新型直流低电感方形电力电缆的研制

2 0 0 9年第 4期 No 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 9年 8月 Aug 2 0 09 新型直流低 电感方形 电力 电缆 的研制 曹振 霞 尹 国荣 郭 高斌 青 岛青缆科技有限责任公 司 山东 青岛 2 6 6 1 0 0 摘要 阐述一种新 型直流分 配用低 电感方形 电力 电缆的性能要 求 通过合 理的结构设计 材料选 用并制订严密 的工艺方案及有效的生产过程控制 研制 出具有低烟 无 卤 阻燃和低 电感等特性的交联聚烯烃绝缘和聚烯烃 护套 直流分配 用方形 电缆 产品的各项性 能指标达到 了设计 和用户的要 求 并在 爱立信 中国项 目中敷 设使 用 运行情 况稳定和 良好 关键词 方型 电力 电缆研 制 交联聚烯烃绝缘 和护套 低烟无 卤 阻燃 低 电感 中图分类号 T M2 4 6 9 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 6 9 0 1 2 0 0 9 0 4 0 0 1 8 0 4 De v e l op me nt o f a Ne w Typ e o f Lo w I nd uc t a n c e Re c t a ng u l a r DC Po we r Ca bl e CA0 Zh e n x i a e t a l Q i n g d a o Q i n g C a b l e s T e e h n o l i g i e s C o L t d Q i n g d a o 2 6 6 1 0 0 C h i n a Ab s t r ac t The p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s o f a ne w t y p e o f l o w i nd u c t a nc e r e c t a n g u l a r p o we r c a bl e f o r DC di s t r i b u t i o n we r e di s c us s e d By r a t i o na l c o ns t r uc t i o n de s i g n ma t e r i a l s e l e c t i o n s t r i c t p r o c e s s i n g p r o g r a m a n d e f f e c t i v e p r o d uc t i o n c o n t r o l a ne w t y p e o f po l y o l e fin e i n s u l a t e d a nd s he a t h e d r e c t a n g u l a r po we r ca b l e f o r DC d i s t r i bu t i o n wi t h l o w s mo k e z e r o h a l o g e n fla me r e t a r d a n c e a n d l o w i n du c t a n c e wa s d e v e l o pe d Th e ne w c a b l e me e t s t h e r e q ui r e me nt s o f de s i g n a n d a p p l i c a t i o n i n e v e r y r e s p e c t a n d wa s i n s t a l l e d a n d p u t i n t o o p e r a t i o n i n a p r o j e c t b y E r i c c s o n C h i n a T h e o p e r a t i o n o f t h e c a b l e pr o v e s t o be g o o d a nd r e l i a b l e Ke y wor ds d e v e l o p me n t o f r e c t a ngu l a r p o we r c a bl e p o l y o l e fin e i n s u l a t i o n a nd s h e a t h l o w s mo ke a n d z e r o h a l o g e n fla me r e t a