CN102969069B - 一种防水耐油污的10kV中压变频器电缆及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防水耐油污的10kV中压变频器电缆及方法，其特征在于所述电缆由里到外依次由导体1、导体屏蔽2、交联聚乙烯绝缘层3、绝缘屏蔽层4、分相屏蔽层5、填充阻水绳6、绕包阻水带7、隔离套8、组合屏蔽层9铝塑粘结综合护层10和丁腈复合物外护层11构成。制作工艺流程为：①单线拉制退火、②绞合紧压、③导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层三层共挤绝缘、④分相屏蔽层、⑤局放试验、⑥成缆、⑦隔离套、⑧组合总屏蔽层、⑨铝塑粘结综合护层和⑩丁腈复合物外护层；本发明绝缘芯线摒弃了低压变频器常用的“3+3”设计，而采用同心导体结构，屏蔽层采用分相屏蔽和组合屏蔽两种类型，防水层和耐油污层组成双层组合保护结构。

Description

一种防水耐油污的10kV中压变频器电缆及方法

技术领域

本发明涉及一种防水耐油污的变频器电缆，更确切地说涉及一种防水耐油污10kV中压变频器电缆。属于电缆领域。

背景技术

随着电力、电子技术及微电子技术的发展，交流变频调速技术得到迅速发展并且日益完善，中小容量的低压变频调速技术已经被广泛应用于工业生产和日常生活中。近年来，随着国外变频器市场的迅速增长并且大量涌入国内市场，对中、高压大容量交流电机需求的不断增多，虽然变频器的重要性已越来越被人们关注，但是中、高压变频技术在国内尚属一门新技术，国内选用的中、高压变频器大多依赖于进口，而作为变频器与电源及电机连接传输的中、高压变频器电缆，也大多由国外公司配套供应。

目前工业领域中10kV中压电机采用变频调速的越来越多，而10kV中压变频器电缆是变频器与电源的连接电缆，由于变频调速系统工作时，频率变换比较频繁，因而电力通过电缆传输后能否实现变频器的工作质量，电缆本身的性能特性至关重要。

从整个变频系统来看，电缆要适应这个要求，必须要在两个方面予以充分保证：一是电缆结构，首先电缆结构应满足变频器输入方式，针对目前变频器发展趋势及性能需要，必须设计成“3+3”结构或同心导体结构，有厂家曾试图将普通电缆用于变频器的输入和输出系统，但使用后系统常出现误动作，无法正常工作，“3+3”结构或同心导体结构可以有效实现变频器和电源的匹配，改善功率因数，减少输入高次谐波的不良影响。二是电缆应满足电磁兼容性要求，不但要做到防止外界电磁场对电缆的影响，又要做到防止电缆本身对变频器其他元器件的影响，这就对电缆屏蔽层提出更高的要求，做到精确设计。

变频器电缆适用于传动系统，尤其适用于造纸、钢铁、纺织、金属加工和食品加工等应用领域，该类电缆通常敷设在油污重、潮湿气大、有积水等恶劣工作环境中，当电缆长期处于潮湿气大、有积水，含有油类的恶劣环境中工作时，电缆应具有一定的防水及抑制油类渗透的能力，仅靠普通护层结构的电缆显然是无法满足这个要求。

众所周知，变频器不但在传统的传动系统中得到广泛应用，而且几乎已经扩展到工业生产的所有领域，这是科技发展的必然，近年来国内外变频器市场的增长速度每年都在10%以上，由于变频器在节能、性能、效率、操作性等方面的显著优点，变频器的应用领域会有更进一步的扩大。针对变频器电缆的现状、存在的问题以及特定的工作环境，本发明拟提供一种防水耐油污10kV中压变频器电缆，以满足不断增长的国内外市场需求，同时降低对进口变频器电缆的依赖。开发出的防水耐油污10kV中压变频器电缆，具有优异的高电性能、电缆结构及电磁兼容性，同时电缆能适应油污重、潮湿气大、有积水等恶劣工作环境，对于拓宽电缆产品的应用领域，满足市场需求，都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防水耐油污10kV中压变频器电缆及方法。

为达到发明的目的，首要的是考虑和确定以下几方面：

1、确定高电性能的绝缘材料：

变频电机的频率调节范围在100-400Hz，不论频率高低，具有一个主频率的波形轮廓，这其中包含许多高次谐波，作为一种行波经多次反射，幅值叠加可达工作电压的数倍，电缆越长，幅值越高，若电缆绝缘耐压水平较低，极易导致被击穿。为了提高电缆的绝缘安全系数，确定高电性能的绝缘材料，中压变频器电缆绝缘应具有优异的热稳定性，耐电压冲击性，较小的绝缘介质损耗，考虑电缆10kV电压等级，本电缆采用了导体屏蔽、交联聚乙烯绝缘、绝缘屏蔽三层共挤挤出工艺，以均衡电场，提高电缆的绝缘性能，特别是脉冲电压对绝缘的影响，能经受高速、频繁变频时脉冲电压对绝缘的不良影响。

