斗輪機(jī)用10kV扁電纜的研制

文/荔建榮 洪生華 董文鋒（安徽吉安特種線纜制造有限公司）

斗輪機(jī)是現(xiàn)代化工業(yè)大批量粒狀物料連續(xù)裝卸的高效輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口水運(yùn)、礦產(chǎn)開掘、發(fā)電工業(yè)、水泥工業(yè)等粒狀散料存儲(chǔ)料場(chǎng)的堆取作業(yè)。斗輪機(jī)向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展需要更大的輸入和輸出功率，其使用的電力電纜也隨之向高壓化方向發(fā)展。由于電纜使用在露天環(huán)境且彎曲頻繁，要求具有柔韌性、較高的耐電壓性能、抗拉和耐外力損傷性能、耐環(huán)境老化性能及良好的阻水性能和較好的阻燃性能，更要保證電纜的使用壽命，保持電纜在移動(dòng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在外力作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和零位移。

根據(jù)上述的特殊要求，綜合用戶的需求，對(duì)電纜的開發(fā)過程進(jìn)行論述。從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝控制及原材料選用等多方面綜合考慮產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型。

一、電氣運(yùn)行要求

電纜的電氣運(yùn)行要求見表1。

表1 電氣運(yùn)行要求

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)

圖1是斗輪機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖。電纜采用扁平狀結(jié)構(gòu)，由3根絕緣線芯依次排列，絕緣線芯由導(dǎo)體繞包半導(dǎo)電帶、擠包絕緣層、繞包半導(dǎo)電帶、加金屬屏蔽構(gòu)成，3根絕緣線芯平行排列通過擠橡機(jī)擠出護(hù)套并加入加強(qiáng)件組成。

1.導(dǎo)體

由于斗輪機(jī)用中壓扁電纜需要著重考慮到導(dǎo)體的柔軟性、力學(xué)性能、耐潮濕性能和可焊性，導(dǎo)體采用GB/T 3956中第5種鍍錫銅導(dǎo)體。

2.導(dǎo)體半導(dǎo)電屏蔽

由于導(dǎo)體表面會(huì)存在一定程度的缺陷，為防止因?qū)w表面不光滑、不圓整等因素引起的尖端放電現(xiàn)象，在絞合成型的導(dǎo)體表面繞包半導(dǎo)電屏蔽層。半導(dǎo)電層應(yīng)均勻地包覆在導(dǎo)體上，并通過模具壓實(shí)，確保導(dǎo)體屏蔽表面光滑、圓整。

3.絕緣

乙丙橡皮具備很好的電絕緣性和良好的耐濕性，選用高壓乙丙橡皮混合物作為電纜絕緣層。參照GB/T 12706.2-2008標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，8.7/10kV乙丙絕緣厚度絕緣標(biāo)稱厚度4.5mm[1]?？紤]電纜頻繁移動(dòng)及環(huán)境條件苛刻，加大了電纜的絕緣厚度，電纜絕緣厚度設(shè)計(jì)值為平均厚度≥5.0mm，最薄點(diǎn)控制在4.5mm以上，同時(shí)任一斷面上的絕緣偏心度≤10%。以確保絕緣電氣性能達(dá)標(biāo)，并適應(yīng)在惡劣的工況條件下運(yùn)行。

4.絕緣半導(dǎo)電屏蔽

電纜的絕緣屏蔽層設(shè)計(jì)為繞包型半導(dǎo)電屏蔽層，繞包搭蓋率控制在15%以上。

5.金屬屏蔽

由于絕緣半導(dǎo)電和金屬屏蔽共同起著吸附游離雜質(zhì)和對(duì)外界電場(chǎng)的屏蔽作用，斗輪機(jī)電纜的絕緣金屬屏蔽設(shè)計(jì)采用金屬/高彈性模量纖維編織結(jié)構(gòu)，按照電纜對(duì)地線截面的要求來(lái)選擇編織銅絲的直徑，并采用鍍錫軟銅絲，編織金屬/纖維相結(jié)合的組合屏蔽結(jié)構(gòu)，金屬編織屏蔽還可以兼作地線。金屬屏蔽采用鍍錫銅絲編織，編織絲的直徑不小于0.20mm；由于編織單絲交叉絞入較多，物理截面不能達(dá)到有效的電氣截面，每根絕緣線芯編織層的計(jì)算截面不小于5.5mm2，以確保屏蔽兼做地線電氣截面的有效性。同時(shí)與金屬編織的高彈性模量纖維起著加強(qiáng)電纜強(qiáng)度的作用，纖維3根絕緣線芯分別采用黃、綠、紅3種顏色，對(duì)電纜的相序進(jìn)行區(qū)分。

