一种中压馈电电缆及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种中压馈电电缆及其制备方法和应用 (Medium-voltage feeder cable and preparation method and application thereof ) 是由 康慧 王新国 张航 李子欣 王平 虞踏峰 许炼 任虹光 钱江伟 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种中压馈电电缆及其制备方法和应用,所述中压馈电电缆包括金属线芯,所述金属线芯外依次包覆有导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、铜丝屏蔽层和外护套；所述绝缘层的材料为乙丙橡胶组合物,所述绝缘层的厚度为3.44～4.2mm；通过上述层级结构设计以及对于绝缘层材料的选择和厚度的设定,使得到的中压馈电电缆能够同时满足耐压35kV、压降5V/m以及温升不超过100K/10s,完全满足高速磁悬浮系统对于电缆的要求。(The invention provides a medium-voltage feed cable and a preparation method and application thereof, wherein the medium-voltage feed cable comprises a metal wire core, and a conductor shielding layer, an insulating shielding layer, a copper wire shielding layer and an outer sheath are sequentially coated outside the metal wire core; the insulating layer is made of an ethylene propylene rubber composition, and the thickness of the insulating layer is 3.44-4.2 mm; through the hierarchical structure design, the selection of the insulating layer material and the setting of the thickness, the obtained medium-voltage feed cable can simultaneously meet the voltage withstanding of 35kV, the voltage drop of 5V/m and the temperature rise of no more than 100K/10s, and the requirements of a high-speed magnetic suspension system on the cable are completely met.)
技术领域
本发明属于电缆技术领域，具体涉及一种中压馈电电缆及其制备方法和应用。
背景技术
高速铁路磁浮系统具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点，磁悬浮交通作为一种新型的交通工具，是一种利用磁极间吸引力和排斥力的高科技交通工具，其主要依靠电磁力来实现传统铁路中的支承、导向、牵引和制动功能。这种电磁力会产生强大的电磁场，对周围的环境产生强烈的电磁干扰。
磁悬浮专用电缆是为磁悬浮系统设计制造的特殊柔性中压电缆，其额定电压为10/17.5(20)kV，频率范围为0～50Hz。由于工作于变频强磁场中，通常是户外沿着两侧轨道敷设，电缆不仅柔性要求特高，而且必须具有耐候性、耐腐蚀、阻燃性和自润滑性，故对电缆的结构、绝缘和护层材料的机械电气和耐环境性能都提出了很高的要求。
CN205564319U公开了一种智慧能源磁悬浮列车同步牵引用动力电缆，由内到外依次为导体、半导电尼龙带、半导电导体屏蔽层、乙丙橡胶绝缘层、半导电绝缘屏蔽层、半导电护套、石墨烯包覆层；所述导体采用三层软铝导体，由内到外分别为圆形单线绞合导体、瓦型单线绞合导体和Z型单线绞合导体。该电缆采用半导电护套和高导电高模量石墨烯包覆层替代传统中压电缆采用的金属屏蔽，既能够保证将电力传输过程中产生的感应电流导入大地，同时解决了由金属屏蔽导致电缆硬度过大的弊端。还具有弯曲半径小、高导电、高阻燃、高化学稳定性和自润滑等优异特性。
