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電氣裝備用電線電纜動态及發展趨勢

電氣裝備用電線電纜動态及發展趨勢

電氣裝備用電線電纜動态及發展趨勢

一、引言


20世紀50年代,我國機電制造業落後,電纜配套未專業化,不具備條件形成電氣裝備用電線電纜類産品。60年強制貫徹“以塑代鉛”和“以塑代橡”等措施,有力推動了技術進步,這大類産品開始形成。90年代,市場經濟逐步發展成熟,電氣裝備電線電纜需求量劇增,發展成為與工程配套的獨立大類産品。産值比例保持25~30%。

電氣裝備用線纜是配套産品,各品種銷售并不穩定,有賴于其他工業的興衰。如高層建築用預制分支電纜,開始國内沒有品牌,隻能進口。分支電纜少數先驅者,開拓市場和技術**,取得穩固的市場份額,獲得極高的利潤回報,實現了國産化。在此機遇下,不少電纜廠草率上馬,價格下降到接近火并程度,恰恰又逢國家限制高層建築建設,市場需求有所萎縮,高額利潤回報即成泡沫。當前用戶提出的要求越來越複雜,工廠隻能跟着走,甚至對不合理要求,有時也得順從,進退二難,甚至造成不公平競争。

二、近代交通工具用電線電纜

1.機車車輛電纜

電力、燃油和蒸汽動力,客車、貨車和特種車列,對電纜要求是不同的,所以這類電纜品種較多,而且有代表性,其中部分品種也可供其他車輛選用。當前傾向性意見是:

(1)3kV及以下天然橡膠絕緣電纜應淘汰。

(2)3kV及以下氯磺化聚乙烯絕緣電纜需要保留。

(3)3kV及以下乙丙橡膠絕緣電纜為主要系列之一。

(4)3kV及以下無鹵低煙交聯聚烯烴絕緣電纜為主要系列之二。

(5)30kV乙丙橡膠絕緣機車車輛用電力電纜為專用品種。

目前基本按TB/T1484生産,GB/T12528正在修訂。機車車輛産品中難度*大的是無鹵低煙交聯聚烯烴薄壁絕緣電纜。它們的内容有所差異,在GB/T标準中有對比表,可以查閱。
  
2.城市軌道交通直流電力電纜

城市軌道交通是大城市發展交通的必經之路,計劃中有關城市的城軌長度公裡數:北京為332;天津為130;上海為240;深圳546。其餘城市相繼開工。

輕軌用直流供電,額定電壓為直流1500V和750V。上海申通公司制定企業标準,正極電纜為1500V;負極電纜為300V,導體截面為400mm2,硬結構電纜用第2種導體,軟結構電纜用第6種,絕緣為交聯聚烯烴和乙丙橡膠兩種,标稱絕緣厚度為2.0mm,絕緣外應有阻水層,其他防水層、隔火層、铠裝層均為可選結構,護套為低煙無鹵聚烯烴或類似合成材料組成,護套标稱厚度為3.8mm。負極電纜結構隻有導體和絕緣。電纜試驗項目與一般電力電纜基本相同。

3.長定子繞組電纜

磁懸浮列車相當于直線電機的轉子,軌道相當于定子。長定子繞組電纜是将電纜構成繞組,敷設在軌道的槽内。

電纜結構與軟電力電纜相似,但敷設條件嚴酷,彎曲半徑很小。長定子電纜三相總用量,約為單向軌道長度的15倍。

52屆國際線纜研讨會,德國發表了關于上海磁懸浮用電纜的論文。第一批在上海磁懸浮線安裝的電纜,其結構與論文叙述的結構相同,但試運行時就出現了問題。德國更換了全部電纜,調試後投入運行,經過較長時間後,又發生了個别問題,二次出現問題,德國未透露直接原因。談判滬杭磁懸浮線時,德國提出電纜新結構,還強調是磚利,在我看來這算不上是磚利,但由磚利法保護,也很難處理。總的感覺,德國在磁懸浮長定子繞組電纜方面,技術也不能算完全成熟。長定子繞組電纜的額定電壓為10/1.75kV(考慮20kV);額定工作溫度為90℃;導體為鋁芯300mm2,絕緣為軟乙丙橡膠,導體屏蔽和絕緣屏蔽均為半導電乙丙橡膠,護套為氯丁橡膠;護套外為含氟4的半導電塗層。塗層可增加電纜敷設時的潤滑作用。52屆國際線纜論文中,絕緣屏蔽外有金屬屏蔽,沒有說明氯丁橡膠護套的詳細性能,僅描述有适合的電氣性能性,機械性能,耐環境性能,并能與塗層牢固粘合。德國的磁懸浮列車試驗線路比較短,試運行中長定子電纜未出現異常。上海原來電纜敷設情況,可能是一點接地。更換的新電纜,也就是現在運行的電纜,結構中取消了金屬屏蔽,護套變為半導電氯丁橡膠,半導電塗層照舊,接地方式采用了“Ω”形金屬環,套在電纜外,定距用螺釘固定接地。

