一種具有夜光功能的露天煤礦用10kV光電復(fù)合橡套電纜的設(shè)計(jì)與制造

朱峰林 李兵 葉磊

(安徽凌宇電纜科技有限公司,安徽無為 238371)

一種具有夜光功能的露天煤礦用10kV光電復(fù)合橡套電纜的設(shè)計(jì)與制造

朱峰林 李兵 葉磊

(安徽凌宇電纜科技有限公司,安徽無為 238371)

以具有夜光功能的露天煤礦用10kV光電復(fù)合橡套電纜為研究對(duì)象,論述了露天煤礦用光電復(fù)合橡套電纜的性能-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,指出了其在加工制造過程中涉及的主要原材料選擇、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的工藝控制。最后,成功試制了一批具有夜光功能的露天煤礦用8.7/10kV光電復(fù)合橡套,各項(xiàng)性能符合技術(shù)要求,已在山西的露天煤礦得到成功應(yīng)用。

光電復(fù)合橡套電纜 螺旋夜光條紋 耐磨性 露天煤礦

光電復(fù)合纜是一種在傳統(tǒng)的電力線纜中復(fù)合光纖單元，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)通電或防雷功能的同時(shí)進(jìn)行光纖通信。較傳統(tǒng)電纜而言，其特征在于：輸電電芯間設(shè)有光纜線芯，可同時(shí)傳輸光、電信號(hào)，而且具備重量輕、施工方便、成本低等優(yōu)勢(shì)。已被廣泛應(yīng)用于電信網(wǎng)建設(shè) ﹑安防監(jiān)控項(xiàng)目以及特定工況的場合。然而，光電復(fù)合纜線在某些電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境(比如皮帶運(yùn)輸機(jī)、港機(jī)、移動(dòng)變電站等)條件下容易受到外部環(huán)境的沖擊，造成纜線供電故障以及人身的安全等問題，為配合千伏級(jí)電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，國內(nèi)已設(shè)計(jì)和試制了各種不同型式的光電復(fù)合電纜。因此，在這些特殊工況條件下，需要對(duì)光電復(fù)合纜進(jìn)行屏蔽保護(hù)處理形成所謂的光電復(fù)合橡套電纜才能得到安全可靠的應(yīng)用。

根據(jù)上述研究背景，結(jié)合當(dāng)前露天煤礦用電纜時(shí)常由于夜間視線差被卡車或其它運(yùn)載設(shè)備意外壓壞而導(dǎo)致電纜使用壽命下降的現(xiàn)實(shí)問題，開發(fā)一種具有夜光功能的光電復(fù)合電纜是必不可少的，但這種光電復(fù)合電纜的加工工藝復(fù)雜，具有很高的制造技術(shù)難度：(1)怎么樣使光纖在高溫高壓力條件不變形或少變形，還要滿足光纖衰減要求；(2)大厚度聚氨酯護(hù)套擠出；(3)螺旋型夜光條紋的加工。

基于上述技術(shù)難點(diǎn)，本文成功設(shè)計(jì)并研制了一種適合露天煤礦用具有夜光功能的10kV光電復(fù)合橡套電纜。該電纜內(nèi)置光纜，可以傳輸電能同時(shí)傳輸視頻或信號(hào)；采用含稀土元素的快速干燥型黃綠色蓄光油漆來實(shí)現(xiàn)線纜的夜光功能；選用聚氨酯彈性體材料作為纜線的外護(hù)套材料以提高纜線護(hù)套的耐磨性能、阻燃性能以及優(yōu)異的彈性性能。

1 性能-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 光電復(fù)合橡套電纜的性能要求

為實(shí)現(xiàn)光電復(fù)合橡套電纜能夠?qū)崿F(xiàn)高效、安全可靠的運(yùn)用，需要電纜內(nèi)每一部件都要滿足露天煤礦下的使用要求。現(xiàn)對(duì)每一部件的性能要求進(jìn)行分析。

(1)導(dǎo)體。電纜由于在地面頻繁拖動(dòng)，導(dǎo)體要求柔軟，采用符合GB/T3956-2008規(guī)定的五類鍍錫銅導(dǎo)體，導(dǎo)體絞合束合節(jié)距比控制在18-20倍，復(fù)絞最外層控制在12-14倍。

(2)導(dǎo)體屏蔽。為了改善導(dǎo)體表面的電場分布均化電場和消除導(dǎo)體與絕緣層之間氣隙，同時(shí)防止導(dǎo)體絞合過程中的毛刺等尖端突起刺入半導(dǎo)電層或絕緣層，導(dǎo)體屏蔽層采用繞包半導(dǎo)電層+擠包半導(dǎo)電橡皮層雙層屏蔽結(jié)構(gòu)形式。

