CN110570984B - 一种高抗压电力线缆及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高抗压电力线缆，包括由内至外依次套设的电缆芯、绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套，其中，抗压过渡层包括环形过渡套管以及环形阵列设于环形过渡套管与绝缘层间的弧形支撑件，弧形支撑件外弧面与绝缘层外圆侧面相切，弧形支撑件内弧面与环形过渡套管内壁间形成的空腔内填充有抗压缓冲材料；防护抗压套采用含抗压增强骨架的塑料合金，本发明通过对线缆结构和材料双重改进优化，大大提高了线缆的力学性能，抗压强韧性显著提高，同时具有优异的缓冲绝缘性，线缆有效使用寿命延长了2倍以上。

Description

一种高抗压电力线缆及其制备与应用
技术领域
本发明涉及电力线缆技术领域，具体涉及一种高抗压电力线缆及其制备与应用。
背景技术
电线电缆行业是我国经济建设重要的配套产业，广泛应用于国民经济各个领域。电线电缆是输送电能、传递信息和制造各种电机、电器、仪表、汽车、机床等设备所不可缺少的基础器材。随着中国经济的快速增长以及工业化、城镇化进程的进一步加快，我国电线电缆行业快速发展在机械工业的细分行业中，电线电缆制造业产值规模占电工电器行业四分之一，是机械工业中仅次于汽车行业的第二大产业，在国民经济中占据重要地位。近年来，我国经济持续快速发展城市化进程的推进，大型电站、西电东送、电网改造等重大工程的建设都预示着电线电缆行业具有较长的景气周期。
传统的电线电缆是铜丝经过外层电缆皮包覆制成，为了保证用电的安全性，电缆的绝缘防火是非常重要的性能指标。如公告号为CN2904218Y的中国专利公开了一种防火电缆，其包括铜芯内导体、绝缘层、护套管，在铜芯内导体外的绝缘层是陶瓷氧化镁绝缘层，并且在绝缘层外设置不锈钢护套管，通过套管和绝缘层，达到防火的目的。
这种外设防护套是当下大多电缆防护采用的手段，但电缆在套设防护套后材质会变硬，影响成品电缆的铺设。反之，若不采用刚性的防护套，电缆无论是在施工还是再后续的使用过程中，经常会被踩踏或者是挤压，这样轻则会导致其被踩扁或者是压扁，重则可能导致里面的线芯被弄断，这样就会让该电路无法正常的工作。因此，设计一种具有优异抗压性的电缆非常必要。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种高抗压电力线缆及其制备与应用，通过对线缆结构和材料双重改进优化，大大提高了线缆的力学性能，抗压强韧性显著提高，同时具有优异的缓冲绝缘性，线缆有效使用寿命延长了2倍以上。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种高抗压电力线缆，包括由内至外依次套设的电缆芯、绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套，其中，
抗压过渡层包括环形过渡套管以及环形阵列设于环形过渡套管与绝缘层间的弧形支撑件，弧形支撑件外弧面与绝缘层外圆侧面相切，弧形支撑件内弧面与环形过渡套管内壁间形成的空腔内填充有抗压缓冲材料；防护抗压套采用含抗压增强骨架的塑料合金。
作为本发明的进一步优化，以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的1.5-3%、7-15%、0.5-2%、10-20%。
作为本发明的进一步优化，电缆芯采用铜合金电缆或铝合金电缆；绝缘层采用高孔隙改性矿石填料掺杂的氟硅橡胶；屏蔽层采用表面金属镀化的石墨纤维。
作为本发明的进一步优化，环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的13-17wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.5-0.7。
作为本发明的进一步优化，抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:0.5-1。
作为本发明的进一步优化，弧形支撑件包括环形阵列设置的大弧形板以及小弧形板，大弧形板、小弧形板交替间隔设置，大弧形板弧面端与绝缘层相切，且其两端沿与环形过渡套管内壁固连，小弧形板弧面端与绝缘层相切，且其两端沿与大弧形板外弧面固连，该弧形支撑件也采用含抗压增强骨架的塑料合金。
作为本发明的进一步优化，含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的6-9%。
作为本发明的进一步优化，纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化硅或纳米二氧化镁的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的8-10wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为25-40wt%。
上述的高抗压电力线缆，制备方法如下：
1）取合金电缆芯杆料，依次经粗拉、细拉得合金单丝，然后将合金单丝进行退火处理，完成后进行并丝铰制得合金电缆芯，并丝操作为2-4根单丝；
2）取绝缘层材料，预合金电缆芯外层挤出绝缘层并硫化，干燥去气得电缆线预备体；
