新型直流低电感方形电力电缆的研制.pdf

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 ae 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 dBy 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 dTh 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 61 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 52 ， 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 03 ， 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 01 0 4 01 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 51 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 ) ： 1 7 2 - 1 7 4 1 O 苏志忠 ， 陈朝晖 ， 王迪珍 助交联剂 T A C和 T AI C对 E P D M 过 氧化物硫化的影响 J 橡胶工业 ， 2 0 0 0 ， 4 7 ( 1 0 ) ： 5 9 4 - 5 9 7 ( 上接 第 2 0页 ) 下面 简要叙 述 两种 测 试 方 法 和过 程 ： ( 1 )取 盘 径为 4 0 0 mm成卷 2 6 m m 方形 电缆 2 5 m， 将 两端 的护套 和编织 屏 蔽层 剥 去 约 5 0 m m， 然 后 将 两 端 的 两根扁平 线 芯绝缘 再剥 去约 2 0 m m， 露 出导体 ， 将其 中一端的两根扁平导体并接在一起 ， 另一端两根线 芯分别与仪器的两个测试端头连接， 然后 打开 L C R 测量仪， 将测试参数选择到 L s档位， 屏幕所显示的 数值即为该段成品线芯的电感。经计算 ， 26 mm 方形 电缆 的线 芯 电感为 0 3 2 H m； ( 2 )按 第 一种 方法剥去护套和绝缘 ， 将其 中一端的两根扁平导体 与编织屏蔽并接在一起 ， 另一端两根扁平导体也并 接 在一起 ， 然后 分别 连 接 于 测 量 仪 的两 个 测 试端 头 并打开 L C R测量仪 ， 将测试参数选择到 L s档位 ， 屏 幕所显示的数值即为该段成品的电感。经计算 ， 2 x 6 m m 方形 电缆 的电感 为 0 1 0 H m。上 述两种 测 试结果均满足产品设计和使用要求 。 5 结 束 语 随着我 国通信事业 ， 尤其是无线通信 网络高速 发展 ， 目前将进入了 3 G网络无线通信系统， 扩大网 络覆盖面和传输容量 ， 进一步提高传输频率和速率 ， 则需 要进 一 步建立 众多 基站 。 因此无 卤低烟 低 电感 直 流分 配方形 电力 电缆 有着广 阔 的应用前 景 。这种 新型 系列 产 品的研 制 成 功 ， 也 为我 国 电线 电缆 行 业 开发新 品种 ， 扩展新的应用领域 ， 提高经济效益和社 会效益， 起着积极的推动作用。 参考文献 ： 1 刘子玉 电气绝缘结构设计原理 M 北京 ： 机 械工业 出版社 ， 1 98 5 2 9