表1 三種外護(hù)套材料的性能對(duì)比

(3)絕緣。根據(jù)電壓等級(jí)，選用高電氣性能的乙丙橡皮作為絕緣層，采用公司自行研發(fā)的橡皮配方，保證絕緣強(qiáng)度不小于8.0MPa，并參考MT818.6-2009標(biāo)準(zhǔn)，確定絕緣層厚度和20℃絕緣電阻，以保證成品電纜能夠經(jīng)受30.5kV/5min，電纜不擊穿。

(4)絕緣屏蔽。絕緣屏蔽層采用擠包半導(dǎo)電橡皮層+鍍錫銅絲編織屏蔽雙層結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)電橡皮采用可剝離型，剝離力應(yīng)控制在4-45N之間，便于電纜的接頭安裝，鍍錫銅絲編織層相當(dāng)于給絕緣線芯增加一層鎧裝層。編織層兼做地線。

(5)光纜。光纜隨著電纜頻繁移動(dòng)，光纜的加強(qiáng)件應(yīng)選用多股絞合的鋼絲繩，光纜應(yīng)放置在纜芯中間(見結(jié)構(gòu)示意圖1)，這樣設(shè)置的目的是光纜在彎曲移動(dòng)受力最小，有利于保護(hù)光纜減小衰減，同時(shí)可以有效阻擋熱量傳遞，避免或減小光纜受熱變形。

(6)護(hù)套。根據(jù)電纜的使用環(huán)境和使用條件，電纜護(hù)套采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)護(hù)套采用具有絕緣功能的XJ-10型橡皮，外護(hù)套采用阻燃熱塑性聚氨酯材料，內(nèi)外護(hù)套層厚度參考MT818.6-2008標(biāo)準(zhǔn)。

(7)監(jiān)視層。監(jiān)視層采用半導(dǎo)電帶包層+監(jiān)視線(三根間隔均勻絞合在纜芯外)+半導(dǎo)電帶包層結(jié)構(gòu)型式。

(8)夜光條。為了使電纜在夜間具有可視的發(fā)光效果，要求電纜表面設(shè)有一種夜間可發(fā)光材料；為了使電纜從不同角度都可以看到發(fā)光效果，要求電纜表面的發(fā)光條紋為螺旋條紋狀。螺旋夜光條紋通過利用盤絞機(jī)絞合成纜方式帶動(dòng)電纜的旋轉(zhuǎn)，利用噴涂方式在電纜表面均勻噴上一層光滑條紋。

1.2 光電復(fù)合橡套電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于，電纜保證通信用的光單元和供電用的電單元性能的同時(shí)電纜還必須要求具有良好的夜間發(fā)光特性(發(fā)光層能經(jīng)久耐用)和電纜護(hù)套具有優(yōu)異的耐磨損性能。所設(shè)計(jì)的電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 主要原料優(yōu)選

(1)絕緣層。依據(jù)電壓等級(jí)及MT818.6-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜絕緣電阻的要求，選用20℃體積電阻率不小于1*1016Ω·cm的材料，同時(shí)考慮導(dǎo)體應(yīng)能長期在90℃條件下工作，要求材料必須具有優(yōu)異的耐老化性能，因此選用電氣性能優(yōu)異的三元乙丙橡皮，由于電纜經(jīng)常頻繁移動(dòng)，因此性能在滿足GB 7594.8中XJ-30型的規(guī)定同時(shí)抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于8.0MPa。

(2)外護(hù)套。露天煤礦對(duì)護(hù)套的機(jī)械性能和阻燃性能要求較高，它不僅要求電纜護(hù)套具有優(yōu)異的耐磨性能、抗拉、抗撕裂、耐阻燃、耐候性能，還需要電纜具有優(yōu)異的彈性。作為露天煤礦移動(dòng)用電纜護(hù)套材料常用材料有：氯化聚乙烯橡皮、氯丁橡膠橡皮和聚氨酯彈性體。通過這三種性能的綜合比較(見表1)，選用聚氨酯彈性體(TPU)材料作為電纜的外護(hù)套材料。

