的影响,最后详细分析了经交联工艺处理后绝缘线芯的微观结构和性能均匀性。1 试验材料及方法1.1绝缘线芯制备本研究绝缘料采用浙江某公司生产的26/35 kV中压过氧化物交联聚乙烯绝缘料,在诺基亚
6、麦拉菲尔35 kV悬链式中压生产线上进行线芯的三层共挤和交联。其中,牵引速度为6 m/min,三层共挤各机头温区温度如表1所示。交联管氮气压力应不低于0.8 MPa,冷却水温度应不高于35,过渡段温度应不超过85。为了研究不同交联温度对绝缘线芯交联程度的影响,分别对交联管道六段温区进行了3个温度参数的设置:460-400-360-340-320-300,480-420-380-360-340-320 和500-440-400-380-360-340。收稿日期:2023-04-21;修订日期:2023-07-03基金项目:铁路专用27.5 kV 电缆的研发项目(JLYJ2022001A)资助作者
7、简介:王阳(1992),男,安徽安庆人,博士,工程师,研究方向:电线电缆加工制造,E-mail:1.2结构表征和性能测试所有测试样品均从连续生产的绝缘线芯上使用电锯截取,利用切片和刨片机进行制样,制备出的样品要求厚度均匀且表面无明显缺陷。待测试样经液氮脆断后在断面喷金,并采用赛默飞Apreo 2超高分辨场发射扫描电镜(SEM)分析断口微观形貌。使用数字影像式精密测量仪测量样品厚度。按照GB/T 1040.12006的规定进行拉伸性能测试,其中拉伸样L(长)=50 mm、b(厚)=4 mm、c(宽)=20 mm,拉伸速率为200 mm/min。按照 GB/T 2951.212008 的规定进行热
8、延伸性能测试,试验温度为200 oC,试样为II型哑铃片,试样的负荷为0.2 MPa,时间为15 min。凝胶含量测试依据JB/T 104372004,首先将0.5 g左右的试样剪碎成不大于1 mm3的颗粒,然后用筛孔尺寸为125 m的钢丝网包裹剪碎后的颗粒,放入二甲苯中进行萃取。溶液沸点为138141,萃取时间为12 h,每种材料各测试3次,取3次结果的平均值。2 结果与讨论2.1绝缘偏心对电缆热延伸性能的影响为了研究过高的绝缘偏心度对电缆的影响,选取了一段偏心较大的样品进行分析,如图1(a)所示。从图中可以清晰地观察到上端截距明显大于下端截距。利用数字影像式精密测量仪对绝缘层尺寸进行测量,
9、结果如图1(b)所示。厚度测量值分别为:9.079,11.142,13.580,8.867,9.286,11.175 mm。其中,最厚点厚度值为13.580 mm,最薄 点 厚 度 值 为 8.867 mm,其 绝 缘 偏 心 度 高 达34.7%。GB/T 12706.22020 对额定电压 635 kV电力电缆要求绝缘偏心度小于15%。电气化铁路27.5 kV电缆由于需要适应特殊的使用环境,GB/T 284272012 中 要 求 其 绝 缘 偏 心 度 要 求 小 于10%5-6。由此可见,本样品绝缘偏心度不合格。分别利用刨片机和冲片机从上述大偏心度样品中制取试样。按图2(a)所示位置,
10、分别制取3个试样进行热延伸性能测试:试样1取自最小径向面的中部,试样2取自最大径向面的外层,试样3取自最大径向面的内层。图2(b)给出了3个试样哑铃片热延伸试验中载荷下最大伸长率,图2(c)为3个试样哑铃状试样热延伸试验冷却后对比图。从图2中可看出,试样1与试样2热延伸情况基本相近,载荷下最大伸长率在 55%60%。试样 3热延伸情况较差,载荷下最大伸长率达到了260%,是图1(a)高偏心绝缘线芯实物图和(b)绝缘层尺寸测量结果Fig.1(a)Physical image of insulated core with high eccentricity and(b)results of mea
11、sured insulation size108王阳等 27.5 kV电缆低偏心绝缘线芯的制备和性能研究2023年第4期1.2结构表征和性能测试所有测试样品均从连续生产的绝缘线芯上使用电锯截取,利用切片和刨片机进行制样,制备出的样品要求厚度均匀且表面无明显缺陷。待测试样经液氮脆断后在断面喷金,并采用赛默飞Apreo 2超高分辨场发射扫描电镜(SEM)分析断口微观形貌。使用数字影像式精密测量仪测量样品厚度。按照GB/T 1040.12006的规定进行拉伸性能测试,其中拉伸样L(长)=50 mm、b(厚)=4 mm、c(宽)=20 mm,拉伸速率为200 mm/min。按照 GB/T 2951.2
12、12008 的规定进行热延伸性能测试,试验温度为200 oC,试样为II型哑铃片,试样的负荷为0.2 MPa,时间为15 min。凝胶含量测试依据JB/T 104372004,首先将0.5 g左右的试样剪碎成不大于1 mm3的颗粒,然后用筛孔尺寸为125 m的钢丝网包裹剪碎后的颗粒,放入二甲苯中进行萃取。溶液沸点为138141,萃取时间为12 h,每种材料各测试3次,取3次结果的平均值。2 结果与讨论2.1绝缘偏心对电缆热延伸性能的影响为了研究过高的绝缘偏心度对电缆的影响,选取了一段偏心较大的样品进行分析,如图1(a)所示。从图中可以清晰地观察到上端截距明显大于下端截距。利用数字影像式精密测量
