采煤機電纜屏蔽結構作用和關聯特性分析

金鑫

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 201401)

0 引言

采煤機等移動裝備運行在礦井采煤工作面和礦井巷道，電磁環境復雜，自動化要求高[1]，隨著煤礦綠色開采，智能化水平的不斷提高，全自動的采煤裝備越來越要求配套電纜不僅具備優良的傳輸電源的能力，更要兼具良好的移動性能、抗干擾能力和使用壽命[2]。作為采煤機電纜的一個關鍵部件，屏蔽層不僅是電纜傳輸電能重要安全保障，更是遠程控制可靠性的保證。電纜屏蔽性能不好就像缺少戰斗護甲，除了容易發生電磁兼容性故障，電纜的機械壽命也不高，而采用不同工藝的屏蔽層結構對于采煤機電纜的使用功能和性能會產生較大的影響。本文主要針對采煤機電纜不同屏蔽結構的原理和作用分析屏蔽結構對采煤機電纜使用性能和安全性能的影響。

1 國內外研究現狀

目前國外采煤機電纜標準主要包括英國BS 6708《礦山及采石場用軟電纜》、澳大利亞礦用電纜標準AS/NZS 1802和AS/NZS 1803、美國礦用電纜標準ICSA S-75-381/NEMA WC 58、德國礦用電纜標準VDE 0250 PART 812, PART 813等，上述標準對電纜屏蔽結構做了基礎性規定，各國標準對于屏蔽結構和特性方面總體區別不大，但也存在個別結構和性能測試方法上的差異，比如英國BS標準強調屏蔽并聯地線的電阻要求對電纜屏蔽和漏電保護的作用；德國VDE標準強調控制線芯導體和屏蔽層(兼做地線)同芯式布置且采用3+3平衡結構與動力線芯成纜，起到降低諧波電流的作用；澳大利亞AS/NZS標準強調電纜半導電填充輔助屏蔽發揮漏電保護功能，并采用針刺試驗進行性能定量測試。國內電纜企業經過多年的發展，一方面借鑒國外先進技術，一方面自身對屏蔽結構和工藝進行了各種探索和創新，在對屏蔽結構關聯性能的研究中，提到不同屏蔽結構影響電纜的電氣、物理機械性能，比如任虹光[3]等闡述了采煤機電纜屏蔽覆蓋率和接地電阻的相互關系和計算方法；趙鶴鳴、彭立沙[4-5]等分析了電動汽車高壓屏蔽線纜的屏蔽結構對屏蔽效能和機械壽命的影響。

2 電纜屏蔽層的結構和基本作用

電纜的屏蔽結構有導體屏蔽、絕緣屏蔽和總屏蔽。導體屏蔽介于導體與絕緣之間的半導電層，又稱內屏蔽；絕緣屏蔽包于絕緣外部，又稱外屏蔽；總屏蔽是纜芯成纜后再增加一層屏蔽層，每一層屏蔽都通過特定的結構和材料對電纜的性能發揮重要作用。

2.1 導體屏蔽

通常3.6/6 kV及以上電纜需要導體屏蔽，材料以半導電聚乙烯為主，導體屏蔽作用是均勻導體表面電場，避免因為導體表面不光滑,與絕緣層之間有間隙，在高電壓場合會引起電場集中和局部放電，降低絕緣壽命，采煤機電纜一般電壓為1.9/3.3 kV以下，采用導體屏蔽的情況較少。

2.2 絕緣屏蔽

絕緣屏蔽的主要作用包括：均勻絕緣外表面電場，保護絕緣不受損傷；屏蔽層接地或接檢漏繼電器，對電纜進行漏電保護；降低回路和外部電磁干擾和諧波影響。

根據電纜電壓等級、敷設形式、用途不同，橡套類電纜絕緣屏蔽可采用非金屬屏蔽和金屬屏蔽。

1) 非金屬屏蔽主要用于0.66/1.14 kV及以下電纜，如MCP型采煤機橡套軟電纜可采用半導電帶繞包絕緣屏蔽，1.9/3.3 kV及以上非金屬屏蔽電纜采用擠包半導電屏蔽，主要考慮帶包屏蔽上的碳粉容易粘留于絕緣上，在井下環境難以清除，容易引起電纜端頭爬電(假擊穿),同時為方便電纜安裝敷設，擠包半導電屏蔽要求可剝離，MT 818.1—2009中規定半導電屏蔽層的剝離力為4～45 N。

