尚 恺 李加才 王诗航 李盛涛
高压电缆交联聚乙烯绝缘料黏度参数对挤出特性影响的仿真研究
尚 恺 李加才 王诗航 李盛涛
(电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学) 西安 710049)
高压电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘料及其挤出成型技术是我国高压电缆生产的关键问题。绝缘料的黏度参数会影响其在单螺杆挤出机内包括挤出口流率和流道内熔体最高温度等的挤出特性,进而决定了高压电缆绝缘的成型质量和绝缘性能。该文通过仿真模拟的方法研究了高压电缆交联聚乙烯绝缘料的黏度参数对挤出特性的影响,提出利用绝缘料挤出最高温度-挤出口流率曲线反映不同黏度参数下的挤出特性变化规律。结果表明,最高温度随着挤出口流率增大而升高,零切黏度和松弛时间对最高温度-挤出口流率曲线的斜率影响最大,幂律指数次之,温度系数影响最小。其中,零切黏度和幂律指数与挤出口流率和最高温度的关系均为正相关,且零切黏度增大到一定值后挤出口流率不再明显增大而最高温度持续提升;松弛时间和温度系数与挤出口流率和最高温度的关系均为负相关,且温度系数较小挤出特性较好。最终,根据实际电缆绝缘料挤出生产需求,提出了绝缘料黏度参数的适宜范围。该文可为国产高压电缆交联聚乙烯绝缘料的研发和挤出成型技术的提升提供重要数据支撑与理论依据。
高压电缆 交联聚乙烯绝缘料 黏度参数 挤出特性
高压交流电缆和直流电缆分别是城市输电网和长距离海上风电并网传输的关键电力装备[1-2]。根据国家电网有限公司统计数据显示,截至2022年底,我国66 kV及以上电压等级电缆线路长度超过42 900 km[3],已有10个城市超过800 km。随着城市化进程对用电需求的不断增加,交流输电的电压等级也由110 kV、220 kV向500 kV及以上发展。直流输电电压等级由±160 kV、±320 kV发展至±535 kV[4-6]。因此,高压电缆对我国电力能源的高质量发展至关重要,对我国能源战略实施具有重大意义。
高压电缆交联聚乙烯(Cross-Linked Polyethylene, XLPE)绝缘层由绝缘料熔融挤出加工成型。国产110 kV和220 kV电缆绝缘料应用少,且其连续挤出工艺还需优化;220 kV以上电压等级的高压电缆绝缘料仍依赖进口[7-9]。高压电缆交联聚乙烯绝缘的挤出成型是绝缘料熔体经三层共挤包覆金属导体后,再经过交联反应形成高压电缆绝缘的过程。绝缘料熔体的黏度参数决定了高温和剪切作用下绝缘料在挤出成型过程中的流变行为,同时会影响挤出温度与压力、挤出速率、产量和成型绝缘的尺寸稳定性等,进而决定了高压电缆的绝缘性能[10-13]。掌握绝缘料熔体黏度参数对挤出成型过程中流动行为的影响规律和调控方法,是提升绝缘料挤出成型质量和绝缘性能的关键环节。因此,研究高压电缆交联聚乙烯绝缘料黏度参数对挤出特性的影响是十分必要的。
高压电缆绝缘料采用单螺杆挤出的方式进行加工,在实际生产中,技术人员需要对温度和转速等挤出工艺进行调整以适应不同牌号的绝缘料。同时,研发人员也会利用仿真手段对熔体在挤出机中的流动状态进行模拟,可以对实际生产工艺进行有效的反馈和调整。因此,利用仿真模拟聚合物材料的流动行为对于调整实际生产工艺是一种高效、简便,且具有准确指导意义的方法[14-15]。
国外学者总结了聚丙烯、聚苯乙烯和高密度聚乙烯等材料在单螺杆挤出机中流动行为的仿真方法,通过本构方程表征材料的黏度,建立了熔体在固体输送、熔融和熔体流动等单螺杆挤出过程的仿真模型,将仿真计算后的流动行为与实际挤出结果对照,得到了较好的印证关系[16]。国内学者通过仿真研究了橡胶和推进剂等聚合物材料在单螺杆挤出机中的流动状态,同样采用本构方程表征材料的黏度随剪切速率和温度的变化,并通过热力学估算确定了合理的机筒壁热学边界条件,得到速度、温度、物料黏度和压力等参数的几何分布和变化规律,结果表明螺棱附近的物料温度较高,易积聚形成“热点”。将温度仿真计算结果与实测结果进行对比,两者吻合较好,表明了仿真模型的有效性[17-18]。但目前针对高压电缆交联聚乙烯绝缘料在单螺杆挤出机中的流动行为和挤出特性的仿真鲜有报道。