13、仪对绝缘层尺寸进行测量,结果如图1(b)所示。厚度测量值分别为:9.079,11.142,13.580,8.867,9.286,11.175 mm。其中,最厚点厚度值为13.580 mm,最薄 点 厚 度 值 为 8.867 mm,其 绝 缘 偏 心 度 高 达34.7%。GB/T 12706.22020 对额定电压 635 kV电力电缆要求绝缘偏心度小于15%。电气化铁路27.5 kV电缆由于需要适应特殊的使用环境,GB/T 284272012 中 要 求 其 绝 缘 偏 心 度 要 求 小 于10%5-6。由此可见,本样品绝缘偏心度不合格。分别利用刨片机和冲片机从上述大偏心度样品中制取试样
14、。按图2(a)所示位置,分别制取3个试样进行热延伸性能测试:试样1取自最小径向面的中部,试样2取自最大径向面的外层,试样3取自最大径向面的内层。图2(b)给出了3个试样哑铃片热延伸试验中载荷下最大伸长率,图2(c)为3个试样哑铃状试样热延伸试验冷却后对比图。从图2中可看出,试样1与试样2热延伸情况基本相近,载荷下最大伸长率在 55%60%。试样 3热延伸情况较差,载荷下最大伸长率达到了260%,是图1(a)高偏心绝缘线芯实物图和(b)绝缘层尺寸测量结果Fig.1(a)Physical image of insulated core with high eccentricity and(b)re
15、sults of measured insulation size表1三层共挤工艺各挤出机温区温度Table 1Temperature parameters of each extruder in three-layer co-extrusion process加热温区机身一区机身二区机身三区机身四区机身五区机身六区机身七区导胶管一区导胶管二区快夹机头内屏蔽挤塑机温度/oC80858595100110110115115120115120115120120绝缘挤塑机温度/oC708585108110115120110115115116115117115118115119115119120外屏蔽挤
16、塑机温度/oC75859595100110100120100110115118115118115118109总第182期铜业工程Total 182试样1和试样2的5倍。可见,绝缘偏心过大,会导致同一绝缘线芯不同位置的热延伸性能不一致。GB/T 12706.22020 和 GB/T 284272012 中均要求经热延伸测试后负载下最大伸长率175%、冷却后最大永久伸长率15%,而且一般情况下国家电网在对外招标文件中会提高对中压电力电缆热延伸性能的要求。因此,绝缘偏心过大极可能会导致绝缘热延伸性能不符合相关标准规定。文献 7-9 研究证明,绝缘偏心过大不仅会对其热延伸性能产生不利的影响,同时对绝缘
17、性能也会产生影响。因此实际生产中必须严格控制绝缘偏心度。2.2绝缘偏心度的控制为了严格控制绝缘的偏心度,本研究从以下方面进行了调控:1)导体拉丝模具采用高耐磨的纳米模,采用紧压圆结构,紧压系数大于0.9。在上车前仔细检查绞合的导体表面质量,要求表面光洁不松散。2)在挤塑和交联过程中,加热到熔融态的绝缘层未完全冷却固化就会由于重力的作用发生下垂,从而恶化绝缘偏心。为了进一步控制经三层共挤的绝缘线芯在随后交联过程因重力作用导致的下垂,配合使用大循环冷却系统(进口端热处理系统,EHT)和搓线机。使用EHT是为了快速冷却刚从三层共挤十字挤出并拉出的绝缘线芯,使得线芯表面得到有效冷却定型,从而缓解由于重
18、力导致的绝缘下垂现象10。但EHT只能使线芯表面层冷却定型,线芯的内层仍会存在熔融区,绝缘的下垂仍无法避免,而安装在交联下密封位置后的搓线机,可以不断旋转绝缘线芯,进一步降低由于重力导致的绝缘下垂。经过多次试验,结合所获得的线芯表面质量效果,最终确定了三层共挤工艺各挤出机温区温度,如表1所示。使用该工艺参数连续生产了400 m铁路专用27.5 kV电缆绝缘线芯(1 mm 400 mm),要求绝缘标称厚度为12.0 mm,平均厚度不低于标称值,最薄点厚度不低于标称值的90%,绝缘偏心不大于10%。利用在线测偏仪实时监控了绝缘偏心情况,发现生产出的样品绝缘偏心均小于标准规定的8%,基本维持在6%以
19、下。由于在线测偏仪监测的数据是线芯未完全冷却时测得的热态值,绝缘线芯在完全冷却后会发生收缩,厚度值有所降低。因此,为了观察完全冷却后绝缘线芯的偏心情况,从制备出的400 m线芯中每隔一定位置截取1段(共截取5段)样品进行切片。表2为5个切片样品的绝缘层平均厚度、偏心度和最薄点厚度值。通过分析以上数据,可以得出以下结论:1)随机选取的 5个切片试样的绝缘层平均厚度均不低于标称值(12.0 mm);2)随机选取的 5个切片试样的绝缘层最薄点厚度均达到标称值的97%,远高于“最薄点厚度不低于标称值的90%”的指标要求;3)随机选取的 5个切片试样的绝缘层偏心度均小于6%,和在线测偏仪监测的偏心度相近
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