6.電纜護(hù)套

氯丁橡膠的硫化膠強(qiáng)度高，彈性良好，耐氧和耐臭氧老化，耐低溫且耐油，非常適合斗輪機(jī)電纜的外護(hù)套，因此斗輪機(jī)電纜外護(hù)套設(shè)計(jì)選材為符合GB 7594.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氯丁橡皮或類似材料。根據(jù)電纜的阻燃特性要求，護(hù)套的氧指數(shù)應(yīng)在38以上。標(biāo)稱厚度設(shè)計(jì)為4.0mm，任一點(diǎn)的最小測(cè)量厚度應(yīng)不小于3mm。兩根絕緣線芯之間的隔離護(hù)套厚度的設(shè)計(jì)值≥3.0mm，以確保絕緣線芯之間的屏蔽不互相接觸，屏蔽獨(dú)立。起加強(qiáng)作用的鋼絲繩和絕緣線芯之間的護(hù)套也保持在3.0mm以上。

7.鋼絲加強(qiáng)件

加強(qiáng)用的鋼絲繩在護(hù)套擠出時(shí)，通過模具鑲嵌于護(hù)套內(nèi)，鋼絲繩直徑在2.5～3.0mm，鋼絲繩外表面無(wú)油污、斷絲等質(zhì)量缺陷。

三、關(guān)鍵工序的工藝控制及質(zhì)量保證

斗輪機(jī)電纜的生產(chǎn)工藝流程為：導(dǎo)體：5類鍍錫銅導(dǎo)體（束絲→股絞合）→包帶：半導(dǎo)電帶→絕緣：乙丙絕緣（硫化）→包帶：半導(dǎo)電帶→金屬編織：鍍錫銅→包帶：無(wú)紡布繞包→護(hù)套：氯丁橡皮混合物+鋼絲繩（硫化）。下面對(duì)導(dǎo)體束絲和絞合工序、橡膠混煉及擠橡工序等關(guān)鍵工序工藝控制和工裝模具的改進(jìn)進(jìn)行分析并提出保障措施。

1.導(dǎo)體束絲和絞合工序

導(dǎo)體是斗輪機(jī)電纜的核心。電纜扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)導(dǎo)體施加扭力，要維持導(dǎo)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定必須始終保持原始的整體結(jié)構(gòu)。相鄰絞合層之間應(yīng)保持緊密接觸，不發(fā)生相對(duì)位移，故斗輪機(jī)電纜股線絞合相鄰絞合層采用相同的絞合方向。

導(dǎo)體束絲單絲采用0.5mm直徑的鍍錫銅單絲，為確保導(dǎo)體韌性和硬度的適中，導(dǎo)體伸長(zhǎng)率控制在25%～28%比較適宜。束絲時(shí)張力均勻（張力以單絲抗拉強(qiáng)度的30%為宜），單絲排列順序得當(dāng)，依次通過設(shè)備穿線孔，絞合股線圓整，無(wú)跳絲。股線絞合時(shí)同樣股線張力均勻，結(jié)構(gòu)排列合理。股線要求絞合密實(shí)，外表圓整密實(shí)，在試制過程反復(fù)試驗(yàn)，最終采用緊壓導(dǎo)體用的緊壓模具進(jìn)行壓縮。

2.橡膠混煉及擠橡工序

橡皮的混煉工序在電纜生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。橡膠在混煉前，須保持密煉機(jī)等相關(guān)設(shè)備清潔，不得附著任何雜物和異物，存放橡膠原料和成品及設(shè)備周圍的場(chǎng)地需用清水沖洗干凈，并保持地面干燥。在絕緣膠混合過程中，做好現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的清潔和保持工作，保證絕緣混煉膠的潔凈。根據(jù)配方工藝選購(gòu)符合要求的原材料，混煉的原材料必須按照配方工藝規(guī)定的順序分批投放在密煉機(jī)中[2]。

在絕緣和護(hù)套擠出開機(jī)準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)將螺桿、模具、機(jī)頭等部位清理干凈；絕緣線芯的絕緣擠制過程中，要注意現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境清潔，嚴(yán)格按工藝卡片和操作規(guī)程生產(chǎn)，以保證絕緣線芯擠出質(zhì)量。開機(jī)時(shí)調(diào)整好懸垂終點(diǎn)控制器確保絕緣線芯或護(hù)套不擦管。