3）取抗压过渡层材料以电缆线预备体为轴线卷制包覆，得电缆线中间体；
4）取屏蔽层材料绕包屏蔽层，最后包覆防护抗压套，即可。
由上述制备方法制得的高抗压电力线缆应用于填埋深度1.0-1.5m。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：通过对线缆结构和材料双重改进优化，大大提高了线缆的力学性能，抗压强韧性显著提高，同时具有优异的缓冲绝缘性，线缆有效使用寿命延长了2倍以上。
本发明在线缆绝缘层与屏蔽层间设置了抗压过渡层，通过拱形板作为受力支撑架，有效提高了承压性，且拱形板分为大小两个弧形，受力分散性好，均匀稳定性强，另外，拱形板形成的内腔内填充有抗压缓冲材料，提供良好的缓冲、绝缘、耐热性，其中的陶瓷微粉粒径较小，分散填充与碎木屑内，与碎木屑易静电传导配合，有效提高了对内层电缆芯电流溢漏的防护性，安全防护性好。
作为电力线缆主要的防护受力部分，弧形支撑件与防护抗压套内均内嵌抗压增强骨架，进一步提高抗压强度，该骨架以塑料合金为基体，掺杂强化填料，协同作用，强硬度与柔韧性均有显著改善，且塑料合金基体有利于层间的熔融结合，电缆层间抗剥离性好，其网络交联的缠绕结构不仅对结构稳定度具有优异的促进效果，同时对层间界面活性基团或游离离子的连接、传导也具有优异的促进作用，大大提高了结构性能的稳定性，效能周期显著延长。
本发明改进制得的电力线缆在物化性能上均有所改善，相较于现有电力线缆，抗拉强度、绝缘性、强韧性以及有效使用寿命具有明显的提高，应用推广性好，综合实用性强。
附图说明
图1为本发明电力线缆示意图；
图2为本发明制备工艺流程图；
图中：1电缆芯、2绝缘层、3抗压过渡层、31环形过渡套管、32弧形支撑件、321大弧形板、322小弧形板、33抗压缓冲材料、4屏蔽层、5防护抗压套。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高抗压电力线缆，包括由内至外依次套设的电缆芯1、绝缘层2、抗压过渡层3、屏蔽层4、防护抗压套5，其中，
抗压过渡层3包括环形过渡套管31以及环形阵列设于环形过渡套管31与绝缘层2间的弧形支撑件32，弧形支撑件32外弧面与绝缘层2外圆侧面相切，弧形支撑件32内弧面与环形过渡套管31内壁间形成的空腔内填充有抗压缓冲材料33；防护抗压套5采用含抗压增强骨架的塑料合金。
弧形支撑件32包括环形阵列设置的大弧形板321以及小弧形板322，大弧形板321、小弧形板322交替间隔设置，大弧形板321弧面端与绝缘层2相切，且其两端沿与环形过渡套管31内壁固连，小弧形板322弧面端与绝缘层2相切，且其两端沿与大弧形板321外弧面固连，该弧形支撑件32也采用含抗压增强骨架的塑料合金。
实施例2：
基于实施例1提出的电力线缆改进结构，其选用的结构材料如下：
电缆芯采用铜合金电缆或铝合金电缆；绝缘层采用高孔隙改性矿石填料掺杂的氟硅橡胶；抗压过渡层中，弧形支撑件采用含抗压增强骨架的塑料合金，环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料；屏蔽层采用表面金属镀化的石墨纤维；防护抗压套采用含抗压增强骨架的塑料合金。
且以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的1.5-3%、7-15%、0.5-2%、10-20%。
实施例3：
基于实施例2提出的功能材料，具体的组分组成如下：
绝缘层中高孔隙改性矿石填料选取纤维状、层状的矿石组合物，如膨润土、沸石、海泡石、玄武岩等，其比表面积要求大于150m2/g，掺杂量为氟硅橡胶的7-12wt%。
含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的6-9%；纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化硅或纳米二氧化镁的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的8-10wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为25-40wt%。
环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的13-17wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.5-0.7。
抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:0.5-1。
屏蔽层中石墨纤维表面镀镍或镀铜或镀铜镍合金。
实施例4：
基于实施例1-3提出的电力线缆结构和配方组成，给出了一种电力线缆制备方法，工艺步骤如下：
1）取合金电缆芯杆料，依次经粗拉、细拉得合金单丝，然后将合金单丝进行退火处理，完成后进行并丝铰制得合金电缆芯，并丝操作为2-4根单丝；
2）取绝缘层材料，预合金电缆芯外层挤出绝缘层并硫化，干燥去气得电缆线预备体；
3）取抗压过渡层材料以电缆线预备体为轴线卷制包覆，得电缆线中间体；
4）取屏蔽层材料绕包屏蔽层，最后包覆防护抗压套，即可。
实施例5：
基于实施例3提出的组分配方，现做出具体配比选取，并采用实施例4制备方法进行制备，制得高抗压性电力线缆，实施例参数如下：