2) 金屬屏蔽一般為銅絲加纖維編織或銅絲束繞結構，金屬屏蔽并不單獨使用，一般是非金屬屏蔽外再加一層金屬屏蔽來提高屏蔽效能，同時避免金屬屏蔽層直接接觸絕緣層造成絕緣層損壞，金屬屏蔽既保證抗干擾能力又具備良好的拖曳彎曲性能。

2.3 總屏蔽

總屏蔽是對電磁兼容要求較高的電纜所需要具備的結構，比如變頻裝置用電纜，在纜芯和外護套之間有軟結構的金屬層作為總屏蔽，常用結構有銅絲編織結構,銅絲束繞結構,銅絲編織+鋁塑復合帶。總屏蔽和絕緣屏蔽共同起到防電磁干擾的作用，同時具備一定的強度和柔軟性，保證采煤機電纜可拖曳和抗彎曲性。

3 屏蔽結構關聯特性分析

屏蔽結構影響電纜漏電保護、電磁屏蔽和機械壽命等可靠性和安全性。為了精確分析上述性能可以通過屏蔽結構的過渡電阻、接地電阻、編織密度、屏蔽系數和抗拖曳曲繞試驗等特性參數和試驗方法進行定量分析。

3.1 過渡電阻

采煤機電纜絕緣屏蔽過渡電阻是表征電纜絕緣被金屬刺破狀態下觸發礦用檢漏繼電器斷電保護作用的基本性能要求，采煤機電纜在煤礦井下移動極易遭堅硬金屬破壞導致漏電，當發生漏電故障時，電纜過渡電阻越小，越快速度觸發檢漏繼電器斷電開啟保護功能。試驗對樣品斷路狀態的動力線和地線施加一定的試驗電壓，模擬電纜被針刺破，半導電屏蔽連通地線和動力線回路，按照歐姆定律計算回路的直流電阻。一般要求絕緣半導電屏蔽層的過渡電阻不大于3 kΩ，在電纜漏電狀態下，形成有效的檢測回路，滿足煤礦供電系統檢漏繼電器觸發要求。

3.2 屏蔽接地電阻

煤礦井下供電系統零線不接地，所以移動裝備必須接地且對接地電阻有較高的要求，金屬屏蔽型采煤機電纜的金屬屏蔽層通常兼做地線，屏蔽層采用金屬與纖維編織屏蔽，比如采煤機金屬屏蔽型軟電纜( 型號為 MCPT或 MCPTJ) ，移動金屬屏蔽監視型橡套軟電纜MYPTJ型，此類電纜屏蔽層是采用鍍錫銅絲和纖維加強絲混合編織工藝加工。金屬屏蔽起到屏蔽兼地線作用，標準規定了并聯電阻的要求。根據工藝和導體特性，其電阻可由式(1)計算：

(1)

式中:RS為單位長度金屬屏蔽層在20 ℃時的直流電阻,Ω/m;ρ20為鍍錫銅絲20 ℃時的直流電阻率，取0.018 Ω·mm2/m；L為單位長度金屬屏蔽層中每根鍍錫銅絲的實際長度,m;S為金屬屏蔽層的截面積,mm2,單位長度下，電纜屏蔽需要足夠大的截面以保證屏蔽接地電阻，截面積越大，屏蔽接地電阻越小。

屏蔽截面積S在電纜產品標準中通常為標稱截面，不易測量，可依據編織工藝換算成銅絲尺寸參數和覆蓋率工藝參數，可得

(2)

式中：D為電纜線芯屏蔽前直徑,mm；k為節徑比；F為編織單向覆蓋率；n為金屬屏蔽層中鍍錫銅絲總根數;d為鍍錫銅絲的直徑,mm。

由式(2)分析得出，屏蔽電阻由屏蔽前直徑、編織銅絲根數、銅絲直徑、覆蓋率決定。

屏蔽與地線并聯電阻關系：

(3)

當芯截面相等時,則RA=RB=RC=RS，K和KN分別為動力線芯和地線芯絞合系數。總接地電阻為:

(4)

依據上述公式計算的接地電阻經過驗證與實際檢測值相符合，當金屬屏蔽層兼做地線芯時，可按實際工藝設計相應結構，確保屏蔽層的直流電阻達到MT 818—2009標準規定的地線芯相應截面導體直流電阻要求。

3.3 金屬屏蔽覆蓋率

屏蔽覆蓋率是從工藝角度對屏蔽效果進行控制，覆蓋率越高，屏蔽效果越好。MT 818.1—2009《煤礦用電纜 移動類電纜一般規定》標準給出了編織屏蔽的推薦結構，要求編織工藝采用的錠數和每錠銅線數目應確保按公式(5)、(6)計算的鍍錫銅線的覆蓋率F不小于80%。

