西安交通大学尚恺、王诗航、李盛涛 等：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

阅读提示：本文约 2600 字

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。通过仿真模拟可以得到不同黏度参数下的绝缘料挤出特性变化规律。进而可以根据实际电缆绝缘料挤出生产需求，提出绝缘料黏度参数的适宜范围，同时也为国产绝缘料的性能提升提供改进建议。

研究背景

高压电缆向高电压等级和大长度的发展，对交联聚乙烯绝缘料的挤出特性提出了更高的要求。高压电缆交联聚乙烯绝缘层由绝缘料熔融挤出加工成型。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。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。

图1 电缆结构示意图和绝缘层挤出成型示意图

论文所解决的问题及意义

本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，提出了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。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。本研究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。

论文方法及创新点

1.绝缘料熔体挤出过程仿真

通过绝缘料黏度曲线拟合得到其黏度参数（图2），使用仿真方法得到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图（图3）。可以看出，绝缘料熔体在单螺杆的剪切作用下熔体温度逐渐升高，最高温度出现在螺棱与筒壁的间隙处，此处熔体受剪切速率较大，黏度较小，黏性生热更明显，容易积聚热量导致局部高温。

在实际生产中，要求熔体流速较快以保持较高的产量，同时要避免流道中的局部高温以防止焦烧。因此，本文在仿真结果中选择挤出口流率和熔体挤出过程中的最高温度作为挤出特性的判别依据。

图2 绝缘料黏度曲线和拟合结果

图3 绝缘料在挤出过程中的温度分布

2.不同黏度参数对挤出特性的影响

通过改变黏度参数，统计绝缘料在挤出过程中的最高温度和挤出口流率，得到零切黏度、松弛时间、幂律指数和温度系数对最高温度和挤出口流率的影响规律（图4）。结果表明，零切黏度和幂率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。

图4 不同黏度参数对挤出特性的影响规律

3.最高温度-挤出口流率曲线

将不同黏度参数影响下的挤出口流率和最高温度这两个挤出特性的变化规律总结如图5所示。结果表明，零切黏度和松弛时间对挤出特性的影响最大，幂率指数次之，温度系数的影响最小。从整体上看，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。

图中体现出两条虚线参考线，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。

图5 不同黏度参数影响下的最高温度-挤出口流率变化曲线

结论

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。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。

在任意黏度参数下，最高温度都随挤出口流率增大而增大，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，幂率指数的影响次之，温度系数对挤出特性影响最小且近似呈线性关系。对于高压电缆绝缘在实际生产中的需求，获得了绝缘料适宜的各黏度参数范围。并对提升国产绝缘料方面提出建议，即要将改进绝缘料中LDPE基料的相对平均分子量放在首位，其次优化分子量分布，适当增加长支链数，以调整高压电缆交联聚乙烯绝缘料的黏度参数，最终提升其挤出特性。

团队介绍

西安交通大学先进电工材料研究中心，现有教授4名，副教授5名，高级工程师1人，助理教授4人。中心负责人为李盛涛教授，团队始终面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术，开展多元研究：包括超/特高压电力设备绝缘、先进电工材料基础、极端条件下的绝缘问题和绝缘学科基础研究。团队成员聚焦高水平论文，研究成果在PRL、CSTE、APL、J. Phys. Chem. Lett.、Macromolecules、IEEE会刊等知名期刊发表论文500余篇，其中SCI收录600余篇，论文总被引量逾12000次，授权发明专利近30项。

李盛涛

1963年出生，教授，博士生导师，西安交通大学领军学者。电工材料电气绝缘全国重点实验室常务副主任、西安交通大学先进电工材料研究中心主任。入选教育部新世纪人才计划、国家杰出青年基金获得者、享受政府特殊津贴专家、全国优秀科技工作者、国家精品课程“电介质物理”负责人之一，国务院学位委员会电气工程学科评议组第七届成员、第八届召集人，中国电工技术学会会士。主要从事电介质理论及其应用、电气功能材料及器件的研究、极端条件下的绝缘材料和绝缘技术等方面的研究。。

王诗航

1990年生，西安交通大学电气工程学院副教授，学生就业创业指导服务中心副主任（挂职），电工材料电气绝缘全国重点实验室学术委员会秘书处成员，入选西安交通大学青年优秀人才支持计划A类。主持/参与科研项目十余项，包括国家自然科学基金青年基金、面上基金、智能电网联合基金重点项目，重点实验室开放课题，国家电网重大项目等。发表论文60余篇，申请发明专利17项，参与编写英文专著2部、中文教材1部，获2022年中国电工技术学会科技进步一等奖。

尚恺

1994年生，博士生，主要研究方向为高压电缆交联聚乙烯绝缘材料及其挤出成型特性。第一作者发表论文2篇，申请发明专利1项。参与智能电网联合基金重点项目和国家电网总部科技项目共3项。

本文编自2024年第3期《电工技术学报》，论文标题为“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”。本课题得到国家自然科学基金智能电网联合基金和国家电网有限公司总部管理科技项目的支持。

引用本文

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 [J]. 电工技术学报, 2024, 39(03): 810-819. Shang Kai, Li Jiacai, Wang Shihang, Li Shengtao. Simulation Study on the Extrusion Performances Base on the Viscosity Parameters of Crosslinked Polyethylene Insulating Materials for High-voltage Cables, 2024, 39(03): 810-819.

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