(3)夜光油漆。為了滿足設(shè)計(jì)與工藝的要求，夜光油漆的選擇遵循以下幾點(diǎn)要求：①白天吸收光源夜間自發(fā)光功能，反射電纜或反射電燈和探照燈光；②持續(xù)發(fā)光時(shí)間長(10-12小時(shí))，無限循環(huán)使用；③發(fā)光強(qiáng)度大，通過對(duì)比試驗(yàn)，選用黃綠色夜光油漆發(fā)光效果最好；④油漆必須與電纜外護(hù)套材料具有優(yōu)異的附著力、抗沖擊力強(qiáng)，保證電纜在移動(dòng)過程中不輕易被拖掉或刮掉；⑤必須能快速干燥(干燥時(shí)間表干應(yīng)在3-5分鐘內(nèi))。綜合以上要求，最終確定選用含稀土元素的快速干燥型黃綠色蓄光油漆。

2.2 關(guān)鍵工序的工藝控制

該電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)比較繁瑣，因此需要特別注重關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制。

(1)成纜工藝。成纜時(shí)應(yīng)保證各單元的在絞合過程中受力均勻，避免主線芯對(duì)光纜的過渡擠壓。

(2)阻燃聚氨酯護(hù)套層的擠出工藝。在護(hù)套擠出過程中， 為有效減少表面的氣孔、氣泡或起泡現(xiàn)象。需要對(duì)料子進(jìn)行充分干燥，消除料子中的水分影響，同時(shí)要求縮短冷卻水槽與模口的距離；此外，當(dāng)擠出過程中出膠量大時(shí)，螺桿的剪切力會(huì)增加、摩擦生熱量增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體溫度過高易引起TPU分解。因此，在擠出過程中注意觀察護(hù)套外觀，適時(shí)需要降低機(jī)身溫度。模口四周有積料可以通過對(duì)模具調(diào)整，模套外口設(shè)置倒角來解決。

(3)螺旋夜光條的工藝路線。電纜表面加工螺旋狀夜光條紋的路線如下：先在電纜表面疏繞一層包帶，后通過盤絞機(jī)旋轉(zhuǎn)收線帶動(dòng)電纜的旋轉(zhuǎn)，利用噴涂方式在疏繞的包帶間隙均勻噴上一層夜光油漆，油漆干燥后除掉表面包帶即可。在加工過程中需要注意以下兩點(diǎn)：①噴漆裝置離電纜表面距離要合適：對(duì)電纜表面進(jìn)行夜光油漆噴涂時(shí)，要調(diào)整好噴嘴與表面距離，離的太遠(yuǎn)，夜光油漆里面的稀釋劑揮發(fā)過快，油漆變成粉狀，不能與護(hù)套表面很好的附著；噴嘴與電纜表面距離太近，夜光油漆稀釋劑不能及時(shí)揮發(fā)，油漆干燥不了堆積在護(hù)套表面形成不了均勻光滑夜光條，且夜光條容易在被刮花。②夜光條噴除厚度適中：噴除的夜光條厚度太薄，夜間發(fā)光效果差，夜光條厚度太厚，第一不容易快速干燥影響生產(chǎn)速度，其次浪費(fèi)太大。通過試驗(yàn)在夜光條噴涂厚度在0.2-0.3mm這樣既能滿足生產(chǎn)要求，又能得到良好的發(fā)光效果，同時(shí)可以節(jié)約成本。

3 結(jié)語

通過反復(fù)工藝試驗(yàn)，項(xiàng)目組從2013年3月起至2013年8月成功試制一批規(guī)格為3*185+3*70/3+3*2.5+光纜(10芯、9/125單模光纖)具有夜光功能的露天煤礦用8.7/10kV光電復(fù)合橡套，于2013年9月在山西的露天煤礦調(diào)試成功，至今運(yùn)行正常，效果良好。通過這次光電復(fù)合電纜的成功試制，為研制開發(fā)其它類似電纜產(chǎn)品提供重要的指導(dǎo)意義。

[1]MT818-2009煤礦用電纜[S].

[2]GB/T3956-2008電纜的導(dǎo)體[S].

[3]徐錫麟主編,電線電纜手冊(cè)第2冊(cè)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社.

taking type 10kV optical/electrical composite cable(OECC)with luminous function applied in an Opencoast Mine as the example.The key points of designing the Property and Structure of OECC with luminous function.The problems including the election of major materials and the key technical control of OECC and some key parameters were pointed out.Finally,8.7/10kV optical/electrical composite cable (OECC)with luminous function were successfully manufactured,whose various properties were in accordance with the requirements.And this product were successfully applied in Shan Xi opencast mine.

optical/electrical composite cable Spiral luminous stripes Abrasion resistance Opencast Mine