CN112582100A公开了一种磁悬浮列车用馈电电缆生产工艺，所述电缆由内至外依次包括芯导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、外护套，所述金属屏蔽层为铜丝屏蔽层；绝缘屏蔽层外绕包有第一阻水带，金属屏蔽层由金属丝屏蔽层和金属带屏蔽层组成，且金属带屏蔽层在外层，金属带屏蔽层外包覆有第二阻水带，第二阻水带外挤包有聚乙烯外护套；所述芯导体为多根铜导线绞合而成的复合导体；在导体屏蔽层内与芯导体的之间填充有阻水粉。所制备的电缆在保证电缆最基本运行使用要求前提下，大截面铜丝屏蔽设计可以降低电缆因故障出现过电流致磁悬浮馈电电网瘫痪的风险，延长电缆在恶劣情况使用寿命。
CN110459353A公开了一种磁悬浮专用长定子电缆。所述电缆包括导体，在导体外依次挤包有导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、护套和涂层；所述绝缘屏蔽层的电阻率大于护套的电阻率，所述护套的电阻率大于涂层的电阻率；所述导体包括位于中心位置的中心线，在中心线外周向设置有多层由内至外设置的环形导体层。该发明得到的电缆的导体密实度高，敷设弯曲半径小；此外，还可以有效地减小长定子电缆的感应电流、电容电流和泄漏电流，提高安全性。
但是，包括上述专利在内的现有技术中提供的常规中压电缆对地电压为8.7kV或者12kV，耐压分别为30.5kV或者42kV，但是，这两种型号的电缆均无法同时满足耐压35kV、压降5V/m、温升不超过100K/10s、电缆外径≤42mm的要求，应用于高速磁悬浮系统中效果并不理想。
因此，开发一种能够同时实现耐压35kV、压降5V/m、温升不超过100K/10s且电缆外径≤42mm的电缆，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中压馈电电缆及其制备方法和应用，所述中压馈电电缆包括金属线芯，所述金属线芯外依次包覆有导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、铜丝屏蔽层和外护套；所述绝缘层的材料为乙丙橡胶组合物，所述绝缘层的厚度为3.44～4.2mm；通过上述层级结构设计以及对绝缘层材料的选择和厚度的设定，使得到的中压馈电电缆能够可同时满足耐压35kV、压降5V/m以及温升不超过100K/10s，满足高速磁悬浮对于电缆的要求。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种中压馈电电缆，所述中压馈电电缆包括金属线芯，所述金属线芯外依次包覆有导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、铜丝屏蔽层和外护套；
所述绝缘层的材料为乙丙橡胶组合物，所述绝缘层的厚度为3.44～4.2mm，例如3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4mm、4.1mm、4.1mm或4.15mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
本发明提供的中压馈电电缆中的“中压馈电电缆”指的是额定供电电压为10kV的电缆。
本发明提供的中压馈电电缆的剖面结构示意图如图1所示，其中1代表金属线芯；2代表导体屏蔽层，在金属线芯外包覆导体屏蔽层，可以中和金属线芯表面的不圆整，起到均衡电场的作用；3代表绝缘层，绝缘层3的材料为乙丙橡胶组合物，且其厚度为3.44～4.2mm，可以使得到的电缆能够满足耐压35kV、压降5V/m且温升不超过100K/10s的要求，在大功率中频脉冲下仍然能够保持稳定的性能；4代表绝缘屏蔽层，绝缘屏蔽层同样具有均衡外部电场的作用；5代表铜丝屏蔽层，铜丝屏蔽层5包覆在绝缘屏蔽层外，使得电缆可承受18.7A/km的充电电流；6代表外护套，具有较好的机械性能，保护电缆不受外部损伤。