電纜研究所與工廠合作,共同研發了磁懸浮長定子電纜,并通過了型式試驗和研究性試驗,為電纜國内制造打下了基礎。但是市場變化如風雲,今後需求量很難預測。

4.公路車輛用低壓電線和電纜

公路車輛用低壓電線(簡稱汽車低壓電線),通常先按照汽車布線模闆的要求加工成線束,然後将線束安裝到汽車上。汽車線束市場不但與汽車産量直接有關,并且與單台車輛配線數量密切相關,一輛低檔轎車平均用低壓電線為800m,一輛中檔轎車平均用量為1500m,一輛豪華名車用量達2500m。

目前汽車低壓電線的絕緣仍以聚氯乙烯為主,但有些部位需要用交聯聚烯烴、熱塑彈性體、乙丙橡膠、矽橡膠甚至氟塑料等。汽車低壓電線的導體,除馬達線考慮用鋁導體外,其他都用銅導體。*新設計,希望導體截面進一步縮小到0.10mm2及以下,銅的機械強度不能滿足安裝要求,現正在考慮用銅包鋼線。JB/T8139-1999《公路車輛用低壓電纜(電線)》标準的品種絞少,不能完全滿足使用要求,各汽車制造公司均有自己的電線采購規範。當前中國汽車行業協會制訂的标準,也以聚氯乙烯薄絕緣低壓電線為主,但實際上交聯聚烯烴和矽橡膠絕緣低壓電線的應用數量也不少。上等轎車,數字傳輸電纜以及光纖已有使用。

5.航空電線電纜

當前航空電線電纜有二大系列:一種是聚酰亞胺-氟46複合薄膜繞包燒結絕緣電纜,主要用于軍用直升飛機,已經國産化,考慮到電線質量,複合薄膜仍進口。另一種是輻照交聯乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣電纜,是近代軍用和民用大型飛機使用較多的品種。縮寫為X-ETFE絕緣電線。大型軍用運輸機每架用線量達7~8噸。X-ETFE比重為1.73,工作溫度可提高到200℃,薄壁絕緣結構單層絕緣厚度為0.15mm,電線重量輕,相對載流量大,化學性能穩定,電氣、機械及耐輻照性能優異,也是航天飛行器使用重大品種之一。

十年後,我國自主生産大型客機,仍會選用這個品種。X-ETFE(X-F40)絕緣航空電線電纜,制造技術難度較大。幾乎每一道生産工序,都存在一些問題。

(1)單線束絞要求精度高,外層不允許有跳線,否則*小絕緣厚度會不合格。

(2)目前國内無絕緣原材料供應,需從杜邦公司或大金公司進口。

(3)目前國内尚未解決合适的敏化劑。進口敏化劑母料粒子,困難重重。而進口可直接擠出和輻照交聯的成品粒子料,價格驚人。

(4)自行開發原材料及其混煉和造粒,在設備和工藝上都有很大難度。

(5)電線薄絕緣擠出不易控制,如偏心、拉伸比等參數。

(6)需研究理想的輻照劑量,以獲得*佳的交聯度。

(7)需研究經過輻照電線的後處理條件,否則,電氣性能和機械性能,不一定能完全達到标準要求。

我國航空電線電纜軍用标準,氟塑料類電纜,等同采用美國軍用标準。聚酰亞胺-氟46複合薄膜繞包燒結絕緣電纜,美國在海軍方面已不建議采用,今後尚待觀察。

6.船用電纜

我國造船将接近年産1000萬噸,上海還在建設更大的船廠,據說世界第一。當前各船用電纜制造廠船纜的訂貨情況樂觀。民用船舶用阻燃電纜完全符合*新IEC标準水平,無鹵低煙電纜成束燃燒普遍能達到A類要求。絕緣材料的主流是交聯聚烯烴和乙丙橡膠,天然-丁笨橡膠已淘汰。某些電纜廠能按荷蘭标準制造控制和儀表等電纜。

