CN117577387A - 一种高原用轻质光电复合系留缆及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高原用轻质光电复合系留缆及生产方法，包括内芯层、非金属纤维增强层和外护层。内芯层具备电力线、松套管光单元、电荷泄放线和绞合体限制层。电力线、松套管光单元和接地线相互绞合形成绞合体，绞合体外绕设纱线层，纱线层外绕包若干层包带形成绞合体限制层。非金属纤维增强层绞合设置在绞合体限制层外侧。本发明降低了系留缆的重量和外径，实现了同等强度安全余量下浮空气球挂载更多任务载荷或者升至更大高度，避免了电线在高原低气压环境以及高电压状态下工作时绝缘层耐电压能力的下降，确保了系留缆在高原低温环境中以大载荷卷绕使用时光纤的信号传输稳定性，达到了系留缆外护套在高原低温和强太阳辐射环境下的稳定可靠的效果。

Description

一种高原用轻质光电复合系留缆及生产方法
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，特别涉及一种高原用轻质光电复合系留缆及生产方法。
背景技术
系留气球系统是一种特殊的浮空器，近年来在军事和民用领域有广泛的应用空间。通过安装不同电子设备可用于警戒、气象预报、地形测绘、环境监测、应急通信等。系留气球系统作为一种重要的预警探测手段，具有飞机和卫星等平台所不具备的优点，主要表现为滞空时间长、覆盖面积大、能源消耗低、便于拆收、机动性强、高效低费等。系留气球浮空器一般由地面锚泊设施、地面控制系统、系留缆、浮空器、球载设备五大部分组成，其中系留缆是气球浮空器与地面设施之间的联系纽带，是系统关键部件。
目前常见的浮空气球用系留缆基本结构包括电力电线、光单元、内护层、纤维增强层、中护层、泄雷层和外护套。高原环境与低海拔环境存在较大的区别，其中高原环境具有低气压、太阳辐射强度高、常年低温、昼夜温差大等特点。这些环境因素对系留缆会造成与低海拔环境不一样的影响，常用的系留缆未开展高原适应性设计，因此只适合于在较低的海拔高度使用，并不适用于高原环境，具体表现在以下几个方面：
其一，低气压状态下浮空气球的升力将大为下降，因此对系留缆的重量提出了更为严苛的要求。普通系留缆并未开展足够的减重设计，因其自身重量过大，严重影响了浮空气球在高原低气压环境下的升空高度。
其二，浮空气球用系留缆中的电力电线通常工作在高电压状态下，低气压环境会导致电线耐压能力下降。其主要原因是普通系留缆所用电线结构为铜导体外直接挤制绝缘层，由于铜导体是绞合结构，其与绝缘层之间通常存在一定的气隙，该气隙的存在会导致低气压高电场状态下电子自由行程的增加，从而使得电子获得更高的能量，并与其它粒子发生碰撞，产生大量新的电子，因此低气压高电场下电线内部的气隙将更易引发局部放电现象，并使得绝缘材料产生电树进而导致绝缘及耐压能力的下降。因此普通系留缆中的电线并不适合在高原低气压环境下长期使用，并严重影响系统的安全运行。
其三,高原低温环境对普通浮空气球用系留缆光单元和外护套材料造成一定影响。系留缆光单元通常采用松套管结构，这种结构可以使得光纤在松套管内呈自由状态，因此有效保证了系留缆在承受大载荷、侧压等状态下的光性能的稳定性。松套管光单元通常采用光纤油膏进行填充，普通系留缆的松套管光单元通常采用通用的光纤油膏，但是这种油膏的使用温度一般不能低于-40℃，而在高原及高空环境下，通常可以达到更低的温度，在这种低温环境下普通光纤油膏的锥入度通常较小，在系留缆大载荷状态下反复卷绕弯曲以及承受大张力而产生伸长时，光纤油膏锥入度不足将会导致光纤产生应力进而导致光纤损耗的增加。另外，高原低温环境通常会使得系留缆外护套更硬，当系留缆在大载荷状态下反复卷绕使用时，易产生开裂现象。事实上不同厂家外护套材料的耐低温卷绕开裂性能有较大的差异，普通浮空气球用系留缆在选用外护套时，通常未针对高原低温环境开展护套材料的低温卷绕筛选试验，因此存在较大的开裂隐患。
