斗輪機用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）

斗輪機是現代化工業大批量粒狀物料連續裝卸的高效輸送設備，廣泛應用于港口水運、礦產開掘、發電工業、水泥工業等粒狀散料存儲料場的堆取作業。斗輪機向大型化、自動化方向發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展。由于電纜使用在露天環境且彎曲頻繁，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，保持電纜在移動狀態下結構穩定，在外力作用下結構穩定和零位移。

根據上述的特殊要求，綜合用戶的需求，對電纜的開發過程進行論述。從電纜結構設計、制造工藝控制及原材料選用等多方面綜合考慮產品的設計定型。

一、電氣運行要求

電纜的電氣運行要求見表1。

表1 電氣運行要求

二、產品設計

圖1是斗輪機電纜結構示意圖。電纜采用扁平狀結構，由3根絕緣線芯依次排列，絕緣線芯由導體繞包半導電帶、擠包絕緣層、繞包半導電帶、加金屬屏蔽構成，3根絕緣線芯平行排列通過擠橡機擠出護套并加入加強件組成。

1.導體

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

2.導體半導電屏蔽

由于導體表面會存在一定程度的缺陷，為防止因導體表面不光滑、不圓整等因素引起的尖端放電現象，在絞合成型的導體表面繞包半導電屏蔽層。半導電層應均勻地包覆在導體上，并通過模具壓實，確保導體屏蔽表面光滑、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標準的規定，8.7/10kV乙丙絕緣厚度絕緣標稱厚度4.5mm[1]。考慮電纜頻繁移動及環境條件苛刻，加大了電纜的絕緣厚度，電纜絕緣厚度設計值為平均厚度≥5.0mm，最薄點控制在4.5mm以上，同時任一斷面上的絕緣偏心度≤10%。以確保絕緣電氣性能達標，并適應在惡劣的工況條件下運行。

4.絕緣半導電屏蔽

電纜的絕緣屏蔽層設計為繞包型半導電屏蔽層，繞包搭蓋率控制在15%以上。

5.金屬屏蔽

由于絕緣半導電和金屬屏蔽共同起著吸附游離雜質和對外界電場的屏蔽作用，斗輪機電纜的絕緣金屬屏蔽設計采用金屬/高彈性模量纖維編織結構，按照電纜對地線截面的要求來選擇編織銅絲的直徑，并采用鍍錫軟銅絲，編織金屬/纖維相結合的組合屏蔽結構，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，物理截面不能達到有效的電氣截面，每根絕緣線芯編織層的計算截面不小于5.5mm2，以確保屏蔽兼做地線電氣截面的有效性。同時與金屬編織的高彈性模量纖維起著加強電纜強度的作用，纖維3根絕緣線芯分別采用黃、綠、紅3種顏色，對電纜的相序進行區分。

6.電纜護套

氯丁橡膠的硫化膠強度高，彈性良好，耐氧和耐臭氧老化，耐低溫且耐油，非常適合斗輪機電纜的外護套，因此斗輪機電纜外護套設計選材為符合GB 7594.7標準規定的氯丁橡皮或類似材料。根據電纜的阻燃特性要求，護套的氧指數應在38以上。標稱厚度設計為4.0mm，任一點的最小測量厚度應不小于3mm。兩根絕緣線芯之間的隔離護套厚度的設計值≥3.0mm，以確保絕緣線芯之間的屏蔽不互相接觸，屏蔽獨立。起加強作用的鋼絲繩和絕緣線芯之間的護套也保持在3.0mm以上。

7.鋼絲加強件

加強用的鋼絲繩在護套擠出時，通過模具鑲嵌于護套內，鋼絲繩直徑在2.5～3.0mm，鋼絲繩外表面無油污、斷絲等質量缺陷。

三、關鍵工序的工藝控制及質量保證

斗輪機電纜的生產工藝流程為：導體：5類鍍錫銅導體（束絲→股絞合）→包帶：半導電帶→絕緣：乙丙絕緣（硫化）→包帶：半導電帶→金屬編織：鍍錫銅→包帶：無紡布繞包→護套：氯丁橡皮混合物+鋼絲繩（硫化）。下面對導體束絲和絞合工序、橡膠混煉及擠橡工序等關鍵工序工藝控制和工裝模具的改進進行分析并提出保障措施。