高压电缆XLPE绝缘料是由低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene, LDPE)基料、交联剂和抗氧剂配比组成[19-20]。不同牌号的绝缘料黏度参数具有差异。黏度特性与分子链结构有很大关系[21-23]。通过对比国内外不同牌号高压电缆LDPE基料的分子链结构与黏度特性可以发现,进口料长支链含量多、分子量分布窄、端基双键含量高,长链支化结构会显著改变材料的零切黏度和剪切黏度,进而影响绝缘料的加工性能和成型后的偏心度。高压电缆XLPE绝缘料的黏弹特性与LDPE基料和添加剂的配比也密切相关,学者们利用交联动力学和流变学研究了不同配方对国产绝缘料黏弹特性的影响规律,揭示了XLPE交联过程微观机制[24-27],为国产绝缘料配方优化提供了理论支撑[28]。但鲜有以提升高压电缆XLPE绝缘料挤出特性为目标,优化绝缘料黏度参数,进而指导国产绝缘料分子链结构调整的相关研究。
鉴于此,本文基于特定交联聚乙烯绝缘料的黏度参数,通过单独改变各项黏度参数,仿真模拟得出不同黏度参数对高压交联聚乙烯绝缘料熔体在单螺杆挤出过程中挤出特性的影响规律,并且从提升挤出特性的角度对绝缘料的黏度参数提出改进建议,为国产高压电缆交联聚乙烯绝缘料的研发和挤出成型技术的提升提供理论支持。
试样材料选用某牌号的高压电缆交联聚乙烯绝缘料。取适量绝缘料在平板硫化机中进行热压成型,设置预热温度为120℃,预热3 min,然后加压至15 MPa,温度120℃下热压7 min,制备得到直径为25 mm、厚度为1 mm的圆形样片。
使用安东帕MCR302高级旋转流变仪测试绝缘料圆形样片的黏度参数,选取平行板模式和型号为PP-25的平行板转子。测试前先进行应变扫描以确定绝缘料的线性黏弹区,设置剪切速率为10 rad/s,应变扫描范围为0.1%~100%。通过观察样品模量变化可知,当应变小于10%时,材料处在小应变区,表现为线性黏弹行为。因此,在之后的黏度参数测试过程中设置应变恒定为1%,剪切速率的扫频范围为0.1~100 rad/s。测试温度设置为120℃、125℃和130℃,通过反复实验验证,在该测试温度条件下,绝缘料并不会发生交联反应,黏度数据有效。测试时保持法向力在1~2 N,扫频范围内采样25个点,记录黏度随剪切速率的变化。
研究绝缘料熔体挤出过程必须要考虑材料的黏度特性及热物理过程。基于单螺杆挤出绝缘料熔体的流动过程,假设熔体为不可压缩纯黏性非牛顿流体,不考虑熔体的弹性和拉伸黏度,黏度的本构方程可以用Bird-Carreau模型式(1)进行描述,并使用Arrhenius定律式(2)对温度的影响作用进行修正,二者乘积即为绝缘料熔体黏度的特征方程式(3)。
图1 拟合的交联聚乙烯绝缘料黏度特性曲线
表1 交联聚乙烯绝缘料黏度参数
Tab.1 Viscosity parameters of XLPE
为保证准确地模拟出绝缘料真实加工过程中的熔体流动状态,参考高压电缆绝缘专用单螺杆挤出机,选择均化段的单螺杆按照1:1的比例进行建模,同时建立4:1的圆锥形收缩流道模型,几何模型参数见表2。
表2 均化段单螺杆和流道的几何模型参数
Tab.2 Parameters of single screw and flow domain geometric configurations (单位:mm)