r da n c e l o w i nd u c t a nc e O 引 言 随着电缆 国际市场进一步开放 市场需求 的 日 新月 异 许 多特殊 用 途 和结 构 的 电缆 产 品不 断拓 展 了电缆企业的产品开发范围 本公司根据用户提供 的产品技术规范及相关 的资料 研制 了这种新 型的 直流 低 电感 方形 电 力 电缆 产 品 设计 是 用 于 通讯 设 备系统的动力传输 要求环保 阻燃及低电感 并 能 满足基站的运行环境 样 品经检测及用户的使用 验证 了该 系列产 品在工 艺技术 和产 品功 能上具 有创 新性 并满 足使用 要求 1 电缆特点及用途 该系列直流低电感方形电力电缆的最大结构特 点有别于普通电缆 外形为方形 适用于客户接线使 用的特殊端 口 绝缘和护套均使用低烟无卤阻燃聚 烯烃材料 是 目前应用于低压 电缆最环保节能的绿 收稿 日期 2 0 0 9 3 3 0 作者简介 曹振霞 1 9 7 6一 女 工程师 作者地 址 山东青 岛市 3 0 8国道 2 4 3号 甲 2 6 6 1 0 0 色材料 能在火灾引燃的情况下 不产生对人身伤害 的有毒气体 具有高 的阻燃特性 不含有 卤素 发烟 率低 以及 不 含 有 对 环 境 造 成 有 害 的铅 镉 等 重 金 属 符合欧盟 R o H S环保指令的要求 该产 品具有 自身 屏蔽功 能 电感 低 绝 缘 和护套 均 采用辐 照交联 聚烯 烃材料 耐热性 能 良好 可 以长 期 在 1 0 5 o C环境 温度 下工作 并能 够承 载大 电流 增 加 了系统 运行 安全性 目前 这种 低 电感 直流分 配方形 电力 电缆 可 以广 泛应用于人员密集的智能化功能大楼的动力传输系 统 因本 电缆 的最 大特 点 是 电感 低 屏 蔽效 果 好 尤 其适用于基站动力传输 应用市场很广阔 2 产 品结构 直流低电感方形电力电缆的电压等级为 1 0 0 V 及以下 导电线芯为柔软型的 5类绞合导体 扁平形 结构 耐 温 等级 为 1 0 5 导线 标 称截 面 6 1 6 mm 成品 电缆结构为方形 有别于传统 的电线 电 缆 如 图 1 所示 2 0 0 9年第 4期 No 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t ric Wi r e Ca bl e 2 0 0 9年 8月 Au g 2 0 09 导体 绝缘层 编织屏蔽层 护套层 图 1 新 型直 流 低 电感 方 形 电力 电缆 结 构 3 生产 工艺流 程及控 制要点 虽然该产品在结构上与普通电线电缆具有显著 差别 但其加工过程并不复杂 只要对其特殊工艺和 工装进行改进 一般 的生产设备即可满足批量生产 的要 求 主要工 艺流程 如 图 2所 示 图 2 新 型直流低电感 方形 电力电缆主要 工艺 流程 3 1扁 平导体 加工 为了确保导体不易氧化 单根导线采用了镀锡 铜线 由于要求导体较柔软 因此本 电缆扁平导体 结构采 用 了 5类 绞 合 导线 例 如 6 mm 线 芯 采 用 2 8 0 3 m m束绞为绞线 为了保证扁平导体成型 三 束绞线平行放线与绝缘挤 出同步进行 通过 自主设 计的导体放线装置 并利用绝缘挤出的扁平模具 保 证 了扁平 导线 的质 量 3 2绝缘 挤 出 绝缘 选用 了无 卤低烟 高 阻燃交联 聚烯 烃 该材 料是以聚烯烃树脂为基料 加入特殊改性剂 无 卤阻 燃剂 抗氧剂 交联敏化剂等其它特殊助剂 经特殊 工艺加 工而 成 具 有 优 良 电气 性 能 和机 械 性 能 绝 缘 材料 的主 要性能 见表 1 由于低 烟无 卤材料 的特殊 性 胶 料 的可塑 性 流 动性等加工性能与常规材料差异较大 而挤 出却使 用了普通螺杆的挤塑机 因此针对材料 的性能及设 备情况必须对挤出模具进行改进 我公司自主设计 扁形绝 缘挤 出模 具 合 理调 整模 具 的定径 区长度 模 套内锥角角度 使挤包绝缘紧密且偏心度易控制 其 次 模具 内表面光滑 无划痕 以便减小胶料流动阻 力 这样既保证了绝缘线芯尺寸的稳定性 也保证 了后续 产 品加工 工序 的结构 稳定性 绝 缘 挤 出过 程 中 主要 进 行 以下 几 个 方 面 的 控 制 1 避免杂质和焦烧粒子等 引起绝缘线 芯击 穿 生产前对设备和模具进行彻底清理 挤出过程中 表 1 绝缘 和护套材 料的主要性能 项 目 标准值 实测值 老化前 抗 拉强度 MP a 1 0 0 l 5 O 断裂伸长率 1 0 0 l 7 0 