軍用船舶的一般電線電纜都能國内供應。專用的深水縱向密封電纜已突破常規水平,深度可超過600m。防衛用特高抗拉強度聲納電纜,也達到很高的水平。我國軍用船舶電線電纜标準等同采用美國軍用标準。

7.新材料的開發

除船用電纜外,所有車輛用電線電纜,在非動力系統使用範圍方面,有一個共同特點,就是要求輕、小、薄壁絕緣、耐磨、耐油、阻燃和耐濕,有的要求耐溫等級為125℃,少數為150℃。由于電線用量比較多,這樣的背景下,選用氟塑料絕緣是不經濟的,因為氟塑料價格過高,性能餘度過高,當前交聯聚烯烴的性能并不理想,根據很多電線抽樣試驗結果,交聯聚烯烴絕緣線常處于合格邊緣,因此不夠安全可靠,制造過程又需要多一道輻照交聯工序。假如換一種思路,如放棄交聯聚烯烴,開發新材料,可能效果更好。

開發和推廣新材料希望滿足以下要求:a)工作溫度為125~150℃。b)可熱塑擠出加工,不必交聯。c)可擠薄壁絕緣。c)相對柔軟,便于安裝。d)主要性能超過交聯聚烯烴。e)原料來源可靠。f)開發期限短。g)價格可以接受。

聚酯(PET)、聚對苯二甲酸丁醇酯(PBT)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)是可以開發的材料,但需要改性。

PEEK的性能*好,不過價格太高。可定位的工作溫度:PET為120℃,PBT為150℃,PES為150℃,PEEK為200℃,這些材料的彈性模量高、基本無毒、能阻燃自熄,可擠出成型,可擠出薄壁絕緣。

三、核電站1E級電纜

  1.總的發展形勢

  核電站建設的審批權,我國高度集中,預計到2020年以前,将新建27座到32座百萬千瓦級的核電機組。也就是說,從2004年算起,在16年中,新增核發電裝機容量将達3000萬千瓦左右,每年有二到三個核電機組開工建設。到2020年核電在總發電容量中的比重将從目前1.8%上升到4%。

  由于目前核電站的運轉要大量水源,所以規劃核電站主要布局是考慮東南沿海省份。關于核電建設的投資問題,國外經濟專家認為要完成這樣大規模的核電工程建設,按保守的估計,投資也在400億美元以上。中國核工業集團公司,希望新建核電站的平均國産化率能夠達到60%,估計有240億美元(約2000億人民币)的貨物可能國産化。

  從我國電線電纜行業分析,在目前電纜制造技術水平上再進一步改進設備和産品開發,電線電纜的國産化率可達到95%以上。我國目前建設的核電站主要是壓水堆系統。

  2.K3類電纜四十年使用壽命的确認

  驗證壽命有一定的抽象含義,阿累尼烏斯公式是常用的手段。新材料壽命評定試驗是一項研究工作,不應是标準考核指标,40年時間很長,用相對較短時間加速老化試驗,推算結果,也不會剛好等于40年,可能為20~60年之間,這不能輕易判定新材料是否符合使用要求。

  加速老化試驗方案設計的溫度範圍、溫度級差、試樣形狀、試樣與空氣接觸表面積、試樣厚度、試樣制作工藝、批量試樣材質均勻性、試樣壽命終止參數以及烘箱換氣量等等,均對推算結果有影響。設計一個比較上乘的方案,需要經過多次的前期驗證工作,才能得到比較滿意的結論。

  我國生産的1E級K3類電纜已有多年,通過鑒定的産品,都進行過40年壽命評定。出于各種利益,有的認為有效;有的認為基本可信;有的認為基本不可信;更有的認為要全盤推翻,從新開始洗牌。其實隻要*終用戶認可,才是*實在的。不妨讀一下美國的觀點,這一解釋可參考EBASCO規範對于物理壽命試驗的結論中得到證實。

  該結論内容如下:《在電纜設計壽命期間,電纜工作中所出現情況,在實驗室内找不到完全等效施加物理條件的加速試驗方法,隻得應用阿累尼烏斯技術或其他實驗室技術。加速熱壽命試驗隻能提供材料的相對熱壽命數據,進一步看,由丁基橡膠絕緣電纜推測的結果說明,采用阿累尼烏斯技術的加速壽命試驗數據,外推法所導出的壽命時間,比實際壽命低。雖然這樣的數據,作為許可的概括性原則是不充分的。