分别对单螺杆和流道模型进行有限元网格划分与网格重组,使其成为一个拥有良好有限元网格质量的完整模型。单螺杆和流道的三维模型与网格划分结果如图2所示,模型的总网格数为356 450,网格质量良好。
图2 单螺杆和流道的三维模型与网格划分
根据高压电缆交联聚乙烯绝缘料熔体挤出过程的流变行为,在仿真计算中作以下基本假设:①绝缘料熔体为不可压缩纯黏性非牛顿流体;②熔体流动为三维非等温稳定层流流动;③由于熔体的高黏度,忽略惯性力和重力作用;④流道全充满,熔体与流道壁面间无滑移。
采用有限元法,对建立的单螺杆和流道模型进行熔体流动状态仿真,需设置相应的物性参数和边界条件。物性参数中的黏度参数使用表1中数值作为初始参考值,边界条件设置如下:熔体在流道入口为自由流入,入口温度为120℃;熔体在流道出口为自由流出,由于挤出口会对熔体产生背压,设置0.3 MPa的法向应力作为熔体出口压力;单螺杆转速设置为18 r/min,流道内侧是与螺杆的螺槽底部接触的面,跟着螺杆完全转动;熔体受热方式是通过机筒进行加热,设置为实际计量段加工温度120℃;流道外侧是熔体与机筒壁的接触面,此处无滑移,设置法向速度和切向速度均为0。
高压电缆交联聚乙烯绝缘料在单螺杆挤出过程中熔体的温度分布如图3所示。可以看出,绝缘料熔体温度在单螺杆的剪切作用下逐渐升高,最高温度出现在螺棱与筒壁的间隙处,此处熔体的剪切速率较大,黏度较小,黏性生热更明显,容易积聚热量导致局部高温。图3中的最高温度达到128.8℃,远高于加工温度120℃。
图3 绝缘料熔体在挤出过程中的温度分布
高压电缆绝缘料中的交联剂过氧化二异丙苯(Dicumyl Peroxide, DCP)属于二烷基过氧化物,若局部过热处的温度高于过氧化物的快速分解温度,再加上熔体停滞等因素,易使绝缘料发生预交联或焦烧现象,从而影响绝缘挤出成型质量。
因此,为了避免焦烧现象,保证挤出过程中良好的加工性能和挤出效率,挤出过程中最高温度不宜过高,并且需要足够的挤出口流率以满足产量。通过仿真计算,该牌号高压电缆XLPE绝缘料在挤出口的流率为7.69×10-2L/s。
图4 零切黏度对熔体黏度的影响
调整仿真中零切黏度参数的输入值,得到交联聚乙烯绝缘料黏度参数中零切黏度的改变对其挤出口流率和最高温度m的影响如图5所示。观察可知,当零切黏度数值在25 000~140 000 Pa·s范围内变化时,挤出口流率随着零切黏度的增大先快速增大,之后增速减缓,曲线趋于平稳;而最高温度与零切黏度呈近似线性正相关,其中零切黏度每增大10 000 Pa·s,最高温度提升约1.3℃。
图5 零切黏度对Q和Tm的影响
在实际电缆绝缘生产过程中,为了提高绝缘挤出产量,增大挤出口流率,可以选择零切黏度稍大的绝缘料,但零切黏度不宜超过80 000 Pa·s,高于此零切黏度值后,挤出口流率不再增大,且熔体最高温度将超过设置温度值近10℃,达到130℃以上,易产生焦烧现象。
松弛时间近似代表剪切变稀开始时剪切速率的倒数[30]。仅改变松弛时间对绝缘料熔体黏度曲线的影响如图6所示。
图6 松弛时间对熔体黏度的影响
图6表明,松弛时间越大,在低频剪切速率范围下的熔体由于受剪切作用影响黏度开始减小的起始转折点逐渐向左移动,即熔体的剪切变稀所需要的最小剪切速率值逐渐减小。黏度参数中的松弛时间变大也会使得剪切变稀后的熔体在高频剪切速率下的黏度值减小。
随着交联聚乙烯绝缘料黏度参数中松弛时间逐渐增大(1.75~35 s),挤出口流率和最高温度m的变化曲线如图7所示。可知,随着松弛时间变大,挤出口流率近似呈线性减小趋势,且松弛时间每增大1 s,挤出口流率减小约0.02×10-2L/s,而最高温度则呈现先快后慢的趋势逐渐降低。
图7 松弛时间对Q和Tm的影响
由此可见,绝缘料的松弛时间越小,挤出产量越高,但松弛时间不宜过小,当松弛时间小于5.25 s后,最高温度也会迅速超过130℃,远高于设置的120℃挤出温度值。