以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的2%、12%、1%、15%。
绝缘层中高孔隙改性矿石填料选取纤维状、层状的矿石组合物，如膨润土、沸石、海泡石、玄武岩等，其比表面积要求大于150m2/g，掺杂量为氟硅橡胶的10wt%。
含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的7.6%；纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化硅的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的9.2wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为36wt%。
环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的16.4wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.6。
抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:1。
屏蔽层中石墨纤维表面镀铜镍合金。
制备方法同实施例4，其中单根合金电缆芯采用3根单丝合并制得。
实施例6：
基于实施例3提出的组分配方，现做出具体配比选取，并采用实施例4制备方法进行制备，制得高抗压性电力线缆，实施例参数如下：
以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的3%、12%、1.5%、20%。
绝缘层中高孔隙改性矿石填料选取纤维状、层状的矿石组合物，如膨润土、沸石、海泡石、玄武岩等，其比表面积要求大于150m2/g，掺杂量为氟硅橡胶的11.5wt%。
含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的9%；纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化硅的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的10wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为25wt%。
环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的15wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.5。
抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:1。
屏蔽层中石墨纤维表面镀铜镍合金。
制备方法同实施例4，其中单根合金电缆芯采用3根单丝合并制得。
实施例7：
基于实施例3提出的组分配方，现做出具体配比选取，并采用实施例4制备方法进行制备，制得高抗压性电力线缆，实施例参数如下：
以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的1.5%、15%、1%、15%。
绝缘层中高孔隙改性矿石填料选取纤维状、层状的矿石组合物，如膨润土、沸石、海泡石、玄武岩等，其比表面积要求大于150m2/g，掺杂量为氟硅橡胶的12wt%。
含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的6%；纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化镁的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的9.5wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为30wt%。
环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的16.2wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.5。
抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:0.5。
屏蔽层中石墨纤维表面镀镍。
制备方法同实施例4，其中单根合金电缆芯采用3根单丝合并制得。
实施例8：
基于实施例3提出的组分配方，现做出具体配比选取，并采用实施例4制备方法进行制备，制得高抗压性电力线缆，实施例参数如下：
以电缆芯直径厚度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量基础的2%、7%、1%、20%。
绝缘层中高孔隙改性矿石填料选取纤维状、层状的矿石组合物，如膨润土、沸石、海泡石、玄武岩等，其比表面积要求大于150m2/g，掺杂量为氟硅橡胶的7wt%。
含抗压增强骨架的塑料合金以含氟PE为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的8%；纳米氧化物为纳米二氧化钛与纳米二氧化硅或纳米二氧化镁的组合物，其中纳米二氧化钛含量不低于60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的8wt%；复合纤维中，碳纤含量占比为40wt%。