本发明提供的中压馈电电缆通过上述层级结构的设计，并选择乙丙橡胶组合物作为绝缘层材料的搭配绝缘层的厚度为3.44～4.2mm，使得到的中压馈电电缆具有防紫外线、低烟、无卤和阻燃性能，可以敷设于室内或室外、地下、电缆桥架、电缆沟等位置，且所述电缆能够满足压降、温升以及大功率中频脉冲负载要求的要求；一方面，如果绝缘层的厚度过低，则会使得得到的电缆的耐压无法到35kV，即在35kV/5min的耐压下容易被击穿；而另一方面，如果绝缘层的厚度过高，则会导致电缆在中频脉冲下电感值升高，从而导致压降超过5V/m；且如果不选择乙丙橡胶组合物搭配3.44～4.2mm的厚度，则会使得到的电缆的温升过高，最终无法满足高速磁悬浮系统对于电缆的要求。
优选地，所述金属线芯的直径为23～24mm，例如23.1mm、23.2mm、23.3mm、23.4mm、23.5mm、23.6mm、23.7mm、23.8mm或23.9mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述金属线芯包括若干绞合在一起的第5种镀锡铜线。
优选地，所述导体屏蔽层的厚度为0.3～0.5mm，例如0.32mm、0.34mm、0.36mm、0.38mm、0.4mm、0.42mm、0.44mm、0.46mm或0.48mm以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述导体屏蔽层的材料包括半导体挤出材料或半导体电绕包带。
优选地，所述乙丙橡胶组合物按照重量份包括如下组分：三元乙丙橡胶40～60重量份、低密度聚乙烯树脂8～12重量份、改性煅烧高岭土40～60重量份、氧化锌2～3重量份、微晶蜡3～4重量份、钛白粉0.8～1.2重量份和石蜡油3～5重量份。
所述三元乙丙橡胶可以为42重量份、44重量份、46重量份、48重量份、50重量份、52重量份、54重量份、56重量份或58重量份等。
所述低密度聚乙烯树脂可以为8.5重量份、9重量份、9.5重量份、10重量份、10.5重量份、11重量份或11.5重量份等。
所述改性煅烧高岭土可以为42重量份、44重量份、46重量份、48重量份、50重量份、52重量份、54重量份、56重量份或58重量份等。
所述氧化锌可以为2.1重量份、2.2重量份、2.3重量份、2.4重量份、2.5重量份、2.6重量份、2.7重量份、2.8重量份或2.9重量份等。
所述微晶蜡可以为3.1重量份、3.2重量份、3.3重量份、3.4重量份、3.5重量份、3.6重量份、3.7重量份、3.8重量份或3.9重量份等。
所述钛白粉可以为0.85重量份、0.9重量份、0.95重量份、1重量份、1.05重量份、1.1重量份或1.15重量份等。
所述石蜡油可以为3.2重量份、3.4重量份、3.6重量份、3.8重量份、4重量份、4.2重量份、4.4重量份、4.6重量份或4.8重量份等。
所述乙丙橡胶组合物中还包括防老剂、防老增效剂、偶联剂、交联剂和交联助剂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述乙丙橡胶组合物中防老剂的含量为0.3～0.7重量份，例如0.33重量份、0.36重量份、0.39重量份、0.45重量份、0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份或0.65重量份等。
优选地，所述乙丙橡胶组合物中防老增效剂的含量为0.3～0.7重量份，例如0.33重量份、0.36重量份、0.39重量份、0.45重量份、0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份或0.65重量份等。
优选地，所述乙丙橡胶组合物中偶联剂的含量为0.3～0.7重量份，例如0.33重量份、0.36重量份、0.39重量份、0.45重量份、0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份或0.65重量份等。
优选地，所述乙丙橡胶组合物中交联剂的含量为1～3重量份，例如1.2重量份、1.4重量份、1.6重量份、1.8重量份、2重量份、2.2重量份、2.4重量份、2.6重量份或2.8重量份等。
优选地，所述乙丙橡胶组合物中交联助剂的含量为0.3～0.7重量份，例如0.33重量份、0.36重量份、0.39重量份、0.45重量份、0.5重量份、0.55重量份、0.6重量份或0.65重量份等。
作为优选技术方案，本发明提供的乙丙橡胶组合物按照重量份包括三元乙丙橡胶40～60重量份、低密度聚乙烯树脂8～12重量份、改性煅烧高岭土40～60重量份、氧化锌2～3重量份、微晶蜡3～4重量份、钛白粉0.8～1.2重量份、石蜡油3～5重量份、防老剂0.3～0.7重量份、防老增效剂0.3～0.7重量份、偶联剂0.3～0.7重量份、交联剂1～3重量份和交联助剂0.3～0.7，选用上述特定的配方，选择特定的添加剂，确定最佳的配比，制备了得到了高纯净度、高耐压等级的乙丙橡胶组合物，更适合作为电缆绝缘层的材料。