其四,高原太阳辐射环境对浮空气球用系留缆的外护套材料有加剧老化的影响。系留缆外护套一般选取含有炭黑的黑色护套材料，主要目的也是为了防止太阳辐射引起的护套老化。高原的太阳辐射强度比低海拔地区要高的多，而受多种因素的影响，如炭黑含量、炭黑粒径、分散度等，不同厂家护套材料的耐太阳辐射性能有较大的差异，因此应用于高原环境的系留缆外护套材料需开展相应的太阳辐射选型试验，而目前普通系留缆在外护套选型上并未针对高原环境开展耐太阳辐射试验，无法保证长期使用的可靠性。
发明内容
为解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种高原用轻质光电复合系留缆及生产方法。
本发明采用如下的技术方案：一种高原用轻质光电复合系留缆，包括内芯层、非金属纤维增强层和外护层；
内芯层具备：
若干根电力线、松套管光单元、电荷泄放线和绞合体限制层；
若干根所述电力线、松套管光单元和地线相互绞合形成绞合体；
所述绞合体外绕设纱线层；
所述纱线层外绕包带形成绞合体限制层；
所述非金属纤维增强层绞合设置在绞合体限制层外侧；
所述外护层具备：
紧密套设在所述非金属纤维增强层外侧的纤维编织层；
挤塑在所述纤维编织层外侧的外护套。
进一步地，所述电力线包括电线铜导体；电线铜导体外侧依次紧密套设半导电层和绝缘层。
进一步地，所述松套管光单元包括光纤；所述光纤外侧套设PBT套管；且在二者之间填充有耐低温光纤油膏。
进一步地，电荷泄放线包括为电荷泄放线铜导体和套设在地线铜导体外侧的绝缘层。
进一步地，所述耐低温光纤油膏在-50℃时锥入度不小于200dmm。
进一步地，所述绞合体限制层包括聚酯纱和无纺布包带。
进一步地，本发明还提供了一种用于上述高原用轻质光电复合系留缆的生产方法，包括以下步骤：
电力线挤制工序：在电线铜导体外通过双层共挤工艺挤制半导电层和绝缘层形成电力线；
电荷泄放线挤制工序：在电荷泄放线铜导体外通过挤塑工艺挤制绝缘层形成电荷泄放线；
松套管光单元挤制工序：在光纤外通过PBT套管挤制工艺挤制成松套管光单元，同时在松套管光单元内填充耐低温光纤油膏；
缆芯绞合工序：通过单向绞合工艺按照10～15倍节径比把电力线、松套管光单元和电荷泄放线绞合在一起，绞合过程中对已绞合成型的绞合体先扎纱再绕包一层包带形成绞合体限制层；
纤维绞合工序：在包带外使用主动放线的恒张力纤维绞合设备，按照扭矩平衡的方式绞合偶数层的纤维，通过绞合节距的设置确保各层纤维的绞合角保持统一形成非金属纤维增强层，绞合过程中在每层纤维之间绕包带；
编织工序：在非金属纤维增强层外使用编织工艺编织一层纤维编织层；
外护套挤制工序：在纤维编织层的外面使用挤压式挤出工艺挤塑外护套。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明设计的高原用轻质光电复合系留缆，通过以下三种设计极大减轻了系留缆的重量：一是采用在光电单元绞合体缝隙中增设电荷泄放线取代普通的系留缆中的编织泄雷层，电荷泄放线自身重量比泄雷层更轻，同时这种设计减小了整缆的外径，二是设计了纤维编织层，取消了挤塑型中护层，纤维编织层比中护层更轻，这种设计同样减小了整缆的外径，三是在光电单元绞合体外设计了绞合体限制层，替代了普通系留缆的挤塑型内护层，绞合体限制层比内护层更轻，且这种设计进一步减小了整缆的外径。通过以上三种轻量化设计，一方面这种设计结构自身降低了系留缆的重量，同时也有效减小了整缆的外径，产品外径的减小进一步带来了整缆重量上的明显下降。因而，在同等强度要求的条件下，本发明的高原用轻质光电复合系留缆在外径、重量上均大幅度低于现有的系留缆，实现了同等强度安全余量下可以使得浮空气球挂载更多任务载荷或者升至更大高度。