环形过渡套管采用含改性硅油包覆玻纤的HDPE/PET复合材料，其中改性硅油为含环氧基和乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占HDPE/PET复合材料总质量的17wt%,复合材料中HDPE、PET质量比为1:0.7。
抗压缓冲填料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于3μm，碎木屑粒径小于10μm，两者质量比为1:0.5。
屏蔽层中石墨纤维表面镀镍。
制备方法同实施例4，其中单根合金电缆芯采用3根单丝合并制得。
对比例1：
基于实施例5的结构、配方与工艺，取消抗压过渡层，其他参数条件不变，制得对照组电力电缆。
对比例2：
基于实施例5的结构、配方与工艺，取消抗压过渡层中填充的抗压缓冲材料，其他参数条件不变，制得对照组电力电缆。
对比例3：
基于实施例5的结构、配方与工艺，取消塑料合金的中抗压增强骨架，其他参数条件不变，制得对照组电力电缆。
将本发明实施例5-8以及对比例1-3制得的电力线缆进行性能测试，数据如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中落锤试验条件为室温（20±2℃）、2m高度、2kg重锤，至出现损伤。
本发明通过对线缆结构和材料双重改进优化，大大提高了线缆的力学性能，抗压强韧性显著提高，同时具有优异的缓冲绝缘性，线缆有效使用寿命延长了2倍以上，适用于填埋深度1.0-1.5m的电力线缆施工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高抗压电力线缆，其特征在于：包括由内至外依次套设的电缆芯、 绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套，其中， 抗压过渡层包括环形过渡套管以及环形阵列设于环形过渡套管与绝缘层间 的弧形支撑件，弧形支撑件外弧面与绝缘层外圆侧面相切，弧形支撑件内弧面与 环形过渡套管内壁间形成的空腔内填充有抗压缓冲材料；防护抗压套采用含抗压 增强骨架的塑料合金。
2. 所述弧形支撑件包括环形阵列设置的大弧形板以及小弧形板，大弧形板、小 弧形板交替间隔设置，大弧形板弧面端与绝缘层相切，且其两端沿与环形过渡套 管内壁固连，小弧形板弧面端与绝缘层相切，且其两端沿与大弧形板外弧面固连， 该弧形支撑件也采用含抗压增强骨架的塑料合金。
3.根据权利要求 1 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：以电缆芯直径厚 度为计量基础，绝缘层、抗压过渡层、屏蔽层、防护抗压套厚度占比分别为计量 基础的 1.5-3%、7-15%、0.5-2%、10-20%。
4.根据权利要求 1 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：所述电缆芯采用 铜合金电缆或铝合金电缆；绝缘层采用高孔隙改性矿石填料掺杂的氟硅橡胶；屏 蔽层采用表面金属镀化的石墨纤维。
5.根据权利要求 1 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：所述环形过渡套 管采用含改性硅油包覆玻纤的 HDPE/PET 复合材料，其中改性硅油为含环氧基和 乙烯基共改性的硅油，改性硅油包覆玻纤添加量占 HDPE/PET 复合材料总质量的 13-17wt%,复合材料中HDPE、PET 质量比为 1:0.5-0.7。
6.根据权利要求 1 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：所述抗压缓冲填 料为陶瓷微粉、碎木屑的组合物，陶瓷微粉粒径小于 3μm，碎木屑粒径小于 10 μm，两者质量比为 1:0.5-1。
7.根据权利要求 1 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：所述含抗压增强 骨架的塑料合金以含氟 PE 为塑料合金基体、以纳米氧化物掺杂的碳纤/玻纤复合 纤维为增强骨架制成，增强骨架含量占合金基体质量的 6-9%。
8.根据权利要求 6 所述的高抗压电力线缆，其特征在于：纳米氧化物为纳 米二氧化钛与纳米二氧化硅或纳米二氧化镁的组合物，其中纳米二氧化钛含量不 低于 60wt%，纳米氧化物掺杂量为碳纤/玻纤复合纤维质量的 8-10wt%；复合纤维 权利要求书 中，碳纤含量占比为 25-40wt%。
9.根据权利要求 7 所述的高抗压电力线缆，其特征在于，制备方法如下： 1）取合金电缆芯杆料，依次经粗拉、细拉得合金单丝，然后将合金单丝进 行退火处理，完成后进行并丝铰制得合金电缆芯，并丝操作为 2-4 根单丝； 2）取绝缘层材料，预合金电缆芯外层挤出绝缘层并硫化，干燥去气得电缆 线预备体； 3）取抗压过渡层材料以电缆线预备体为轴线卷制包覆，得电缆线中间体； 4）取屏蔽层材料绕包屏蔽层，最后包覆防护抗压套，即可。
10.一种由权利要求 8所述的高抗压电力线缆应用于填埋深度 1.0-1.5m。
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