擠出的絕緣和護(hù)套表面圓整、光滑、緊密，其橫斷面無(wú)肉眼可見的砂眼、雜質(zhì)和氣泡，無(wú)未塑化好和焦化等現(xiàn)象。

3.工裝模具

生產(chǎn)橡皮扁平電纜時(shí)，由于橡膠的粘彈體特性，會(huì)使模套口扁平形中間的壓力最大，流量加快，膨脹，使產(chǎn)品造成凸肚現(xiàn)象。本次試制對(duì)擠出模具進(jìn)行了改進(jìn)，模具示意圖見圖2。模芯錐形孔與多個(gè)開孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間有弧形過渡面，喇叭口形孔與腰形孔之間也分別有弧形過渡面，流道光滑，無(wú)死角，與模芯配合使用時(shí)，可形成穩(wěn)定的擠出壓力，流道里任何部位的出膠量相對(duì)均等，起到了擠出層平整密實(shí)的作用，保證了塑料擠出過程中的流動(dòng)暢通性，使得擠出的護(hù)套厚度均勻。且絕緣線芯和護(hù)套結(jié)合緊密，不產(chǎn)生滑移和扭曲[3]。

模芯錐形孔與多個(gè)開孔內(nèi)側(cè)之間具有弧形過渡面，保障了絕緣線芯通過的順暢、不卡頓，使3個(gè)線芯之間張力均勻。同時(shí)護(hù)套擠出時(shí)，3個(gè)絕緣線芯采用3個(gè)獨(dú)立的主動(dòng)放線架，放線時(shí)3個(gè)絕緣線芯張力保持恒定且相等。確保斗輪機(jī)在使用時(shí)受力均勻，不產(chǎn)生滑移和扭曲變形。

圖2 模具示意圖

四、電纜性能

1.電纜機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

在產(chǎn)品試制完成后電纜關(guān)鍵的機(jī)械性能技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果如下：

絕緣按GB/T 2951.11[4]進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度10.5 N/mm2，斷裂伸長(zhǎng)率268%，老化后抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化率分別為8%和-6%；按GB/T2951.21在250℃下，時(shí)間15 min，負(fù)荷20N/cm2的試驗(yàn)條件下，最大伸長(zhǎng)10%，冷卻后永久變形0%。

護(hù)套按GB/T2951.11進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度15.2 N/mm2，斷裂伸長(zhǎng)率356%，老化后抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化率分別為7%和-9%；按GB/T2951.21在200℃下，時(shí)間15 min，負(fù)荷20N/cm2的試驗(yàn)條件下，最大伸長(zhǎng)30%，冷卻后永久變形10%。

按MT 386進(jìn)行成束燃燒試驗(yàn)，碳化部分高度為1.0m。

產(chǎn)品外形尺寸為89.0mm×31.2mm。

2.成品電氣性能試驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)品試制完成后按GB/T3048[5]進(jìn)行成品電氣性能試驗(yàn)。20℃導(dǎo)體直流電阻測(cè)試結(jié)果為0.518Ω/km，線芯絕緣電阻為1050 MΩ·km，在設(shè)備靈敏度小于等于20pC下未見可見放電，在工頻22kV、時(shí)間15min耐壓試驗(yàn)下電纜未擊穿。

五、小結(jié)

本文所述斗輪機(jī)電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)稱，屏蔽良好，性能優(yōu)良，也可以適用于電力、冶金、石油化工、礦山、水泥、船舶工業(yè)、港口等有關(guān)行業(yè)的相關(guān)場(chǎng)所的取堆作業(yè)及上述場(chǎng)所的變頻動(dòng)力系統(tǒng)。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步、電氣成套系統(tǒng)的發(fā)展，也可以考慮對(duì)斗輪機(jī)電纜的性能進(jìn)行進(jìn)一步提升。例如，采用三層共擠的橡皮生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體半導(dǎo)電屏蔽，絕緣和絕緣半導(dǎo)電屏蔽一次擠出成型，進(jìn)一步提高絕緣的電氣性能；TPU強(qiáng)度高，彈性好，因此斗輪機(jī)電纜也可以考慮選擇TPU作為電纜的外護(hù)套；芳綸紗可以對(duì)電纜本體形成增強(qiáng)保護(hù)，也可以提高電纜的柔韌性，必要時(shí)也可考慮采用芳綸紗的編織加強(qiáng)；隨著系統(tǒng)的升級(jí)，斗輪機(jī)電纜還可以復(fù)合攜帶控制電纜或光纖用于系統(tǒng)通信。