(2)本发明设计的高原用轻质光电复合系留缆，消除了在铜导体和绝缘层之间的气隙，避免了电线在高原低气压环境以及高电压状态下工作时绝缘层耐电压能力的下降。
(3)本发明设计的高原用轻质光电复合系留缆，保证了系留缆在高原低温环境中以大载荷卷绕使用时光纤的自由状态，避免了光纤产生应力并使得光损耗增大的情况，有效保证了低温环境下系留缆大载荷动态使用时光性能的稳定可靠。
(4)本发明设计的高原用轻质光电复合系留缆，外护套选用经过低温卷绕试验和太阳辐射试验的材料，避免了低温环境下反复卷绕使用时产生开裂的情况和在高原强太阳辐射环境下产生老化的情况，保证了护套的稳定可靠。
附图说明
图1为本发明提出的高原用轻质光电复合系留缆的剖视图；
图2为本发明提出的电力线的剖视图；
图3为本发明提出的松套管光单元的剖视图；
图4为本发明提出的电荷泄放线的剖视图；
图5为本发明提出的高原用轻质光电复合系留缆的生产方法的工艺流程图。
其中：
1-电力线；2-松套管光单元；3-电荷泄放线；4-绞合体限制层；5-非金属纤维增强层；6-纤维编织层；7-外护套；8-光纤；9-耐低温光纤油膏；10-PBT套管；
11-电线铜导体；12-半导电层；13-绝缘层；
31-电荷泄放线铜导体；32-绝缘层。
具体实施方式
以下，为了便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现参照附图来做进一步说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1，为本发明提出的一种高原用轻质光电复合系留缆的剖视图，包括内芯层、非金属纤维增强层和外护层，其中，内芯层具备若干根电力线1、松套管光单元2、电荷泄放线3和绞合体限制层4，且若干根电力线1、松套管光单元2和电荷泄放线3一定节距相互绞合形成绞合体。多束增强纤维分多层绞合形成纤维增强层5。外护层包括纤维编织层6和外护套7。具体实施时，在绞合体外先扎一层纱线层，然后绕包一层包带形成绞合体限制层4，然后通过扭矩平衡的方式绞合多层非金属增强纤维形成纤维增强层5，再在外侧编织一层非金属纤维形成纤维编织层6，最外层挤塑外护套7。
本实施例在具体实施时，如图2所示，电力线1由电线铜导体11、半导电层12和绝缘层13组成，其中半导电层12在铜导体和绝缘层之间。该半导电层12分别与电线铜导体11和绝缘层13紧密接触，消除了电线铜导体11与绝缘层13之间的气隙，避免了高原低气压状态下，绝缘层13的绝缘能力下降的问题，可以保证电力线1在高电压状态下长期使用，提升了系留缆在电性能上的安全可靠性。
如图3所示，本实施例中，松套管光单元2是由由光纤8、耐低温光纤油膏9和PBT套管10构成，其中光纤选用耐弯曲光纤，耐低温光纤油膏9选用-50℃型耐低温纤膏，其在-50℃时锥入度不小于200dmm。当系留缆在低温环境下以大载荷收放卷绕使用时，内部光纤8会发生姿态和位置上的变化，该油膏的使用保证了PBT套管10内部光纤在低温状态下活动时的相对自由性，避免了光纤因活动受限而产生应力并使得光损耗增大的情况，有效保证了动态使用时系留缆光性能的稳定可靠。