2、确定电缆结构

在交流电流传输过程中，当三相电流平衡时，其中性线的电流为零，若出现三次谐波，则三次谐波的电流分量在中性线内不存在相位差，直接叠加成分量的三倍，这就要求中压变频器电缆必须要有中性线，必须采用电气对称结构，由于工作电压的升高，高频电磁波的发射能力明显增强，这时低压变频器电缆通常采用的“3+3”结构已不适用，要求屏蔽结构更加优化完善。在10kV中压变频器电缆的工作条件下，同心导体结构是一种合适的结构，所以所述的电缆的三个绝缘线芯采用同心导体结构，分相屏蔽（即金属屏蔽）方式，这种结构比较优化，既起到中性线的作用又具有较好的屏蔽效果，能够充分均衡电场，减少相位差异；同时，为了抑制电缆的电磁污染影响，还必须对屏蔽进行精确设计，最终本电缆确定采用组合总屏蔽的方式，有效减少了出现的噪声增大、高次谐波增多、功率因数降低等不良现象。

3、确定电缆屏蔽方式及提高电磁兼容性（EMC）

在工业领域内，由于中、高压变频电机功率较大，而且随着工作电压升高，工作时连接变频电机和变频电源之间的电缆就是高频电磁波向外发射的有效载体，会对周围设备、精密仪器、仪表线路等产生干扰，甚至损坏，称之为电磁波的环境污染。如何抑制电磁波对外发射，提高电缆的屏蔽性能，提高电缆的电磁兼容性（EMC），成为迫切需要解决的技术问题，本发明所述的10kV中压变频器电缆对分相屏蔽提出了较高的要求，因为10kV中压变频器电缆分相屏蔽要通过较大的短路电流，三根相线分相屏蔽截面积之和不小于单根相线导体截面积的二分之一；同时所述的电缆还需要在成缆以后进行组合总屏蔽的屏蔽方式，该屏蔽方式采用铜丝缠绕加铜带绕包间隙包扎的组合总屏蔽方式，屏蔽效果很好，总屏蔽的截面积不小于单根相线导体截面的二分之一。从而实现了防止外界电磁场对电缆的影响，而且实现了防止电缆本身对变频器其他元器件的影响。

4、确定电缆防水性能

确定防水层的结构设计是保证本电缆实现防水性能的关键，铝塑粘结综合护层结构，内层铝塑复合带纵包，外层聚乙烯护层挤出，铝塑复合带纵包结构利用金属材料晶体结构紧密，水分子不能透过这一特点来防水，铝塑带纵包后，以非极性的聚烯烃高分子作粘接护套，大大减少了水份通过塑层透过的几率。本电缆防水层采用铝塑粘结综合护层结构，具有良好的防水性能。

绝缘线芯成缆时，填充材料采用阻水绳填充，绕包材料采用阻水带绕包扎紧，隔离套采用聚乙烯材料挤出，在保证电缆圆整度的同时，大大提高了电缆的整体防水性能。

5、确定电缆耐油污性能

选用适当的护层材料成为本电缆耐油污性能实现的关键。高聚物的耐油污性能主要取决于聚合物的极性，本电缆采用丁腈复合物护层料（NBR/PVC）作为耐油污防护层，丁腈复合物护层材料是一种极性很大的聚合物，不但具有橡胶的耐磨、耐油污特性，而且具有普通塑料的可塑性、流动性，非常适合于作为耐油污电缆的外护层材料。

在考虑上述5方面之后，本发明提供的电缆达到的主要技术指标为：

①绝缘层能够经受由于变频系统高次谐波反射导致的2到3倍的系统峰值电压。

②电缆具有良好的屏蔽性能。分相屏蔽中三根相线截面之和不小于单根相线导体截面的二分之一；组合屏蔽的截面不小于相线截面的二分之一。理想屏蔽抑制系数不大于0.3，屏蔽层传输阻抗在100MHz范围以内,不大于1Ω/m。

③电缆防水性能：铝塑粘结综合护层充入压力为50kPa～100kPa干燥空气或氮气，全长气压均衡6h，进行完整性试验，电缆内的气压不降低。

④丁腈复合物耐油污外护层机械物理性能抗张强度不小于10Mpa，断裂伸长率不小于125%，丁腈复合物耐油污外护层切片试样浸入试验用油后其抗张强度和断裂伸长率的变化率应不大于浸油前的±30％。

