CN104715821A - 新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆及其制备方法，电缆包括导体层，导体层外设有两层绝缘层，分别为内绝缘层和外绝缘层。内绝缘层采用交联聚烯烃材料，保证电缆的各项电气性能；外绝缘层采用交联聚烯烃材料，保证电缆的各项物理机械性能。其制备方法包括中拉、小拉、退镀、束丝或绞线、绝缘、辐照、绕包、护套、辐照共9个工序，其中绝缘工序为关键工序，控制点包括材料预热、滤网选择、模具配比和冷却水温度确定四个方面。本发明通过改善双层挤出工艺，使内绝缘层和外绝缘层紧密的结合在一起，实现了双层绝缘系统轨道交通车辆电缆的设计明显提升电缆长期运行的安全性、可靠性，满足了国家远距离高速/重载运行列车连续跨区域运行的发展战略要求。

Description

新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆及其制备方法

技术领域

    本发明属于电缆制造技术领域，具体涉及一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆及其制备方法。

背景技术

当前我国轨道交通业正处于蓬勃发展的时代，铁路运输掀起了高速化、重载化的新高潮，城市轨道交通也得到了极大的发展。在这种大好形势下，为响应国家高铁走出去的发展战略，中国南车、中国北车集团已经合并，我国的轨道交通车辆行驶区域将从整个中国扩展到整个世界。轨道交通车辆在行驶过程中，不得不循环经历着各种高原、丘陵、平原以及盆地等复杂交错的地形以及高低温、冰冻、雨雪等恶劣环境，自然对轨道交通车辆电缆提出了更高的要求。尤其轨道车辆用电缆型式检验过程中模拟的试验环境与轨道车辆真实的运行环境有一定差距，所以电缆各项性能指标留有足够的余量是必要的。

现有使用量最大的额定电压3.6/6kV及以下具有特殊防火性能的轨道交通车辆电缆是依据EN 50264《具有特殊防火性能的轨道交通车辆用动力、控制电缆》标准进行生产的，生产工艺一般都是导体外挤包单层低烟无卤阻燃交联聚烯烃(XLPO)材料，根据现有成熟技术，在同一款材料中单一性能如耐低温、耐油、低烟、无卤、阻燃等要求是可以满足的，但是各性能却存在一个此消彼长的关系，因此确定绝缘材料各性能的平衡点，开发出各项性能优异，且能够稳定批量生产的材料难度极大。并且成品电缆通过DC稳定性试验验证，4mm²及以下规格电缆通过率低，导致电缆在潮湿工作环境下的长期运行过程中，极易造成绝缘电阻降低，容易引发事故，目前已经有用户反映过此类问题。

传统的双层结构绝缘生产工艺采用内层绝缘、外层绝分别依次挤出完成，使用的塑料挤出机组是在现有绝缘挤出机前加另外装一台型挤出机用做内绝缘层的挤出，两机头间的距离为1.5米左右，其间安装一台风冷装置，使内绝缘能能得到及时和有效的冷却。若不在两个机头间进行冷却固化，则在外绝缘挤出时，内绝缘极容易造成机械损伤，因此内外绝缘间的温差不可避免。在电缆外绝缘挤出后，内、外绝缘冷却收缩不一致，导致内、外绝缘间存有应力使电缆内、外绝缘分层，无法起到与单层绝缘相同的效果，严重影响电缆的电气性能、物理机械性能和安全性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，将单层绝缘材料各批次间的性能差异导致电缆性能的波动程度降到最低，并同时提高各项性能指标的余量，提供一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆及其制备方法。在双层绝缘结构中，内层绝缘采用20℃体积电阻率不小于10¹⁴Ω˙cm的交联聚烯烃材料，保证电缆20℃和90℃时的绝缘电阻、DC稳定性、表面漏电流等电气性能要求；外层绝缘系统采用耐IRM902^#矿物油、耐IRM903^#燃料油、耐酸碱、耐臭氧的交联聚烯烃材料，保证电缆的各项物理机械性能。并且二者同时满足低烟无卤低毒要求，保证电缆的防火性能要求。由于内层绝缘系统以电气性能为主，外层绝缘系统以物理机械性能为主，因此各层绝缘系统在减少性能项点后，将此消彼长的性能关联性降到最低，同时各项性能指标余量增大，进而保证了每批电缆性能的稳定性和一致性。