如图4所示，本实施例中，电荷泄放线3由电荷泄放线铜导体31和绝缘层32组成。应当知晓的是，在传统的系留缆中，外护套内层侧一般有编织结构的泄雷层可以对球载设备上因接触带电云层而产生的电荷进行泄放。但是该泄雷层会与内侧的增强纤维形成相互影响，因此一般在泄雷层和增强纤维之间会有一层中护层，以隔离泄雷层和纤维增强层，但这同样增加了系留缆的外径和重量。本发明技术方案中在电力线1的缝隙中增设了一根电荷泄放线3，通过与球载设备的连接同样起到泄放球载设备上因与带电云层接触而沾染上的电荷的作用，同时设计中取消了中护套并增加了一层纤维编织层6，以对内侧增强纤维形成束缚，这种设计进一步降低了系留缆的重量和外径，同时不影响系留缆的强度性能。
另外，本实施例中，绞合体限制层4为聚酯纱和无纺布包带，先以一定张力在由电力线1、松套管光单元2、电荷泄放线3绞合形成的绞合体外扎一层纱线，再绕包一层无纺布包带，形成了绞合体限制层4。本发明在光电单元绞合体外以一定张力扎一层纱线，再绕包一层包带形成复合结构的绞合体限制层4，以达到光电单元绞合体结构紧凑的效果。同时该绞合体限制层自身重量也很轻，且由于其本身较薄，不会显著增加系留缆的最终外径，因此不会造成由于外径增加引起的外护套重量增加，该轻质的绞合体限制层替代了普通系留缆中重量较大的内护套，从而有效的降低了系留缆的外径和重量。
本实施例中，纤维增强层5采用高强度高模量的非金属增强纤维，通常可采用芳纶纤维。本产品适用的纤维强度不小于21CN/dtex，模量不小于60GPa，并以扭矩平衡的方式分多层绞合而成。纤维绞合必须采用主动放线式绞合设备，全程精确控制并确保纤维的放线张力稳定，同时通过计算设置合适的纤维节距，使得每层纤维的绞合角保持一致。纤维编织层6是非金属纤维以编织的形式编织在纤维增强层5的外侧。
本实施例中，外护套选用经过低温卷绕和太阳辐射试验验证的，具有优良耐低温卷绕性能和耐太阳辐射性能的护套材料，并挤塑在纤维编织层6的外侧。外护套7具有良好的耐低温卷绕性能和耐太阳辐射老化性能，有效保证了外护套在使用中的可靠性，解决了系留缆在低温环境下卷绕使用时外护套开裂以及长期太阳辐射状态下外护套老化的问题。
序号 项目 本实施例指标 类似产品1指标 类似产品2指标
1 外径 18.0mm 20.0mm 26.5mm
2 单位长度重量 260g/m 370g/m 710g/m
3 抗拉强度 200kN 180kN 370kN
4 升空高度 7500m 2000m 3000m
下面通过上表说明本实施例涉及的高原用轻质光电复合系留缆的性能远高于现有的系留缆。
如表中所示，本实施例产品与类似产1相比，本实施例的抗拉强度性能更优，并且其外径和单位长度重量指标具有明显的优势，因此其可以助力浮空气球达到更高的升空高度。
如表中所示，本实施例产品与类似产品2相比，在外径小于其外径的前提下，本实施例的强度重量比和升空高度均远大于类似产品2。
如图5所示，本发明还提供了一种上述高原用轻质光电复合系留缆的生产方法的工艺流程图，如图所示，包括以下步骤：
电力线挤制工序：在电线铜导体11外通过双层共挤工艺挤制半导电层12和绝缘层13形成电力线1；
电荷泄放线挤制工序：在电荷泄放线铜导体31外通过挤塑工艺挤制绝缘层32形成电荷泄放线3；
松套管光单元挤制工序：在光纤8外通过PBT套管10挤制工艺挤制成松套管光单元2，同时在松套管光单元2内填充耐低温光纤油膏9；
缆芯绞合工序：通过单向绞合工艺按照10～15倍节径比把电力线1、松套管光单元2和电荷泄放线3绞合在一起，绞合过程中对已绞合成型的绞合体先扎纱再绕包一层包带形成绞合体限制层4；