老化后 1 3 5 2 1 6 8 h 抗拉强度保留率 8 0 1 0 5 断裂伸长率保 留率 8 O 1 O 2 热延伸 2 0 0 3 0 2 MP a 1 5 mi n 载荷下伸 长率 l 7 5 2 5 永 久变形率 1 5 3 2 0 体积电阻率 n m 1 0 1 0 4 0 1 0 介 电强度 k V mm 2 0 2 6 氧指数 3 0 3 3 烟密度 有焰 l 0 0 6 5 烟密度 无焰 2 0 0 l 3 5 放出气体酸度 p H 4 3 6 1 放出气体电导率 S mm 1 0 O 9 低温脆化温度 一 2 5 通过 低 温 脆 化 温 度 考 核 指 标 为 一2 5 条 件 F进 行 试 验 护 套 不 开裂 避 免杂 质混 入料 中 同时 严格 控 制 挤 出温度 和螺 杆 转 速 2 导体 为 三束 绞线平 行放 线 因此 一定要 避 免交叉乱线 应使用特制的放线架 以保证放线均匀 一 致 3 两根绝缘线芯的结构 尺寸应保持一致 颜 色均 匀 4 排线应整齐 以避免编织并线时翻身扭伤 绝缘 5 结 合材 料 塑性 及 流 动 性 合 理 调 整模 芯 与 模套间距 使挤包密实 且不能出现倒胶现象 3 3编 织工序 电 缆 屏 蔽 由两 根 扁 平 绝 缘 线 芯平 行 放 置 后 编 织 这样既提高 了生产效率 又提高 了缆芯质量的稳 定 采 用单 线直 径 为 0 1 5 m m 镀 锡铜 线 进 行 编织 编织密 度达 到 9 0 以上 以保 证 电缆具 有 良好 的屏 蔽 效果 这种 同步平行放线编织工艺 需要主要控制两 根 扁形 绝缘线 芯 的 平行 放 线 避 免 在 生 产 过程 中翻 身 造成绝缘过模 时产生扭伤 划伤现象 选用合适 的并线模具 保证编织后外形尺寸均匀和稳定 编织 丝 断头续 股 的地 方要 处 理 平 整 防 止 扎破 绝 缘 和 护 套 l 9 2 0 0 9年第 4期 No 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca bl e 2 0 0 9年 8月 Au g 2 0 09 3 4护 套挤 出 为使电缆具有低烟 无 卤 阻燃等特性 护套材 料 同样 采用 了无 卤低 烟 高阻 燃 聚 烯烃 材 料 并 通过 辐照交 联 的方 式 使 线 性 聚 合 物大 分 子 变成 三 度 空 间的 网状结构 提高 其热稳 定性 和成 炭性 并 具有较 高 的氧 指数 护套 材料 的主要性 能见 表 1 护套挤 出工艺 中要点是控制护套的厚度 保证 结构尺 寸稳定 以满 足使用 要求 护套表 面应 光滑平 整 不能有杂质 疙瘩等肉眼可见的缺陷 4 电感 的分析和测量 4 1 方形 电力 电缆低 电感原 理 的分析 因 目前还没 有相关 文献 报道 方形 电力 电缆的 电 感计算公式 但 可借鉴文献 1 中圆形电力 电缆 电 感计 算公 式来分 析方形 电力 电缆 的低 电感原 理 图 3为 两根 平 行敷 设 圆形 电缆组 成 的回路 图 中 D 为 电缆 导 电线 芯 外 径 为 电缆 绝 缘 厚 度 S 为 两电缆 中心轴 之 间的距 离 由于 电缆 长度 f 一 般 远大于 Js和 D 因此 可 以将其作 为恒定平面磁场 进行 分析 图 4为方 形 电力 电缆两根扁 平导 线组 成 的 回路 图 中 o b分 别 为 扁 平 导 线 的 长 与 宽 S 为两 扁平 导线 中心 轴 之 间 的距 离 为 电 缆 的绝 缘 厚度 为了便于 比较 设 方 形 电力 电缆 扁 平 形导 电 线芯的截面与圆形导线相同 而且两者绝缘厚度也 相 同 A R 图 3 两根平行敷设 的圆形 电力 电缆组成 的回路 A B l b I A l 一 l J0 I L 一 图 4 方形电力电缆的两根扁平导体组成 的回路 由于圆形 电缆 和方形 电缆产 生 的电磁 场是截 然 不同的 圆形导体的磁场是环绕着各 自的导体呈 圆 形 曲线 电场 除 了由两 导体 之 间形 成 的少量 的直线 20 组成之外 大多数 由弧形 曲线所组成 而扁平形导 线产生的磁场 由环绕着各 自导体呈椭圆形 曲线所组 成 电场大多数 由两导体之间呈直线分布的组成 少 量的由在扁平导体顶端呈圆弧形的曲线所组成 因 此 对这 两种不 同结 构 的电缆 进行 电感大小 的分 析 只能说是 作相 对 的 近似 的 比较 和分析 由文献 1 可知 两根平行敷设 的圆形 电力电 缆组成回路时 电缆单位长度 内电感为 L f 