技术方案：本发明所述的一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆，所述电缆包括导体层，所述导体层外设有两层绝缘层，所述绝缘层分别为内绝缘层和外绝缘层，所述导体层与所述内绝缘层之间还设有内包带，所述内包带的覆盖率不小于20％，所述外绝缘层外设有外包带和护套，所述导体层采用镀锡导体，且采用外径不小于0.1mm的单丝按照相邻层绞向相反的方式进行绞合，各层导体单丝根数按照（n-1）*6的方式进行设计，其中n≥2，为绞合层数。

作为优化，所述内绝缘层采用20℃体积电阻率不小于10¹⁴Ω˙cm的交联聚烯烃材料，保证电缆20℃和90℃时的绝缘电阻、DC稳定性、表面漏电流等电气性能要求；外绝缘层采用耐IRM902^#矿物油、耐IRM903^#燃料油、耐酸碱、耐臭氧的交联聚烯烃材料，保证电缆的各项物理机械性能；内绝缘层、外绝缘层同时具有PH≥4.3、电导率≤10μs/mm、HCL及HBr含量≤0.5%、HF含量≤0.1%、毒性指数≤3等低烟无卤低毒的特点。

本发明还公开了一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆的制备方法，包括中拉、小拉、退镀、束丝或绞线、绝缘、辐照、绕包、护套、辐照共9个工序，其中绝缘工序为关键工序，控制点包括材料预热、滤网选择、模具配比和冷却水温度确定四个方面：

材料预热：为保证在螺杆熔融段区间内，材料充分的熔融，要求在螺杆加料段的材料具有50℃~70℃的初始温度，同时要求温度保持在材料熔点以下，以保证材料能够稳定的向前推进；

滤网选择：在机头与螺杆连接法兰处的蜂窝板上，添加一层80目的钢制滤网，滤网与螺杆同侧，并应完全包裹于蜂窝板上，以增加螺杆均化段熔融材料的压力，强化螺杆的回流作用，避免在挤塑生产过程中，升、降速度引起螺杆出胶量不稳而导致电缆外径不稳现象的发生；

模具配比：在同一个机头内完成双层共挤，模具依次包括内模、中模和外模，且D1=d+0.18mm；D2=d+2r+0.2mm；D3=D-0.1mm，其中D=电缆外径， D1=内模内孔尺寸，D2=中模内孔尺寸，D3=外模内孔尺寸，d=导体外径，r=内层绝缘壁厚=1/2×单层绝缘厚度；为保证电缆外径均匀，机头内压力稳定，要求内模、中模和外模的承径区长度依次为L1=7~8mm、L2=1.5~2mm、L3=1.5~2mm；

冷却水温度确定：电缆经过外模定型后，为保证电缆绝缘层在冷却过程中热量均匀散发，双层结合处无应力存留以及无绝缘骤冷开裂现象，冷却过程采用长度不小于30米，温度逐级递减的水冷系统，要求第一节水槽温度不低于80℃，各节水槽以15℃递减至室温。

有益效果：本发明通过改善双层挤出工艺，使内绝缘层和外绝缘层紧密的结合在一起，实现了双层绝缘系统轨道交通车辆电缆的设计，可满足额定电压3.6/6kV及以下的使用范围，以EN 50264-3-1 600V 1.5 M电缆为例，双层绝缘系统可显著提高电缆各项指标余量，并且各批次材料性能稳定，明显提升电缆长期运行的安全性、可靠性，满足了国家远距离高速/重载运行列车连续跨区域运行的发展战略要求。

