光纖復合采煤機電纜的設計和制造

馬遼林， 胡湘華， 曾 旭， 李華斌， 張 滔

（湖南華菱線纜股份有限公司，湖南 湘潭411101）

0 引 言

我國礦產資源豐富，約占全球的12%。國家對礦山行業極其重視，截止2020年我國已出臺多項政策，重點推進礦山智能化改造，實現無人化作業，促進傳統行業升級。隨著智能化技術的發展，礦用光纖復合電纜開始得到應用，其中光纖復合采煤機電纜因其獨特的工作環境而受到廣泛關注。

光纖復合采煤機電纜就是將光纖設置在采煤機電纜中，與采煤機連接，起到替代控制線的作用，同時可以傳輸采煤機終端采集到的信息，如：實景圖像、瓦斯濃度、粉塵濃度、溫度及濕度等；另外光纖還可以用于電纜運行溫度的實時監測［1］，為分析采煤機電纜負載或故障提供有效的參考依據。不同于常規控制線，采用光纖可以有效避免電磁干擾問題，保證采煤機不出現誤操作。然而，采煤機電纜的工作環境非常惡劣，如何保護光纖在電纜生產制造、敷設安裝以及運行過程中的完整性是目前行業內有待突破的技術難點。針對這些問題，結合現有技術［2］，本工作設計制造了一種新型光纖復合采煤機電纜［3-5］，光纖的傳輸性問題得到了解決，延長了光纖復合采煤機電纜的使用壽命。

1 電纜設計

行業標準MT818中采煤機電纜結構示意圖見圖1。

圖1 采煤機電纜結構示意圖

該電纜型號為MCPT，其控制線芯絞合后作為第四芯與動力線芯一起成纜。因控制線的根數和截面的不確定性，通常采用增加控制線絕緣厚度或者擠包控制線護套的方式使第四芯的外徑與動力線芯外徑相當，從而構成相對穩定的四等芯結構。地線為裸導體放置于電纜中心，且與絕緣金屬編織屏蔽層并聯，形成有效的短路保護結構，使電纜的安全性得到保證。然而該類型電纜的控制線僅能實現控制采煤機的開關等簡單動作，在傳輸其他通訊數據時因電磁干擾導致出現延遲、阻塞現象，難以滿足煤礦智能化建設中大帶寬、低時延的要求。于是國內不少企業在控制線纜芯外部加入金屬編織層以屏蔽電磁干擾，也有一些企業在控制線纜芯中加入光纖。然而這些措施沒有從根本上解決問題。

1.1 光纖復合采煤機電纜結構

本工作設計的光纖復合采煤機電纜，其結構示意圖見圖2。

圖2 光纖復合采煤機電纜結構示意圖

由圖2可知：光單元設置在電纜中心固有的空隙之中，相比于其它位置可以更加有效地抵抗采煤機工作面煤矸石或大煤塊掉落沖砸［6］，避免光單元在使用過程中受到外部機械損傷，同時可以減弱擠包橡膠護套時外部壓力和硫化溫度對光單元的影響。需要指出的是光單元占據了中間地線的位置，那么可以采取增加動力線芯和控制線芯外部的金屬編織層的截面積，或者在動力線芯之間的空隙放置裸導體的方式來保證地線并聯電阻符合相關標準的規定。

1.2 光單元的結構

本工作進一步地設計了光單元，其結構示意圖見圖3。

圖3 光單元結構示意圖

光纖首選B6類彎曲不敏感單模光纖，其根數可依據用戶需求而定，一般不少于2根。光纖放置于聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）套管內。PBT是光纜中常用材料，其熔點高達225℃，吸濕性和熱膨脹系數均很低，即使經過硫化管高溫后也具有優良的尺寸穩定性。PBT套管內填充硅基纖膏，和其他纖膏相比較，硅基纖膏具有較好的熱穩定性。同時與光纖平行放置芳綸纖維，使光纖保持在宏觀的“懸浮”狀態。PBT管外部為不銹鋼帶螺旋套管，螺旋套管與PBT管之間的空隙應足夠，同樣放置芳綸纖維，使PBT管保持在宏觀的“懸浮”狀態。金屬套管最外側為鍍錫銅絲編織層，編織層與動力線芯的絕緣屏蔽直接接觸，不僅減小了地線并聯電阻，還能在保證螺旋套管的彎曲性能不受影響的前提下而其本身在成纜絞合過程中不被拉伸。