由此可见，本发明的主要特征在于：

①绝缘线芯摒弃低压变频器电缆常用的“3+3”的结构设计，采用同心导体结构，通过分相屏蔽方式，进行了结构优化，既起到了中性线的作用又具有屏蔽的效果。

②屏蔽层采用了分相屏蔽和组合屏蔽层两种类型。其中，分相屏蔽采用软铜带重叠绕包成缆；组合屏蔽层，采用铜丝缠绕加铜带绕包间隙包扎方式，与普通电缆相比，其屏蔽效果有了质的提高，提高了电缆屏蔽性能，提高了电磁兼容性。

③防水层结构设计采用了铝塑粘结综合护层结构，在防水性能上更安全、可靠、长久。

④耐油污层的设计采用了丁腈复合物护层材料，具有优异的耐油污性能。

实施本发明提供的防水耐油污10kV中压变频器电缆的关键制造工艺有：

1.多重屏蔽方式加工工艺

电磁屏蔽对电磁干扰衰减主要基于电磁波的反射和吸收。不同的屏蔽结构、屏蔽材料以及材料的厚度对于电磁波的屏蔽效果区别很大。本发明所述的电缆分相屏蔽采用单层软铜带重叠绕包，重叠率不小于25％，厚度不小于0.10mm，绕包应平实、服帖，无褶皱。组合总屏蔽，采用铜丝缠绕加铜带绕包间隙包扎的组合屏蔽方式，铜丝缠绕屏蔽采用软圆铜单线均匀缠绕于挤包的内衬层上,圆铜单线间的间隙不大于一根圆铜单线的直径，铜带绕包屏蔽采用厚度不小于0.10mm的铜带间隙包扎。多重屏蔽方式的采用，大大提高了电缆屏蔽效果。

2.双层组合护层结构加工工艺

电缆采用双层组合护层结构：即铝塑粘结综合护层和丁腈复合物外护层，内层为综合防水层，外层为耐油污防护层。防水性能通过铝塑粘结综合护层工艺技术加以实施，内层铝塑复合带纵包，外层聚乙烯护层挤出，需精确控制纵包搭盖、纵包焊接、加工温度、护层厚度及圆整度控制。耐油污性能通过采用极性大的丁腈复合物材料作外护层，需精确控制外护层厚度及整个电缆的圆整度。

双层组合护层结构，聚乙烯和丁腈复合物组合护层，需合理控制两种护层材料的结合及组合护层的厚度分配，确保结合严密、厚度分配均匀。

综上所述，本发明提供的防水耐油污的10kV中压变频器电缆的主要性能指标为：

①防水性能方面：

采用铝塑粘结综合护层，其防水性能优于普通聚乙烯护层的100倍。

②屏蔽性能方面

屏蔽层传输阻抗在100MHz范围以内,为0.8Ω/m。屏蔽抑制系数为0.08。

③耐油性能方面：

总之，本发明提供的新型防水耐油污10kV中压变频器电缆具有较小的绝缘介质损耗，较低的绝缘阻抗。具有较强的耐电压冲击性，能经受高速、频繁变频时的脉冲电压。具有良好的屏蔽性能。改善系统的功率因数，减小高次谐波对电缆及设备的不良影响。电缆具有防水、耐油污等特性。以铝塑粘结综合护层作为电缆防潮湿气、防水的防渗透层，以丁腈复合物护层材料作为电缆耐油污防护层的双层组合护层结构，可达到既防水又耐油污的要求，能够充分满足用户的要求，从而保证电缆在各种恶劣环境下工作的性能稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的防水耐油污10kV中压变频器电缆结构示意图；

图2为图1所示的电缆结构的制作的工艺流程。

图中，1—导体2—导体屏蔽层3—交联聚乙烯绝缘层4—分相屏蔽层5—分相屏蔽层6—填充绳7—绕包带8—隔离套9—组合屏蔽层10—铝塑粘结综合护层11—丁腈复合物外护层。

具体实施方式

实施例1本发明提供的电缆的结构

所述电缆由里到外依次由导体1、导体屏蔽2、变联聚乙烯绝缘层3、绝缘屏蔽层4、分相屏蔽层5、填充阻水绳6、绕包阻水带7、隔离套8、组合屏蔽层9铝塑粘结综合护层10和丁腈复合物外护层11构成。