幂律指数反映了材料黏度变化非线性性质的强弱,幂律指数越小,表明熔体的非牛顿性越强。仅改变幂律指数对绝缘料熔体黏度曲线的影响如图8所示。可以看出,幂律指数越大,则非牛顿性越弱,熔体黏度随剪切速率变稀的程度越小,在高频剪切速率下的黏度越大。
图8 幂律指数对黏度参数的影响
交联聚乙烯绝缘料黏度参数中幂律指数的改变对其挤出口流率和最高温度m的影响如图9所示。随着幂律指数由0.30增大到0.50,熔体的挤出口流率先迅速增大,之后增速缓慢减弱;而最高温度的变化趋势则呈现先匀速增大后急剧升高的趋势。
图9 幂律指数对Q和Tm的影响
交联聚乙烯绝缘料是由低密度聚乙烯与交联剂和抗氧剂复配得到的,其幂律指数与纯低密度聚乙烯的幂律指数相差极小。由图9可知,幂律指数的微小改变都会对挤出口流率和最高温度产生很大影响,若为了提高挤出口流率而增大幂律指数,最高温度便会急剧升高,存在较强的矛盾关系,因此针对高压电缆XLPE绝缘料黏度参数中幂律指数的调整应当在0.41附近,建议控制在其±0.02范围以内。
温度系数是黏度随温度变化的Arrhenius模型中的重要参数,表示熔体黏度对温度的敏感程度。温度系数对熔体黏度的影响如图10所示。
由图10可以看出,温度系数越大,不同温度下的黏度曲线与参考温度(120℃)下的黏度曲线偏离程度越大,说明此条件下熔体黏度对温度的敏感性越高,温度变化对绝缘料熔体的黏度影响越大。温度系数的改变对挤出特性中挤出口流率和最高温度的影响如图11所示,与其他黏度参数的影响作用不同,两条曲线均近似呈线性减小趋势。随着温度系数由100增大到10 000,挤出口流率减小了约0.64×10-2L/s;最高温度虽然也近似呈线性减小,但整体变化幅度相对较小,在温度系数由100增大到10 000的过程中,最高温度仅降低了约1.8℃。
根据上述结果可知,如果绝缘料的温度系数尽量小,其挤出特性表现则相对越好,在实现挤出口流率快速增大的同时,最高温度提升程度较小。高压电缆XLPE绝缘料的开发研究中也希望其在挤出加工温度范围内的温敏性较低,即绝缘料在均化段的加工挤出过程中,熔体黏度可以在温度不断波动的情况下保持稳定,更有利于绝缘料熔体的均匀挤出。
图10 温度系数对熔体黏度的影响
图11 温度系数对Q和Tm的影响
将不同黏度参数影响下的挤出口流率和最高温度两个挤出特性的变化规律总结如图12所示,各曲线的交点是以试样牌号的高压电缆XLPE绝缘料的黏度参数为参考值时的挤出特性,该牌号绝缘料挤出口流率为7.69×10-2L/s,最高温度为128.8℃。通过不同黏度参数的最高温度-挤出口流率曲线可以看出,零切黏度和松弛时间对挤出特性的影响最大,幂律指数次之,温度系数的影响最小。从整体上观察可知,挤出口流率越大,对应的最高温度越高;反之都降低。高压电缆交联聚乙烯绝缘料黏度参数对挤出特性的影响作用为同步提升或降低。
图12 不同黏度参数影响下的挤出口流率Q和最高温度Tm的变化曲线
零切黏度和松弛时间在物理原理上关系密切,高分子材料的零切黏度和松弛时间的关系可以近似表示[31]为
式中,()为松弛时间谱函数,它是连续分布的松弛时间的函数。
因此,最高温度-挤出口流率曲线在仅改变零切黏度和仅改变松弛时间两种情况下基本重合。当挤出口流率逐渐增大并超过参考点后,最高温度开始急剧上升,零切黏度的改变导致最高温度剧增更明显。绝缘料的零切黏度与LDPE基料的平均相对分子质量的大小密切相关,对于相对分子质量较大的LDPE,其分子链较长,较长的分子链来不及解缠结,松弛时间变长,使流动阻力增加,导致零切黏度变大。在绝缘料的开发过程中需要调整平均相对分子质量在适当范围内才能合理地控制零切黏度和松弛时间的大小。