1.3 溫度對光單元的影響

近年來，本公司生產的采煤機電纜，動力線芯截面70 mm2及以上的電纜長度占比約91%，可見煤礦井下作業采煤機正向大功率、大容量的趨勢發展，這對于光纖復合纜的設計是有利的。常見的采煤機電纜尺寸見表1。

表1 電纜結構尺寸

由表1可知：電纜的中間空隙、金屬套管直徑以及外徑與電纜動力線芯的規格直接相關，規格越大護套厚度越厚，中間空隙和金屬套管直徑越大，相反擠包護套時的硫化溫度對光單元的影響越小。

本工作分析生產制造過程中光纖的受熱情況，以光纖復合采煤機電纜3×70＋3×25／3＋3×2.5為例，具體試驗過程如下：

首先設定環境溫度為30℃，飽和蒸汽溫度為200℃，護套橡膠材料經擠出后的初始溫度為90℃，計算光纖所處的中心位置達到溫度180℃所需的時間。因電纜熱流場中的各種物理量與電流場相對應，電流場的屬性也適用于熱流場［7］，故可模擬電流場的分析方法來分析熱流場。假設在t時刻電纜中心位置與電纜表面的溫度差為Tt，t＝0時溫差為T0，只要時間足夠長，最終溫差接近0℃，那么

式（1）中R為熱阻；C為比熱容與質量之積。其中

式（2）中ρT1為絕緣材料熱阻；ρT2為護套材料熱阻；G1為電纜幾何因數取值1；k為熱阻屏蔽系數取值0.5；D為電纜外徑；D e為電纜纜芯外徑。

查閱相關資料并計算，得出電纜所用主要材料的相關參數見表2。

表2 電纜材料及相關參數

為了簡化計算，假設纜芯與護套橡膠的初始溫度均為30℃，結合表1、表2的數據，由式（1）、式（2）計算t為5 276 s，約為87 min；再假設纜芯與護套的初始溫度均為90℃，計算t為4 203 s，約為70 min。因金屬銅傳熱速率相對于橡膠傳熱速率要快得多，所以本計算過程未考慮金屬銅的熱阻，也未考慮電纜表面傳熱系數以及纜芯內部的少量不銹鋼、PBT套管以及空氣等使傳熱時間增加的因素。因此，要使電纜中心位置的溫度達到預設的180℃，所需時間不會少于70 min。

對光單元可能造成影響的溫度來源主要是電纜運行過程中導體通過電流后產生熱量，其次是電纜在生產制造過程中外護層硫化工藝所需的外部高溫介質如飽和蒸汽的熱傳導。有研究表明［8-9］：光纖溫度隨導體電流的增加呈非線性升高，光纖傳輸損耗受導體電流的影響不大，也就是說在正常情況下電纜溫度變化對光纖傳輸損耗的影響在工程允許范圍之內；當光纖在長期使用溫度為70～80℃時，對其傳輸性能和使用壽命不受影響；即使受到雷擊或短路電流引起短時高溫，只要其承受高溫的時間不長，也不會明顯影響光纖的使用壽命和光纖衰減。

綜上所述，只要電纜的使用符合煤礦安全操作規程，或者電纜生產過程中在200℃的硫化溫度下時間不超過70 min，則光單元中的光纖及其周圍的PBT套管處于安全的溫度范圍內，且光纖的使用壽命和傳輸性能不受電纜溫升的影響。