优选地，所述绝缘屏蔽层的厚度为0.3～0.5mm，例如0.32mm、0.34mm、0.36mm、0.38mm、0.4mm、0.42mm、0.44mm、0.46mm或0.48mm以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述绝缘屏蔽层的材料为半导体材料。
优选地，所述半导体材料包括半导体挤出材料或半导体电绕包带。
优选地，所述铜丝屏蔽层的材料为镀锡铜丝。
优选地，所述镀锡铜丝的单丝直径为0.2～0.25mm，例如0.205mm、0.21mm、0.215mm、0.22mm、0.225mm、0.23mm、0.235mm、0.24mm或0.245mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述外护套为低烟无卤弹性体护套。
优选地，所述外护套的厚度为1.8～2.2mm，例如1.85mm、1.9mm、1.95mm、2mm、2.05mm、2.1mm、2.15mm或2.2mm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述中压馈电电缆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层的材料依次挤出在金属线芯外表面，得到复合层；
(2)将铜丝屏蔽层的材料编织在复合层外表面，连接护套，得到所述中压馈电电缆。
优选地，步骤(1)所述挤出为三层共挤。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的中压馈电电缆在高速磁浮中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的中压馈电电缆包括金属线芯，所述金属线芯外依次包覆有导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、铜丝屏蔽层和外护套；通过选择所述绝缘层的材料包括乙丙橡胶组合物，且设定所述绝缘层的厚度为3.44～4.2mm，使得到的中压馈电电缆能够可同时满足耐压35kV、压降5V/m以及温升不超过100K/10s的要求；且将本发明提供的中压馈电电缆应用于高速磁浮系统中单根电缆对地电压为10kV，线电压17.3kV，系统最大运行电流5kA，工作频率为0～500Hz，在流通5kA/500Hz交流电流的情况下，单根电缆每米压降小于5V，在持续流通5kA/500Hz交流电流10s后；单根电缆温升不超过100K，且不影响2小时后重复使用，单根电缆的弯曲半径不大于6倍电缆外径，满足高速磁悬浮对于电缆的要求。
附图说明
图1为本发明提供的中压馈电电缆的剖面结构示意图；
其中，1-金属线芯，2-导体屏蔽层、3-绝缘层、4-绝缘屏蔽层、5-铜丝屏蔽层和6-外护套。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
制备例1
一种乙丙橡胶组合物，按照重量份包括如下组分：三元乙丙橡胶50重量份(韩国锦湖、KEP510)，低密度聚乙烯树脂10重量份(中国石化、7042)，改性煅烧高岭土50重量份，氧化锌2.5重量份，微晶蜡3.5重量份，钛白粉1重量份，硬脂酸0.5重量份(苏州藏书、1801)，防老剂RD 0.5重量份，防老增效剂MB 0.5重量份，石蜡油4重量份(汉圣、2280)，偶联剂A-1720.5重量份，交联剂DCP 2重量份和交联助剂TAIC 0.5重量份；
本制备例得到的乙丙橡胶组合物通过将各个组分进行混炼均匀得到。
实施例1
一种中压馈电电缆，其剖面结构示意图如图1所示，包括金属线芯1，金属线芯外依次包覆有导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层4、铜丝屏蔽层5和外护套6；
其中，金属线芯1的直径为23.5mm，由若干第5种镀锡铜线绞合而成；
导体屏蔽层2的厚度为0.3mm，材料为(乙丙橡绝缘电缆导电用过氧化物交联型半导体材料，PEJD)；
绝缘层3的厚度为4mm，材料为制备例1得到的三元乙丙橡胶组合物；
绝缘屏蔽层4的厚度为0.5mm，材料为(乙丙橡绝缘电缆绝缘用过氧化物交联型半导体材料，PEJJ)；