仅改变幂律指数时,最高温度-挤出口流率曲线的各处斜率略小于改变零切黏度和松弛时间的曲线,即使挤出口流率超过参考点后,最高温度升高速率也小于改变零切黏度和松弛时间的情况。幂律指数主要体现出剪切变稀程度的差异,这与分子质量分布和长支链数有关。在一般的高分子聚合物材料加工过程中,普遍希望材料的相对分子质量分布较宽,因为在平均相对分子质量接近时,材料的相对分子质量分布越宽,流动性越好。但对于绝缘料中的LDPE基料而言,需求更为复杂。宽分子质量分布中的超高分子质量部分在高剪切速率下的黏-切性更敏感,在高剪切速率下更容易剪切变稀,此时幂律指数会增大,但过多的超高分子质量也容易产生焦烧现象。在相对分子质量大小及其分布规律接近时,长支链数也会影响剪切变稀程度,使得幂律指数发生改变。适当的长支链可以增强分子链间的缠结,限制链段运动,降低幂律指数,同时也会提高零切黏度。
当只改变温度系数时,挤出口流率和最高温度为近似线性正相关,挤出口流率的增大对最高温度的影响作用相较于其他黏度参数改变时更小,绝缘料的挤出口流率每增加0.1×10-2L/s,最高温度只升高约0.3℃。如果从材料角度改变温度系数,需要改变LDPE的分子链结构,也会同时影响LDPE的分子质量及其分布,影响零切黏度、松弛时间和幂律指数。
在高压电缆XLPE绝缘料的实际生产中,通常要求绝缘料具有较大的挤出口流率和不能过高的最高温度,在图12中可以体现出两条参考线(如图12中虚线所示),其中垂直参考线表示绝缘料挤出口流率不能低于的最小值,水平参考线是绝缘料温度不宜超过的最高温度值,处在两条参考虚线右下方的挤出口流率和最高温度则是理想的挤出特性范围,相对应的黏度参数可认为是高压电缆绝缘料适宜的黏度参数范围。
根据某高压电缆厂的实际生产任务需要,要求挤出口流率不低于7.65×10-2L/s,熔体最高温度最好不超过129℃,通过上述方法可以在图12中画出相应参考线,得到对应的高压电缆交联聚乙烯绝缘料适宜的黏度参数如下:零切黏度范围为57 160~65 400 Pa·s,松弛时间范围为6.95~8.75 s,幂律指数范围为0.40~0.41,温度系数范围为500~1 900。
为了使高压电缆XLPE绝缘料具有最适宜的黏度参数范围,需要对绝缘料中的LDPE基料的分子链结构进行针对性的调整。由于温度系数对挤出特性影响最小,松弛时间与零切黏度影响相近,综上分析,应该将改进绝缘料中LDPE的平均相对分子质量放在首位,以调整零切黏度;其次优化分子质量分布,增加长支链数,以调整幂律指数改进剪切变稀过程;最终整体优化绝缘料的黏度参数,提升其在单螺杆挤出成型过程中的挤出特性。
本文在典型高压电缆交联聚乙烯绝缘料的黏度参数的基础上,通过仿真模拟分析了零切黏度、松弛时间、幂律指数和温度系数等黏度参数对绝缘料熔体在单螺杆挤出成型过程中挤出口流率和最高温度的影响规律,得到如下结论:
1)提出用最高温度-挤出口流率曲线反映绝缘料不同黏度参数的改变对挤出特性的影响规律。在任意黏度参数下,最高温度都随着挤出口流率的增大而增大,因此黏度参数对挤出特性的影响为同步提升或降低。零切黏度和松弛时间对挤出特性影响最大,幂律指数的影响次之,温度系数对挤出特性影响最小且近似呈线性关系。零切黏度和幂律指数与挤出口流率和最高温度曲线的关系为正相关,松弛时间和温度系数与挤出口流率和最高温度的关系为负相关。
2)对于高压电缆绝缘料在实际生产中要求的挤出口流率大于7.65×10-2L/s和熔体最高温度不高于129℃的情况,可以获得绝缘料适宜的零切黏度范围为57 160~65 400 Pa·s,松弛时间范围为6.95~8.75 s,幂律指数范围为0.40~0.41,温度系数范围为500~1 900。
3)在提升国产绝缘料方面,要将改进绝缘料中LDPE基料的平均相对分子质量放在首位,以调整零切黏度;其次优化分子质量分布,增加长支链数,以调整幂律指数改进剪切变稀过程;最终整体优化绝缘料的黏度参数,提升其在单螺杆挤出成型过程中的挤出特性。
[1] 陈树民. 我国电力需求影响因素研究[D]. 济南: 山东大学, 2018.