2 制造工藝

2.1 光纖余長的控制

光纖余長是指光纖的實際長度與光纖外部套管的長度之比，而光纖余長的控制是光纖復合采煤機電纜制造過程中的關鍵。研究表明：光纖在電纜中是否絞合成纜對光纖余長的增量幾乎可以忽略，光纖的放線張力對光纖余長的影響較大［10］。在本設計方案中光纖相對于PBT管的余長不小于0.3%；類似原理PBT管相對于不銹鋼帶螺旋管有一定余長，且不銹鋼螺旋管相對于PBT管的尺寸越大余長越大；同理通過減小成纜時的放線張力，使光單元自由進線，那么光單元相對于動力線芯也有一定余長。三者綜合起來光纖有足夠的余長，那么在成纜和擠包護套的過程中承受拉力的是動力線芯導體，而光纖不受拉力的影響。

2.2 成纜設備的選擇

根據成纜設備的類型，應首先考慮兩段式籠式成纜機。籠式成纜機退扭效果明顯，動力線芯和控制線芯并行放置在前段，成纜運行時絞籠勻速轉動，前段放線盤隨絞籠而轉動，其中軸保持水平狀態不變，絕緣線芯無扭力進入壓模形成節距，即實現退扭成纜。光單元由尾段放線盤放線，斷開與前段絞籠的連鎖裝置，必要時主動放線，確保光單元以“零張力”狀態進入纜芯中央空隙。

2.3 影響成纜的因素

經過驗證，影響成纜的因素有：①纜芯的實際絕緣外徑不能小于設計值，否則在成纜時纜芯中間空隙變小，光單元受到擠壓，經過壓模后未形成穩定的節距前與絕緣線芯接觸被纜芯帶動旋轉而扭曲變形，這種變形將影響光單元的穩定性，因此，應保持纜芯中間的空間足夠；②成纜模具尺寸也不能太小，太小會使絕緣層變形，同樣擠壓內部空間。③絕緣層表面的金屬絲編織方向應與成纜方向相反，籠式成纜機的退扭效果到達模口之前有一定延遲現象，因此，同向的金屬編織絲因反向扭轉作用力而凸起，凸起部位與光單元直接接觸，擠壓光單元的活動空間，光單元易受力扭曲變形。這些限制光單元自由狀態的作用力都會對光單元的使用壽命造成一定的影響。

2.4 外護層工藝

為保證結構的穩定性，在成纜完成后進一步采用高強度纖維絲編織。編織完成后進入擠包橡膠護套工序。根據橡膠護套的硫化特性確定擠出速率和硫化溫度，通常情況下擠出線速率為2～5 m／min，有效硫化段長度在100 m內，硫化溫度控制在160～200℃范圍內可確保外護層充分硫化，可保證纜芯光單元中PBT管不產生形變，從而對光纖余長沒有影響。

3 電纜試驗

成品電纜試驗的主要依據是MT 818—2009和企業標準［11］，在滿足行業標準的條件下，企業標準還對光纖的可靠性做出了要求。電纜主要性能試驗結果見表3。

表3 電纜主要性能試驗結果

4 結束語

一般情況下采煤機電纜安裝于串聯的夾板內，其彎曲半徑在100～150 mm范圍是電纜外徑的3倍。而且彎曲部位隨采煤機在工作面的往返而變化，在電纜的某一點經受彎曲的頻次與采煤工作面大小相關，在1 a內可以達到3 000次。電纜中心的光纖經受相同頻次的動態彎曲，但其能夠承受的彎曲半徑比電纜彎曲半徑要小得多。其次光單元的金屬套管內徑大于PBT管外徑，中心光纖因而獲得足夠的松弛空間和余長，即使在彎曲時局部受到牽扯，也能夠保證光纖的長期完整性，進而保證了光纖復合纜的使用壽命。

本研究成果生產的光纖復合采煤機取得了礦用新產品安全標志證書，并且電纜已在國內某煤礦安裝使用，獲得了較好的效果。

目前，國內正加速推動礦山行業的智能化轉型升級，光電復合電纜應用前景廣闊，但因過去技術的不成熟，尤其是光纖復合采煤機電纜還未能得到推廣。作為電纜領域從業者，更應深入研究、解決實際問題，為國家礦山智能化做出貢獻。