1.導體束絲和絞合工序

導體是斗輪機電纜的核心。電纜扭轉時會對導體施加扭力，要維持導體結構穩定必須始終保持原始的整體結構。相鄰絞合層之間應保持緊密接觸，不發生相對位移，故斗輪機電纜股線絞合相鄰絞合層采用相同的絞合方向。

導體束絲單絲采用0.5mm直徑的鍍錫銅單絲，為確保導體韌性和硬度的適中，導體伸長率控制在25%～28%比較適宜。束絲時張力均勻（張力以單絲抗拉強度的30%為宜），單絲排列順序得當，依次通過設備穿線孔，絞合股線圓整，無跳絲。股線絞合時同樣股線張力均勻，結構排列合理。股線要求絞合密實，外表圓整密實，在試制過程反復試驗，最終采用緊壓導體用的緊壓模具進行壓縮。

2.橡膠混煉及擠橡工序

橡皮的混煉工序在電纜生產中起著舉足輕重的作用。橡膠在混煉前，須保持密煉機等相關設備清潔，不得附著任何雜物和異物，存放橡膠原料和成品及設備周圍的場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，做好現場環境的清潔和保持工作，保證絕緣混煉膠的潔凈。根據配方工藝選購符合要求的原材料，混煉的原材料必須按照配方工藝規定的順序分批投放在密煉機中[2]。

在絕緣和護套擠出開機準備時，應將螺桿、模具、機頭等部位清理干凈；絕緣線芯的絕緣擠制過程中，要注意現場環境清潔，嚴格按工藝卡片和操作規程生產，以保證絕緣線芯擠出質量。開機時調整好懸垂終點控制器確保絕緣線芯或護套不擦管。

擠出的絕緣和護套表面圓整、光滑、緊密，其橫斷面無肉眼可見的砂眼、雜質和氣泡，無未塑化好和焦化等現象。

3.工裝模具

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

模芯錐形孔與多個開孔內側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個線芯之間張力均勻。同時護套擠出時，3個絕緣線芯采用3個獨立的主動放線架，放線時3個絕緣線芯張力保持恒定且相等。確保斗輪機在使用時受力均勻，不產生滑移和扭曲變形。

圖2 模具示意圖

四、電纜性能

1.電纜機械性能試驗結果

在產品試制完成后電纜關鍵的機械性能技術指標及試驗結果如下：

絕緣按GB/T 2951.11[4]進行了強度試驗，抗拉強度10.5 N/mm2，斷裂伸長率268%，老化后抗拉強度和斷裂伸長率變化率分別為8%和-6%；按GB/T2951.21在250℃下，時間15 min，負荷20N/cm2的試驗條件下，最大伸長10%，冷卻后永久變形0%。

護套按GB/T2951.11進行了強度試驗，抗拉強度15.2 N/mm2，斷裂伸長率356%，老化后抗拉強度和斷裂伸長率變化率分別為7%和-9%；按GB/T2951.21在200℃下，時間15 min，負荷20N/cm2的試驗條件下，最大伸長30%，冷卻后永久變形10%。

按MT 386進行成束燃燒試驗，碳化部分高度為1.0m。

產品外形尺寸為89.0mm×31.2mm。

2.成品電氣性能試驗結果

產品試制完成后按GB/T3048[5]進行成品電氣性能試驗。20℃導體直流電阻測試結果為0.518Ω/km，線芯絕緣電阻為1050 MΩ·km，在設備靈敏度小于等于20pC下未見可見放電，在工頻22kV、時間15min耐壓試驗下電纜未擊穿。

五、小結

本文所述斗輪機電纜產品結構對稱，屏蔽良好，性能優良，也可以適用于電力、冶金、石油化工、礦山、水泥、船舶工業、港口等有關行業的相關場所的取堆作業及上述場所的變頻動力系統。隨著材料技術的進步、電氣成套系統的發展，也可以考慮對斗輪機電纜的性能進行進一步提升。例如，采用三層共擠的橡皮生產線，實現導體半導電屏蔽，絕緣和絕緣半導電屏蔽一次擠出成型，進一步提高絕緣的電氣性能；TPU強度高，彈性好，因此斗輪機電纜也可以考慮選擇TPU作為電纜的外護套；芳綸紗可以對電纜本體形成增強保護，也可以提高電纜的柔韌性，必要時也可考慮采用芳綸紗的編織加強；隨著系統的升級，斗輪機電纜還可以復合攜帶控制電纜或光纖用于系統通信。