附图说明

图1为本发明的电缆结构示意图。

图2为本发明的电路制备流程示意图。

图3为本发明的挤塑工序流程示意图。

图4为本发明的挤出模具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本专利技术方案进行详细阐述：

图1为一种新型的双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆。电传输部分由导体层1组成。其中，为了提高导体抗氧化，耐腐蚀性能，采用镀锡工艺进行生产；为了保证导体圆整，各层导体单丝根数按照（n-1）*6的方式进行设计，其中n≥2，为绞合层数；为了保证导体绞合紧实，采用外径不小于0.1mm的单丝按照相邻层绞向相反的绞合方式，并且在规格为16mm²及以上的导体外绕包一层内包带2扎紧，当电缆电压为3.6/6kV时，为同时能够起到均化电场的作用，导体外的内包带2应采用半导电材质；为了防止导体在弯曲时，出现包带褶皱或漏包的现象，要求包带搭盖率不小于20%。

由于轨道交通车辆运行环境恶劣，为保证绝缘性能的稳定性和各性能较高的余量，采用双层绝缘系统，双层绝缘系统由内绝缘层3和外绝缘层4组成。其中内绝缘层3采用20℃体积电阻率不小于10¹⁴Ω˙cm的交联聚烯烃材料，保证电缆20℃和90℃时的绝缘电阻、DC稳定性、表面漏电流等电气性能要求；外绝缘层4采用耐IRM902^#矿物油、耐IRM903^#燃料油、耐酸碱、耐臭氧的交联聚烯烃材料，保证电缆的各项物理机械性能。内绝缘、外绝缘同时具有PH≥4.3、电导率≤10μs/mm、HCL及HBr含量≤0.5%、HF含量≤0.1%、毒性指数≤3等低烟无卤低毒的特点，保证了电缆的防火性能要求。同时对外绝缘材料提出20℃体积电阻率不小于10¹²Ω˙cm的要求，在内层绝缘挤出不完整时，外层绝缘可以立刻进行补偿，保证电缆的绝缘性能。

额定电压1.8/3kV和3.6/6kV电缆需包括外包带5和护套6结构，外包带5起到隔离外绝缘层4和护套层6的作用，使电缆护套容易剥离，便于电缆敷设。在外包带5外挤出一层电缆的塑料护套6，这种塑料保护套可以是阻燃或非阻燃的材料，并具有良好的抗外部腐蚀及老化的性能。

图2为一种新型的双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆工艺流程图。

一种新型的双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆生产工艺包括：中拉、小拉、退镀、束丝/绞线、绝缘、辐照、绕包、护套、辐照共9个工序。其中绝缘工序为关键工序主要控制点为材料预热、滤网选择、模具配比和冷却水温度确定。

材料预热：为保证在螺杆熔融段区间内，材料充分的熔融，要求在螺杆加料段的材料具有50℃~70℃的初始温度，同时要求温度保持在材料熔点以下，以保证材料能够稳定的向前推进。

滤网选择：在机头与螺杆连接法兰处的蜂窝板上，添加一层80目的钢制滤网，滤网与螺杆同侧，并应完全包裹于蜂窝板上，以增加螺杆均化段熔融材料的压力，强化螺杆的回流作用，避免在挤塑生产过程中，升、降速度引起螺杆出胶量不稳而导致电缆外径不稳现象的发生。

模具配比：在同一个机头内完成双层共挤，挤塑流程如图3所示。挤塑机组主要包括放线装置7、张力轮8、Φ50挤出机9、Φ70挤出机10、双层共挤机头11、Φ50控制柜12、Φ70控制柜13、第一冷却水槽14、印字机15、第二冷却水槽16、牵引装置17、储线架18、火花机19、计米器20以及收线装置21组成。对模具配比提出了更高的要求，如图4所示，由左至右依次为内模22、中模23和外模24。假设D=电缆外径，D1=内模内孔尺寸；D2=中模内孔尺寸；D3=外模内孔尺寸；d=导体外径；r=内层绝缘壁厚=1/2×单层绝缘厚度，要求D1=d+0.18mm；D2=d+2r+0.2mm；D3=D-0.1mm 。为保证电缆外径均匀，机头内压力稳定，要求内模22承径区长度L1=7～8mm、中模23承径区长度L2=1.5～2mm、外模24承径区长度L3=1.5～2mm。