其中，（1）导体：选用铜导体作为导体，导体采用紧压圆形结构，以防止尖端放电。

（2）交联聚乙烯绝缘层：考虑10kV中压变频器电缆的电压等级，采用导体屏蔽、交联聚乙烯绝缘、绝缘屏蔽三层共挤工艺，以均衡电场，提高电缆的绝缘性能。

（3）分相屏蔽层：采用软铜带重叠绕包，重叠绕包重复率不小于25%，厚度不小于0.10mm，既起到中性线的作用又具有屏蔽的效果。

（4）成缆，成缆的缆芯按相应的节距绞合，填充阻水绳，绕包阻水带以包紧绞合后的线芯，使其圆整紧密，并具有一定的防水性能。

（5）隔离套，采用聚乙烯材料挤出，在保证电缆圆整度的同时，提高了电缆的整体防水性能。

（6）组合屏蔽层，为了抑制10kV中压变频器电缆的电磁污染，10kV中压变频器电缆除了采用必要的分相屏蔽，还采用了组合屏蔽结构，组合屏蔽采用铜丝缠绕加铜带绕包间隙包扎结构，屏蔽性能更优异。

（7）铝塑粘结综合护层：总屏蔽后用铝塑复合带纵包，聚乙烯层粘附在铝塑复合带上，二者之间的剥离强度在18℃至27℃温度下不小于0.8N/mm。聚乙烯层表面光滑平整，无孔洞、裂缝、凹陷等缺陷。

（8）丁腈复合物外护层：采用耐油污性能优异的丁腈复合物材料作外护层，外护层紧密挤包在综合护层上，外护层光滑圆整、外径均匀。

制作的工艺流程为：

（1）单线拉制退火

Φ8.00mm铜杆经过多道拉伸，拉制成圆铜单线，拉制后经过退火再结晶，退火温度控制范围精密。

（2）绞合紧压

导体典型结构排列（由内向外）为：1+6+12+18，采取分层紧压，紧压系数不小于0.9，导体符合GB/T3956规定，导体表面光洁、无油污、无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂的单线。

（3）三层共挤绝缘

导体屏蔽，导体屏蔽为挤包交联型半导电层。半导电层应均匀地包覆在导体上,表面光滑，无明显绞线凸纹，无尖角、颗粒、烧焦或擦伤的痕迹。导体屏蔽标称厚度为0.8mm。

绝缘，绝缘为交联聚乙烯材料，挤包在导体上的绝缘性能符合GB/T12706.2的规定，绝缘标称厚度为3.4mm，绝缘厚度平均值不小于规定的标称值，绝缘任一点最薄点的测量厚度不小于90%mm，绝缘偏心度≤10%。

绝缘屏蔽，绝缘屏蔽为挤包半导电层，半导电层应均匀地包复在绝缘表面。绝缘表面光滑，无尖角，颗粒，烧焦或擦伤痕迹。绝缘屏蔽为可剥离型。标称厚度为0.8mm。

导体屏蔽，绝缘和绝缘屏蔽采用三层共挤工艺，以确保三个绝缘线芯同心导体结构，全封闭化学交联。绝缘生产采用原材料净化装置，绝缘偏芯度控制采用在线X射线测偏装置。

（4）分相屏蔽

分相屏蔽，采用软铜带重叠绕包组成，铜带连接采用焊接方式。绕包圆整光滑，重叠率不小于25％，铜带标称厚度≥0.10mm，包带内侧放置三相标志色带（红色、绿色、黄色）。

（5）局放试验

局部放电试验，在三芯电缆的所有绝缘线芯上进行，电压施加于每一导体和分相屏蔽之间，在1.73U0电压下局部放电量不超过5pc。

（6）成缆

成缆，分相屏蔽后的绝缘线芯应绞合成缆，填充采用阻水绳，紧密无空隙。缆芯外采用阻水带绕包扎紧，成缆后外形圆整。

（7）隔离套

成缆绕包后挤包聚乙烯隔离套，标称厚度1.2mm，隔离套表面平整、塑化良好。

（8）组合屏蔽层

组合屏蔽层采用铜丝缠绕与铜带重叠绕包结构，铜丝缠绕采用直径Φ1.70-1.80mm软圆铜单线，铜单线连接采用焊接方式；铜带绕包采用厚度不小于0.10mm的铜带间隙包扎，绕包圆整光滑，铜带连接采用焊接方式。

（9）铝塑粘接综合护层

铝塑复合带标称厚度不小于0.20mm，搭盖宽度≥10mm；聚乙烯层厚度范围1.2—1.3mm。精确控制纵包搭盖、纵包焊接、加工温度、护层厚度及圆整度控制。

（10）丁腈复合物外护层

外护层厚度范围：2.0—2.2mm，严格控制外护层厚度和挤出质量外观。表面平整、色泽均匀，塑化良好。成品电缆外径范围：68.5—69.3mm。

Claims (4)