  然而看來似乎可以說明這樣一點:一種新型絕緣加速熱壽命情況,與這種新絕緣已經得到充分确認具有優越的長期服務記錄,二者的對比是這種新絕緣能夠長期使用的有利的證明》。從這個結論得到啟發,用于低壓電纜的正常質量的非阻燃交聯聚乙烯絕緣,自發明至今*長的輻照交聯已超過50年,化學交聯和矽烷交聯也超過40年,從長期90℃熱壽命來看,達到40年的運行壽命國際上已沒有懷疑。但是用于低壓電纜的正常質量的高填充物無鹵阻燃交聯聚乙烯絕緣,自發明至今*長的材料未超過30年,實際使用中未發生熱老化而失效,當然要證明達到40年運行壽命的理由還不夠充分。

  但是應用相對溫度指數對比試驗,仍可以說明它的本質問題。

  3.無鹵低煙阻燃熱塑型聚烯烴護套的開裂

  無鹵低煙電纜料的三角形概念,至今仍有效。電氣、機械、阻燃性能三足鼎立,一隻角度大了。另二隻角度就減小了。無鹵低煙護套的開裂是比較嚴重的缺陷,進口電纜也有發生開裂。為此材料和電纜廠都費盡心機,也不都有把握。護套開裂問題,并不隻發生在核電站,其他産品也出現這類事故。以下提出了一些注意的問題,有助于降低護套開裂的幾率:

(1)選擇斷裂伸長率較高熱塑護套料,如200%,但成本增加,氧指數也降低。

(2)采用較大的擠塑機,控制較小的擠出量。

(3)采用低壓縮比螺杆,用目數小的濾網,選擇适配護套料。

(4)加強控制各段螺杆溫度、機頭和模口溫度。

(5)采用交聯型無鹵低煙護套,成本增加,設備需改造。

(6)還有其他途徑,假設采用EVM橡膠,VA含量40-80%,情況又如何?

4.無鹵低煙護套電纜的抗開裂性檢驗的嘗試

現行标準的抗開裂試驗方法,不能有效的檢驗護套的抗開裂性,至還今沒有标準的檢驗法。在試樣上造成預應力,是能促使開裂的主要因素。

(1)取4或8段成品電纜作為試樣,分别在四個方向彎曲試樣,試樣二端綁在一起固定,圓圈的内徑取電纜外徑的4~8倍。使電纜在四個方位有拉伸預應力。

(2)将試樣進行冷熱循環處理,高溫點不高于電纜工作溫度,低溫點不低于零下10℃,高溫持續2h,室溫2h,低溫2h,室溫2h,這樣作為一個冷熱循環,循環次數自定,不同材料的循環次數不一定相同。

(3)所有樣品的護套應無開裂。

(4)也可剝下護套,沿圓周四個部位切取4或8個條形試片,取直徑為3~6倍試片厚度的銅棒,條形試片纏繞在銅棒上,并加以固定,進行上述冷、熱循環試驗。循環次數自定,試片無裂紋。

要完全解決無鹵低煙護套的開裂,确實有一定難度,假如換一種思路,走低煙低鹵橡膠型技術路線,問題就能迎刃而解。*近美國介紹核電站用電纜,并不強調無鹵低煙,建議采用低煙氯磺化聚乙烯護套。如果我國從美國引進核電站技術,也許會改變唯壹認可無鹵低煙技術路線。

5.關于K1類電纜

K1類電纜的用量比K3類電纜少得多,而開發成本高出數倍,因此研發K1類電纜廠也相對少得多。目前少數電纜廠的一部分K1類品種電纜通過了技術鑒定。

根據經驗,K1類電纜采用乙丙橡膠絕緣和乙丙橡膠護套結構,比較有把握通過洩漏事故試驗。交聯聚烯烴絕緣和交聯聚烯烴護套結構,相對不易通過洩漏事故試驗。當然不是排斥采用交聯聚烯烴。

  目前國内的洩漏事故試驗,在原則上參考IEEE383-1974進行,該标準本身也說明試驗條件允許變動,前幾年國内試驗設備不完善,試驗方法未規範化。

  據說現在北京的試驗條件比較好,并與核工業設計院結合。目前上海還不能完整地進行洩漏事故試驗。關于洩漏事故試驗的具體程序,國外、國内都不完全相同。就是同一個國家,現在和過去的程序也不完全相同。總的來說,由于試驗經驗不夠,目前要肯定哪一種程序,*為正統,*有權威性,還需要進一步研讨。