纤维绞合工序：在包带外使用主动放线的恒张力纤维绞合设备，按照扭矩平衡的方式绞合偶数层的纤维，通过绞合节距的设置确保各层纤维的绞合角保持统一形成非金属纤维增强层5，绞合过程中在每层纤维之间绕包带；
编织工序：在非金属纤维增强层5外使用编织工艺编织一层纤维编织层6；
外护套挤制工序：在纤维编织层6的外面使用挤压式挤出工艺挤塑外护套7。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，包括内芯层、非金属纤维增强层(5)和外护层；
所述内芯层具备：
若干根电力线(1)、松套管光单元(2)、电荷泄放线(3)和绞合体限制层(4)；
若干根所述电力线(1)、松套管光单元(2)和电荷泄放线(3)相互绞合形成绞合体；
所述绞合体外绕设纱线层；
所述纱线层外绕包包带形成绞合体限制层(4)；
所述非金属纤维增强层(5)绞合设置在所述绞合体限制层(4)外侧；
所述外护层具备：
紧密套设在所述非金属纤维增强层(5)外侧的纤维编织层(6)；
挤塑在所述纤维编织层(6)外侧的外护套(7)。
2.根据权利要求1所述的高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，所述电力线(1)包括电线铜导体(11)；电线铜导体(11)外侧依次紧密套设半导电层(12)和绝缘层(13)。
3.根据权利要求2所述的高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，所述松套管光单元(2)包括光纤(8)；所述光纤(8)外侧套设PBT套管(10)；且在二者之间填充有耐低温光纤油膏(9)。
4.根据权利要求3所述的高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，电荷泄放线(3)包括电荷泄放线铜导体(31)和套设在电荷泄放线铜导体(31)外侧的绝缘层(32)。
5.根据权利要求4所述的高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，所述耐低温光纤油膏(9)在-50℃时锥入度不小于200dmm。
6.根据权利要求5所述的高原用轻质光电复合系留缆，其特征在于，所述绞合体限制层(4)包括聚酯纱和无纺布包带。
7.一种如权利要求1所述的高原用轻质光电复合系留缆的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
电力线挤制工序：在电线铜导体(11)外通过双层共挤工艺挤制半导电层(12)和绝缘层(13)形成电力线(1)；
电荷泄放线挤制工序：在电荷泄放线铜导体(31)外通过挤塑工艺挤制绝缘层(32)形成电荷泄放线(3)；
松套管光单元挤制工序：在光纤(8)外通过PBT套管(10)挤制工艺挤制成松套管光单元(2)，同时在松套管光单元(2)内填充耐低温光纤油膏(9)；
缆芯绞合工序：通过单向绞合工艺按照10～15倍节径比把电力线(1)、松套管光单元(2)和电荷泄放线(3)绞合在一起，绞合过程中对已绞合成型的绞合体先扎纱再绕包一层包带形成绞合体限制层(4)；
纤维绞合工序：在包带外使用主动放线的恒张力纤维绞合设备，按照扭矩平衡的方式绞合偶数层的纤维，通过绞合节距的设置确保各层纤维的绞合角保持统一形成非金属纤维增强层(5)，绞合过程中在每层纤维之间绕包带；
编织工序：在非金属纤维增强层(5)外使用编织工艺编织一层纤维编织层(6)；
外护套挤制工序：在纤维编织层(6)的外面使用挤压式挤出工艺挤塑外护套(7)。
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