1.一种防水耐油污的10kV中压变频器电缆的制作方法，其特征在于工艺流程为：①单线拉制退火、②绞合紧压、③导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层三层共挤绝缘、④分相屏蔽层、⑤局放试验、⑥成缆、⑦隔离套、⑧组合屏蔽层、⑨铝塑粘结综合护层和⑩丁腈复合物外护层；

其中：

①单线拉制退火

Φ8.00mm铜杆经过多道拉伸，拉制成圆铜单线，拉制后经过退火再结晶，退火温度控制范围精密；

②绞合紧压

由内向外导体结构排列为：1+6+12+18，采取分层紧压，紧压系数不小于0.9，导体符合GB/T3956规定，导体表面光洁、无油污、无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂的单线；

③三层共挤绝缘

导体屏蔽层：导体屏蔽为挤包交联型半导电层；半导电层应均匀地包覆在导体上,导体屏蔽层标称厚度为0.8mm；

绝缘层：绝缘为交联聚乙烯材料，挤包在导体上的绝缘性能符合GB/T12706.2的规定，绝缘层标称厚度为3.4mm，绝缘层厚度平均值不小于规定的标称值，绝缘层偏心度≤10％；

绝缘屏蔽层：绝缘屏蔽层为挤包半导电层，半导电层应均匀地包覆在绝缘表面，绝缘屏蔽层为可剥离型，标称厚度为0.8mm；

导体屏蔽层，绝缘层和绝缘屏蔽采用三层共挤工艺，全封闭化学交联；绝缘生产采用原材料净化装置，绝缘偏心度控制采用在线X射线测偏装置；

④分相屏蔽

分相屏蔽，采用软铜带重叠绕包组成，铜带连接采用焊接方式；绕包圆整光滑，重叠率不小于25％，铜带标称厚度≥0.10mm，包带内侧放置红色、绿色、黄色三相标志色带；

⑤局放试验

在三芯电缆的所有绝缘线芯上进行局部放电试验，电压施加于每一导体和分相屏蔽之间，在1.73U₀电压下局部放电量不超过5pc；

⑥成缆

分相屏蔽后的绝缘线芯应绞合成缆，填充采用阻水绳，紧密无空隙；

缆芯外采用阻水带绕包扎紧，成缆后外形圆整；

⑦隔离套

成缆绕包后挤包聚乙烯隔离套，标称厚度1.2mm，隔离套表面平整、塑化良好；

⑧组合屏蔽层

组合屏蔽层采用铜丝缠绕与铜带重叠绕包结构，铜单线连接采用焊接方式；铜带绕包时铜带连接采用焊接方式；

⑨铝塑粘结综合护层

铝塑粘结综合保护层结构包括内层铝塑复合带纵包，外层聚乙烯护层挤出；

⑩丁腈复合物外护层

控制丁腈复合物外护层厚度和挤出质量外观；表面平整、色泽均匀，塑化良好；成品电缆外径范围为68.5—69.3mm。

2.由权利要求1所述的方法制作的电缆，其特征在于所述电缆由里到外依次由导体(1)、导体屏蔽层(2)、交联聚乙烯绝缘层(3)、绝缘屏蔽层(4)、分相屏蔽层(5)、填充阻水绳(6)、绕包阻水带(7)、隔离套(8)、组合屏蔽层(9)、铝塑粘结综合护层(10)和丁腈复合物外护层(11)构成；

其中，①导体屏蔽层(2)、交联聚乙烯绝缘层(3)和绝缘屏蔽层(4)三层共挤工艺成型；三个绝缘线芯采用同心导体结构；

②导体屏蔽层采用了分相屏蔽层和组合屏蔽层两种方式；其中，分相屏蔽采用软铜带重叠绕包；

③铝塑粘结综合护层(10)和丁腈复合物外护层(11)构成双层组合护层结构；内层铝塑粘结保护层为复合带纵包，丁腈复合物外护层(11)紧密挤包在铝塑粘结综合护层(10)上。

3.按权利要求2所述的电缆，其特征在于分相屏蔽中三根相线截面之和不小于单相相线导体截面的二分之一，组合屏蔽的截面不小于相线截面的二分之一。

4.按权利要求2所述的电缆，其特征在于所述的组合屏蔽层缠绕的铜丝采用直径为Φ1.70-1.80mm软圆铜单线缠绕。