铜丝屏蔽层5的单丝直径为0.20mm，材料为镀锡铜丝；
外护套6的厚度为2.2mm，材料为低烟无卤弹性体(马弗、LSOH-90)；
本实施例提供的中压馈电电缆的制备方法包括：
(1)将导体屏蔽层、三元乙丙橡胶组合物和绝缘屏蔽层的材料依次挤出在金属线芯外表面，得到复合层；
(2)将镀锡铜丝编织在复合层外表面，连接护套，得到所述中压馈电电缆。
实施例2
一种中压馈电电缆，其剖面结构与实施例1相同；
包括：金属线芯，直径为23mm，由若干第5种镀锡铜线绞合而成；
导体屏蔽层，厚度为0.5mm，材料为(半导电挤出料)；
绝缘层，厚度为3.44mm，材料为制备例1得到的三元乙丙橡胶组合物；
绝缘屏蔽层，厚度为0.5mm，材料为(半导电挤出料)；
铜丝屏蔽层，单丝直径为0.25mm，材料为镀锡铜丝；
外护套，厚度为2.2mm，材料为低烟无卤弹性体；
本实施例提供的中压馈电电缆的制备方法包括：
(1)将导体屏蔽层、三元乙丙橡胶组合物和绝缘屏蔽层的材料依次挤出在金属线芯外表面，得到复合层；
(2)将镀锡铜丝编织在复合层外表面，连接护套，得到所述中压馈电电缆。
实施例3
一种中压馈电电缆，其剖面结构与实施例1相同；
包括：金属线芯，直径为24mm，由若干第5种镀锡铜线绞合而成；
导体屏蔽层，厚度为0.5mm，材料为(半导电挤出料)；
绝缘层，厚度为4.2mm，材料为制备例1得到的三元乙丙橡胶组合物；
绝缘屏蔽层，厚度为0.5mm，材料为(半导电挤出料)；
铜丝屏蔽层，厚度为0.25mm，材料为镀锡铜丝；
外护套，厚度为2.0mm，材料为低烟无卤弹性体；
本实施例提供的中压馈电电缆的制备方法包括：
(1)将导体屏蔽层、三元乙丙橡胶组合物和绝缘屏蔽层的材料依次挤出在金属线芯外表面，得到复合层；
(2)将镀锡铜丝编织在复合层外表面，连接护套，得到所述中压馈电电缆。
实施例4
一种中压馈电电缆，其与实施例1的区别仅在于，绝缘层的厚度为3.44mm，其他结构、参数和制备方法均与实施例1相同。
实施例5
一种中压馈电电缆，其与实施例1的区别仅在于，绝缘层的厚度为4.2mm，其他结构、参数和制备方法均与实施例1相同。
对比例1
一种中压馈电电缆，其与实施例1的区别仅在于，绝缘层的厚度为3mm，其他结构、参数和制备方法均与实施例1相同。
对比例2
一种中压馈电电缆，其与实施例1的区别仅在于，绝缘层的厚度为4.3mm，其他结构、参数和制备方法均与实施例1相同。
对比例3
一种中压馈电电缆，其与实施例1的区别在于，导体屏蔽层采用绕包半导电带，绝缘层采用硅橡胶材料，绝缘屏蔽层采用绕包半导电带，其他结构、参数和制备方法均与实施例1相同。
性能测试：
(1)耐压：按照《GB/T 3048.8》提供的测试方法进行测试；
(2)压降：将被测电缆以三相星接形式接至三相变频可调交流电源中，调整三相变频可调交流电源的输出电流为I，输出电压为U，电缆测试长度为L，电缆的阻抗Z＝U/I/L，按照△U(压降)＝Z×5000×1.25(注：1.25为400Hz换算到500Hz的换算系数)计算得到压降；
(3)温升：将被测电缆通过开关接至陪试的变频交流电源回路中，调整变频交流电源的输出电流，向被测电缆持续通电，记录电缆导体关键部位温度，温度每上升10K，同时记录达到相应温度的时间，直至电缆内部导体温升至100K或者温度停止上升结束测试；
(4)阻燃按照《GB/T 12706.2》提供的测试方法进行测试。
按照上述测试方法对实施例1～5和对比例1～3提供的中压馈电电缆进行测试，测试结果如表1所示：
表1
根据表1数据可以看出：
实施例1～5提供的中压馈电电缆的耐压可以达到39～55kV/5min，压降为4.2～4.9V/m，温升为37～42K，阻燃测试结果均为ZC。
比较实施例1和对比例1～2可以看出，对比例1得到的电缆由于绝缘层的厚度过低，最终耐压均仅可以达到30kV/5min，进而不满足要求，无法进行后续测试；对比例2得到的电缆由于绝缘层的厚度过高，导致其压降高达5.3V/m，因此同样不满足要求。
进一步比较实施例1和对比例3可以看出，现有技术中采用硅橡胶作为绝缘层的主要材料得到的电缆的耐压不达标。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种中压馈电电缆及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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