Chen Shumin. Study on influencing factors of electricity demand in China[D]. Jinan: Shandong University, 2018.
[2] 姜磊, 高景晖, 钟力生, 等. 远海漂浮式海上风电平台用动态海缆的发展[J]. 高压电器, 2022, 58(1): 1-11.
Jiang Lei, Gao Jinghui, Zhong Lisheng, et al. Development of dynamic submarine cable for offshore floating wind power platforms[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(1): 1-11.
[3] 国家电网有限公司年鉴编辑委员会. 国家电网有限公司年鉴(2022)[M]. 北京: 中国电力出版社, 2022.
[4] 田诗语, 卢奕城. 500kV电缆纳入城市综合管廊的应用研究[J]. 电工技术, 2019(8): 58-59.
Tian Shiyu, Lu Yicheng. Application research on incorporating 500kV cables into urban utility tunnel[J]. Electric Engineering, 2019(8): 58-59.
[5] 张华. 海淀500kV电缆工程的技术研究与应用[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.
Zhang Hua. Research and application of the technology of Haidian 500 kV cable project[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014.
[6] GWEC. Global offshore wind report 2021[R/OL]. Brussels, Belgium: Global Wind Energy Council, 2021[2022-04-25]. https: //gwec. net/global-offshore-windreport-2021/.
[7] 李盛涛, 王诗航, 杨柳青, 等. 高压电缆交联聚乙烯绝缘的关键性能与基础问题[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42(11): 4247-4255.
Li Shengtao, Wang Shihang, Yang Liuqing, et al. Important properties and fundamental issues of the crosslinked polyethylene insulating materials used in high-voltage cable[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(11): 4247-4255.
[8] 杜伯学, 韩晨磊, 李进, 等. 高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状[J]. 电工技术学报, 2019, 34(1): 179-191.
Du Boxue, Han Chenlei, Li Jin, et al. Research status of polyethylene insulation for high voltage direct current cables[J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2019, 34(1): 179-191.
[9] 李盛涛, 王诗航, 李建英. 高压直流电缆料的研发进展与路径分析[J]. 高电压技术, 2018, 44(5): 1399-1411.
Li Shengtao, Wang Shihang, Li Jianying. Research progress and path analysis of insulating materials used in HVDC cable[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(5): 1399-1411.
[10] Markey L, Stevens G C. Microstructural characterization of XLPE electrical insulation in power cables: determination of void size distributions using TEM[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2003, 36(20): 2569-2583.
[11] Sedlacek T, Lengalova A, Zatloukal M, et al. Pressure and temperature dependence of LDPE viscosity and free volume: the effect of molecular structure[J]. International Polymer Processing, 2006, 21(2): 98-103.
[12] Krishnaswamy R K, Rohlfing D C, Sukhadia A M, et al. Extrusion of broad-molecular-weight-distribution polyethylenes[J]. Polymer Engineering and Science, 2004, 44(12): 2266-2273.
[13] 朱敏慧, 闵道敏, 高梓魏, 等. 直流电缆用交联聚乙烯绝缘的击穿概率及其尺度效应仿真[J/OL]. 电工技术学报, 2023: 1-11. https://doi.org/10.19595/ j.cnki.1000-6753.tces.222098.