(5)

P=(2F-F2)×100

(6)

式中:F為編織屏蔽單向覆蓋率；P為雙向編織覆蓋率，m為銅線錠數；n為每錠絞合股線數目；d為絞線計算寬度，并線時為銅單線的標稱直徑,mm；D為編織層平均直徑,mm；L為編織節距,mm。

3.4 屏蔽系數

屏蔽系數是反映電纜屏蔽結構抗干擾能力的重要特性，其通過對比測試屏蔽與非屏蔽結構感應電壓，定量分析屏蔽對電磁干擾的抑制作用，屏蔽系數與屏蔽效果成反比，即系數值越小，其屏蔽結構的屏蔽效果越好[6]。采煤機電纜工作環境下，環境諧波電流或電纜動力線芯導體電流產生的磁通會對鄰近線芯產生感應電壓，其中影響最大的是采煤機電纜的控制線芯，控制線芯傳輸控制信號以控制采煤機及其功能部件運行狀態，屏蔽結構不合理或材料不滿足屏蔽要求，產生的感應電流會造成控制失效或采煤裝備誤動作。因此在變頻環境下需要對采煤機電纜的屏蔽結構進行專門設計，比如采用控制線芯束繞式金屬屏蔽和成纜后束繞金屬總屏蔽組合結構，而具體屏蔽效果可通過屏蔽系數試驗進行測試分析，目前沒有國家或行業標準對屏蔽系數值做具體規定，企業通常根據經驗和用戶需求，在變頻環境下的采煤機電纜控制線芯屏蔽系數控制在不大于0.8的范圍內。屏蔽系數試驗原理見圖1。

圖1 屏蔽系數試驗原理圖

3.5 采煤機電纜機械壽命

采煤機電纜的屏蔽結構影響采煤機電纜的柔軟度和機械壽命，柔軟度和機械壽命可通過彎曲性能試驗和拖曳曲繞性能進行測試和驗證，MT 818.1—2009標準及相關拖曳類電纜曲繞性能研究，指出拖鏈式采煤機電纜及拖曳類電纜至少應滿足9 000次彎曲性能試驗或9 000次拖曳曲繞試驗[7]。

4 屏蔽結構、屏蔽系數及彎曲、拖曳性能相互影響

采煤機電纜的屏蔽層會增大電纜外徑，降低電纜柔軟度，影響彎曲壽命，通常要在結構設計上兼顧耐彎曲性能和抗干擾性，屏蔽要求滿足柔軟性和高覆蓋率。針對常見屏蔽形式進行抗彎曲性能和屏蔽系數綜合比較,試驗如下：

選擇電纜樣品分別為無屏蔽、非金屬屏蔽、金屬屏蔽、編織總屏蔽、束繞總屏蔽、控制線芯屏蔽的6類采煤機電纜，規格均為動力線芯35 mm2，控制線芯4 mm2，試驗比較結果見表1。

表1 采煤機電纜屏蔽結構、屏蔽系數及彎曲、拖曳性能比較

經比較分析，采煤機電纜屏蔽層覆蓋率越高，屏蔽層數越多，屏蔽效果越好(屏蔽系數越小)，金屬屏蔽層會影響采煤機電纜的柔軟度，隨屏蔽層數或厚度增加，電纜最小彎曲半徑應相應增大，其中束繞型屏蔽的柔軟性要好于編織總屏蔽，適合應用于彎曲半徑較小、電磁兼容性更高的場合，常規變頻電纜大多采用的鋁塑復合帶加編織屏蔽的總屏蔽結構雖然屏蔽效果好但因為鋁塑復合帶反復彎曲易發生斷裂，不適合用在反復拖曳或彎曲的采煤機電纜中。

5 結論

采煤機電纜屏蔽技術保證了采煤機電纜兼具較好的電磁兼容和較高的機械壽命，屏蔽技術的發展是采煤機電纜滿足采煤裝備智能化發展的一個重要保證，電纜接地電阻、屏蔽覆蓋率、屏蔽系數、拖曳曲繞試驗等屏蔽關聯特性的綜合運用能有效測量采煤機電纜電磁兼容性、安全性、使用壽命，兼具上述特性的屏蔽型采煤機電纜可應用于更大功率和智能化采煤裝備，對智能化采煤、采煤效率的提高，保證采煤工作面的安全性具有重要意義。