2 Z IX 0 8 0 5 1 0 H m 1 式 中 t 为 内感 H m W 为 线 芯 中 所 储 蓄 能 量 W 为线 芯 内电流 A z 为 电缆长 度 m 为 真 空磁导 系数 4 1 T 1 0 H m 单位长度电缆的外电感 为 L 2 I I 0 2 r l n 2 S D 2 1 n 2 S D 1 0 H m 2 式 中 为线芯外 磁通 Wb S为 两 电缆 中心轴 间 距离 m D 为 电缆导 电线芯外 径 m 电缆 回路单 位长 度总 电感为 L L L L f 2 1 n 2 S D x 1 0 H m 3 由式 3 可 知 两 根 平行 敷设 的 圆形 电 力 电 缆 组成的回路 电缆单位长度 的电感是随着两导体 中 心轴 之 间距 离 s 的减 小而减 小 随着 电缆 直径 D 的 减小 而增大 从 图 3和 图 4可 知 尽 管两 根 平行 敷设 的 圆形 电力 电缆与方形电力电缆的导体截面和绝缘厚度相 同 但 由于圆形导体转换为等截面扁平导体过程中 将发 生如 下两种 情况 1 两根 扁 平 导体 的 中心 轴 距离 s 要小于两根平行敷设 的圆形 电缆 中心轴距 离 S 2 圆形导体转换为等截面扁平导体过程中 相 当于把部 分导 体各 自转 移并 靠 近 从 而使 两 导 体 之 间的 电气 距 离缩 短 基 于这 两 点 就容 易 理 解 为 什么扁平导体组成的方形电力 电缆 其电感值要 比 两根平行敷设的圆形 电力电缆低 实践也证 明了这 一 点 4 2 方形 电力 电缆 电感 的测量 直流低电感方形电力电缆的一个显著特点就是 电感较低 其 中 2 x 6 m m 方形电缆的成 品电感要 求不超过 0 4 H m 由于测量电力电缆的电感在 线缆行业 中并不多见 因此我们使用了测量射频 电 缆电感参数的 C G 2 8 1 1型 L C R测量仪 来测量方形 电缆 的电感这 一参数 下转第 2 9页 2 0 0 9年第 4期 No 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 9年 8月 Au g 2 0 09 表 2绝缘线芯的性能 性能 测定值 原始抗张强度 N mm 7 6 原始断裂伸长率 4 6 3 单根垂直燃烧试验 通过 绝缘电阻常数 Mn k m 2 O 1 3 6 6 6 0 6 5 6 9 0 l 2 3 空气箱老化 1 3 5 1 0 d 抗张强度 N ram 7 5 抗张强度变化率 1 断裂伸长率 3 8 8 断裂伸长率变化率 1 6 辐照试验 常温 1 0 0 0 k G y 抗 张 强度 N mm 6 8 断裂伸长率 2 O l 单根垂直燃烧试验 通过 3 结束语 通过合 理选 择 基 体 材料 阻燃 剂 活 性 剂 防老 剂等 配合材 料 并 采 用 正交 试 验 的 方 法对 主 要 配 合 剂 的用 量进 行 了研 究 确定 了耐 辐 照无 卤低 烟 阻燃 绝缘材料的配方 该绝缘材料具有高阻燃性能 抗 辐 照性 能 同时具 有 良好 的机 械性 能和 电绝 缘性能 可用 于 0 6 1 k V及 以 下核 电站用 电缆 的无 卤低 烟 阻燃 绝缘 材料 参考文献 1 张军 侯秀云 黄国良 等 P WR核电厂 1 E级 K1 类 电缆绝 缘护套的性能与研究 J 绝缘材料通讯 1 9 9 8 1 2 7 2 9 2 王福志 姜松奕 郑红 等 核电站用 1 E级电缆结构 设计及 有关试验 的探讨 J 电线 电缆 2 0 0 6 6 1 4 1 8 3 王松 明 李斌 谈建伟 等 核 电站用电缆绝缘料 P 中国 专 利 2 0 0 6 1 0 0 4 1 5 1 7 0 4 徐华胜 韩惠福 赵国平 等 耐核环境 电缆绝缘材料 P 中 国专利 2 0 0 6 1 0 0 9 7 6 5 4 6 5 金又又 核 电站 用低烟无 卤阻燃 电缆 绝缘与护 套料 P 中 国专利 2 0 0 6 1 0 1 6 6 4 2 2 1 6 李 玉华 耐辐射无 卤阻燃绝缘 E P DM电缆胶料 的研究 J 橡 胶 工 业 1 9 9 7 4 4 5 2 7 3 2 7 6 7 邓本诚 李俊山编著 橡胶塑料共 混改性 M 北 京 中 国石 化出版社 1 9 9 6 2 0 4 8 戴焰林 施利毅 洪玲 等 氢氧 化镁阻燃 剂 在聚合 物材料 中的应用 J 应用化工 2 0 0 3 3 2 4 1 5 9 刘海燕 刘 海波 郭平 无机阻燃剂 进展 J 化学 与黏合 2 0 0 5 2 7 3