Zhu Huimin, Min Daomin, Gao Ziwei, et al. Breakdown probability and size effect simulation of XLPE insulation for DC power cables[J/OL]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023: 1-11. https:// doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222098.
[14] 边洋震, 刘君峰, 许忠斌, 等. POLYFLOW在高分子成型加工中的应用研究进展[J]. 橡塑技术与装备, 2022, 48(3): 16-19.
Bian Yangzhen, Liu Junfeng, Xu Zhongbin, et al. Research progress of application for POLYFLOW in polymer molding[J]. China Rubber/Plastics Technology and Equipment, 2022, 48(3): 16-19.
[15] Sharma S, Goswami M, Deb A, et al. Structural deformation/instability of the co-extrudate rubber profiles due to die swell: experimental and CFD studies with 3D models[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 424: 130504.
[16] Wilczyński K, Nastaj A, Lewandowski A, et al. Fundamentals of global modeling for polymer extrusion[J]. Polymers, 2019, 11(12): 2106.
[17] 陈佳兴, 李子然. 单螺杆橡胶挤出机三维非等温流动数值模拟[J]. 材料科学与工艺, 2018, 26(1): 62-68.
Chen Jiaxing, Li Ziran. Simulation of non-isothermal three-dimensional flow in the channel of a single-screw extruder for rubber material[J]. Materials Science and Technology, 2018, 26(1): 62-68.
[18] 周克. 单螺杆螺压过程推进剂流变参数及物料混合特性的数值模拟研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2015.
Zhou Ke. Numerical simulation on the rheological parameter variation and mixing ability of single-screw extrusion process of propellant[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2015.
[19] 吴一帆, 王诗航, 李盛涛, 等. 低密度聚乙烯基料链结构对黏弹特性的影响[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 3-12, 22.
Wu Yifan, Wang Shihang, Li Shengtao, et al. Effect of molecular chain structure on viscoelasticity of low-density polyethylene[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(1): 3-12, 22.
[20] 李加才, 刘红剑, 王诗航, 等. 交联剂和抗氧剂对低密度聚乙烯绝缘料熔体黏弹特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2023, 43(1): 368-380.
Li Jiacai, Liu Hongjian, Wang Shihang, et al. Effect of crosslinking agent and antioxidants on the melt viscoelastic properties of low-density polyethylene insulating materials[J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(1): 368-380.
[21] Mendelson R A, Bowles W A, Finger F L. Effect of molecular structure on polyethylene melt rheology. I. Low-shear behavior[J]. Journal of Polymer Science Part A-2: Polymer Physics, 1970, 8(1): 105-126.
[22] Gabriel C, Lilge D. Molecular mass dependence of the zero shear-rate viscosity of LDPE melts: evidence of an exponential behaviour[J]. Rheologica Acta, 2006, 45(6): 995-1002.
[23] Zhou Zhe, Pesek S, Klosin J, et al. Long chain branching detection and quantification in LDPE with special solvents, polarization transfer techniques, and inverse gated 13C NMR spectroscopy[J]. Macromo-lecules, 2018, 51(21): 8443-8454.
[24] 李加才, 尚恺, 司志成, 等. 高压电缆绝缘低密度聚乙烯交联过程中级数和自催化反应的逆向调控[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 13-22.
Li Jiacai, Shang Kai, Si Zhicheng, et al. reverse regulation of order and autocatalysis reactions during the cross-linking process of low-density polyethylene used in high-voltage cable insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(1): 13-22.
[25] Li Jiacai, Si Zhicheng, Shang Kai, et al. Kinetic and chemorheological evaluation on the crosslinking process of peroxide-initiated low-density polyethylene[J]. Polymer, 2023, 266: 125627.
[26] Li Jiacai, Si Zhicheng, Shang Kai, et al. Coupling effect of LDPE molecular chain structure and additives on the rheological behaviors of cable insulating materials[J]. Polymers, 2023, 15(8): 1883.
[27] Li Jiacai, Si Zhicheng, Shang Kai, et al. Kinetic and thermodynamic investigation on diffusion-limited crosslinking reaction behaviors of peroxide-induced low-density polyethylene[J]. Polymer Testing, 2023, 124: 108095.
[28] 黎小林, 王一铸, 侯帅, 等. 220 kV高压交流可交联聚乙烯电缆料国产化研究[J]. 南方电网技术, 2022, 16(7): 22-29.