冷却水温度确定：电缆经过外模定型后，为保证电缆绝缘层在冷却过程中热量均匀散发，双层结合处无应力存留以及无绝缘骤冷开裂现象，冷却过程采用长度不小于30米，温度逐级递减的水冷系统，要求第一节水槽温度不低于80℃，各节水槽以15℃递减至室温。

该电缆通过改善双层挤出工艺，使内绝缘层和外绝缘层紧密的结合在一起，实现了双层绝缘系统轨道交通车辆电缆的设计，可满足额定电压3.6/6kV及以下的使用范围，以EN 50264-3-1 600V 1.5 M电缆为例，双层绝缘系统可显著提高电缆各项指标余量（表1），并且各批次材料性能稳定，明显提升电缆长期运行的安全性、可靠性，满足了国家远距离高速/重载运行列车连续跨区域运行的发展战略要求。

表1 电缆各项指标余量

电缆采用双层绝缘后，由于材料研发难度降低，材料价格明显下降，电缆制造成本降低15.7%(表2) 。

表2电缆制造成对比表

Claims (3)

1.一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆，其特征在于：所述电缆包括导体层，所述导体层外设有两层绝缘层，所述绝缘层分别为内绝缘层和外绝缘层，所述导体层与所述内绝缘层之间还设有内包带，所述内包带的覆盖率不小于20％，所述外绝缘层外设有外包带和护套，所述导体层采用镀锡导体，且采用外径不小于0.1mm的单丝按照相邻层绞向相反的方式进行绞合，各层导体单丝根数按照（n-1）*6的方式进行设计，其中n≥2，为绞合层数。

2.根据权利要求1所述的一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆，其特征在于：所述内绝缘层采用20℃体积电阻率不小于10¹⁴Ω˙cm的交联聚烯烃材料，保证电缆20℃和90℃时的绝缘电阻、DC稳定性、表面漏电流等电气性能要求；外绝缘层采用耐IRM902^#矿物油、耐IRM903^#燃料油、耐酸碱、耐臭氧的交联聚烯烃材料，保证电缆的各项物理机械性能；内绝缘层、外绝缘层同时具有PH≥4.3、电导率≤10μs/mm、HCL及HBr含量≤0.5%、HF含量≤0.1%、毒性指数≤3等低烟无卤低毒的特性。

3.根据权利要求1所述的一种新型双层绝缘系统轨道交通车辆用电缆的制备方法，其特征在于：包括中拉、小拉、退镀、束丝或绞线、绝缘、辐照、绕包、护套、辐照共9个工序，其中绝缘工序为关键工序，控制点包括材料预热、滤网选择、模具配比和冷却水温度确定四个方面：

材料预热：为保证在螺杆熔融段区间内，材料充分的熔融，要求在螺杆加料段的材料具有50℃~70℃的初始温度，同时要求温度保持在材料熔点以下，以保证材料能够稳定的向前推进；

滤网选择：在机头与螺杆连接法兰处的蜂窝板上，添加一层80目的钢制滤网，滤网与螺杆同侧，并应完全包裹于蜂窝板上，以增加螺杆均化段熔融材料的压力，强化螺杆的回流作用，避免在挤塑生产过程中，升、降速度引起螺杆出胶量不稳而导致电缆外径不稳现象的发生；

模具配比：在同一个机头内完成双层共挤，模具依次包括内模、中模和外模，且D1=d+0.18mm；D2=d+2r+0.2mm；D3=D-0.1mm，其中D=电缆外径， D1=内模内孔尺寸，D2=中模内孔尺寸，D3=外模内孔尺寸，d=导体外径，r=内层绝缘壁厚=1/2×单层绝缘厚度；为保证电缆外径均匀，机头内压力稳定，要求内模、中模和外模的承径区长度依次为L1=7~8mm、L2=1.5~2mm、L3=1.5~2mm；

冷却水温度确定：电缆经过外模定型后，为保证电缆绝缘层在冷却过程中热量均匀散发，双层结合处无应力存留以及无绝缘骤冷开裂现象，冷却过程采用长度不小于30米，温度逐级递减的水冷系统，要求第一节水槽温度不低于80℃，各节水槽以15℃递减至室温。