Li Xiaolin, Wang Yizhu, Hou Shuai, et al. Study on localization of crosslinkable polyethylene cable material suitable for 220 kV HVAC[J]. Southern Power System Technology, 2022, 16(7): 22-29.
[29] 朱晓辉. 交联工艺对交联聚乙烯绝缘特性的影响[D]. 天津: 天津大学, 2010.
Zhu Xiaohui. Effects of cross-linking method on insulation properties of cross-linked polyethylene[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010.
[30] 陈晋南, 何吉宇. 聚合物流变学及其应用[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2018.
[31] 吴其晔, 巫静安. 高分子材料流变学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.
Simulation Study on the Extrusion Performances Based on the Viscosity Parameters of Cross-Linked Polyethylene Insulating Materials for High-Voltage Cables
Shang Kai Li Jiacai Wang Shihang Li Shengtao
(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China)
The cross-linked polyethylene (XLPE) insulating materials and its extrusion molding technology for high-voltage cables are key issues for the production of high-voltage cables in China. The insulating materials are composed of low-density polyethylene (LDPE) by introducing cross-linking agent (dicumyl peroxide (DCP)) and antioxidants. The extrusion molding of XLPE insulation for high-voltage cables is a process in which the XLPE melt is continuously triple extruded and coated with metal conductors, and then undergoes cross-linking reaction to form high-voltage cable insulation. The viscosity parameters of the insulating materials melt will affect its extrusion performances in the single-screw extruder, such as the flow rate of the extrusion outlet and the maximum temperature of the melt in the flow channel, which in turn determine the molding quality and insulation properties of the cable insulation.
This paper discussed the influence of the viscosity parameters of the high-voltage cable XLPE insulating materials on extrusion performances by means of simulation, and proposed to use the maximum temperature-extrusion outlet flow rate curve during insulating materials extrusion process to reflect the change rule of extrusion performances under different viscosity characteristics.
The results show that the maximum temperature increases with the increase of the flow rate at the extrusion port, the zero-shear viscosity and relaxation time have the greatest influence on the slope of the maximum temperature-extrusion port flow rate curve, followed by the power law index, and the temperature coefficient has the least effect. Among them, the zero-shear viscosity and power law index are positively correlated with the flow rate at the extrusion port and the maximum temperature, and the flow rate at the extrusion outlet does not increase significantly after the zero-shear viscosity increases to a certain value, but the maximum temperature continues to increase. Meanwhile, the relationship between relaxation time and temperature coefficient is negatively correlated with the flow rate of the extrusion port and the maximum temperature, and the smaller the temperature coefficient is, the better the extrusion performances are. Finally, according to the actual extrusion production requirements of cable insulation material, the optimum range of viscosity characteristic parameters of insulation material is determined. Therefore, in terms of improving domestic insulation materials, the first priority is improving the relative average molecular weight of the LDPE base material in the insulation materials, followed by optimizing the molecular weight distribution and appropriately increasing the number of long chain branches to adjust the viscosity parameters of the high-voltage cable cross-linked polyethylene insulation materials, which can improve its extrusion properties.
This study can provide important data support and theoretical basis for the development of domestic high-voltage cable cross-linked polyethylene insulation materials and the improvement of extrusion molding technology. Based on this research, the improvement strategy of great extrusion performances in high-voltage cable insulating materials will be explored in the future from the perspective of regulating the molecular chain structure of LDPE.
High-voltage cables, cross-linked polyethylene (XLPE) insulating materials, viscosity parameters, extrusion performances
TM215
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231438
国家电网有限公司总部科技项目(SGSNKY00KJJS2100283)和国家自然科学基金智能电网联合基金(U2066204)资助。
2023-08-31
2023-10-16
尚 恺 男,1994年生,博士研究生,研究方向为高压电缆绝缘料挤出加工成型与绝缘性能等。E-mail:shangkai@stu.xjtu.edu.cn
李盛涛 男,1963年生,教授,博士生导师,研究方向为电介质理论及其应用、电缆绝缘材料与绝缘技术、电气功能材料及器件等。E-mail:sli@mail.xjtu.edu.cn(通信作者)
(编辑 李 冰)