CN109411139A - 一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆及其制造方法，该电缆由外及里依次设置有高强层、支撑层、内衬、绝缘层和导体，在高强层与支撑层之间还设置有韧化层，韧化层与支撑层交界处设置有固化有聚氯乙烯胶泥的尼龙PA66层；高强层为由铜丝、碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝三种纤维丝按质量比1：(3.5‑5)：(75‑90)均匀混编后，再经硫化橡胶封闭后制成；支撑层采用石墨化碳纤维制成；韧化层采用聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶混合均匀并固化硫化而成。本发明的抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆能适应较大风力、承受较大扭转力矩、耐受长期往复运动疲劳应力、老化较慢。

Description

一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆及其制造方法
技术领域
本发明涉及电气元件领域，尤其涉及一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆及其制造方法。
背景技术
电缆，通常是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。电缆具有内通电，外绝缘的特征。
绝缘层即在电缆导线***均匀而密封地包裹一层不导电的材料，如：树脂、塑料、硅橡胶、PVC等，但这些材料受本质性能所限，其耐热性能和绝缘性能相对较弱。
在国内已申请的相关专利中，专利《一种阻燃抗拉柔软电缆》（申请号：201610040262.X，公开日：2016-05-04），公开了一种具有阻燃能力的柔性电缆，但其采用了五层金属铠装层，由于是圆管状的铠装层，其可弯曲性必然较差，最小弯曲半径大，综合机械性能差，抗疲劳能力差、抗扭转能力差，尤其采用的绝缘材料除芯材表面的材料外主要是常规聚脂纤维，这种材料绝缘性能一般，甚至不会用作绝缘材料，且易受酸碱腐蚀、耐水性差，易老化，使用寿命短。
综上所述，市面上需要一种能适应较大风力、承受较大扭转力矩、耐受长期往复运动疲劳应力、老化较慢的风电资源丰富区域专用电缆。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种能适应较大风力、承受较大扭转力矩、耐受长期往复运动疲劳应力、老化较慢的抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆，该电缆由外及里依次设置有高强层、支撑层、内衬、绝缘层和导体，在高强层与支撑层之间还设置有韧化层，韧化层与支撑层交界处设置有固化有质量比12wt%-15wt%聚氯乙烯胶泥的尼龙PA66层；高强层为由直径0.05mm-0.2mm的铜丝、直径0.2mm-0.5mm的碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝三种纤维丝按质量比1：(3.5-5)：(75-90)均匀混编后，再经硫化橡胶封闭后制成；支撑层采用石墨化碳纤维制成；韧化层采用聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：(8-10)混合均匀并固化硫化而成；
其中高强层的制造方法包括以下步骤：
1）生产前准备
①按重量份准备直径0.05mm-0.2mm的铜丝1份、直径0.2mm-0.5mm的碳化硅陶瓷纤维3.5份-5份、PP扁丝75份-90份、足量硫化橡胶、准备与高强层(1)管状结构尺寸相匹配的模具；
2）强化网的制造
①将阶段1）准备的铜丝、碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝均匀混编成网孔尺寸0.5mm-1mm的、与电缆设计尺寸相匹配的3层-5层交错的纤维网；
②将阶段1）准备的硫化橡胶加热至熔融状态，然后将步骤①获得的纤维网逐层浸润在熔融状态的硫化橡胶中，然后取出自然干燥，获得节点粘连的多层纤维网，该节点粘连的多层纤维网即为所需强化网；
3）高强层成型
①维持阶段2）步骤②获得的熔融状态硫化橡胶液；
②将强化网层叠好后卷成筒状，置于阶段1）准备的模具中，获得置芯模具；
③将步骤①准备的熔融状态硫化橡胶液灌封到步骤②获得的模具中，然后在模具开口处物理加压10MPa-20MPa，获得紧实模压管，待紧实模压管自然冷却固化后开模，取出固化后的复合管，该复合管即为所需高强层；
所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆的制造方法包括以下步骤：
①将支撑层、内衬、绝缘层和导体由外及里依次套装好，获得基体；
②在步骤①获得的基体表面均匀涂抹重量为尼龙PA66层质量6wt%-8wt%的聚氯乙烯胶泥，然后再将尼龙PA66层铺设在聚氯乙烯胶泥表面压紧，最后将剩余聚氯乙烯胶泥均匀涂抹在尼龙PA66层外表面上，获得强化紧固基体；
③将强化紧固基体套装在高强层中且两者保持同轴状态，获得组合套管；
④在步骤③获得的组合套管中以20MPa-25MPa压强灌封聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：(8-10)混合均匀的混合柔胶液，直至柔胶液填充完整个空间，然后将获得的管状结构两端锁紧固定，即获得所需所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆。
该抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆可长时承受-70℃-200℃的工作温度；直接抗拉强度不低于130N/mm2，最大允许张力负荷不低于30N/mm2；以－40℃环境下10米长电缆正反旋转1440°（4圈）为1次，至少旋转30次电缆护套抗扭不开裂；以常温状态下10米长电缆正反旋转1080°（3圈）为1次， 至少旋转100次电缆护套抗扭不开裂；施加300Hz交流电压2.5U0/5min不击穿。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：(1)本发明的基体层次和材料与现有技术完全一致，所改变的仅仅是最外面的四层功能结构：最外层的高强层、次表层的韧化层、尼龙PA66层及支撑层的碳纤维层，这四层结构来源广泛，层次分明，易于实现，同时能实现专门应用于恶劣风电环境的特殊电缆结构，市场应用前景好。（2）高强层中的3层-5层的复合纤维网是本发明两个核心点之一，三种纤维中塑料纤维（PP扁丝）提供基础支撑强度及部分柔韧性与变形容错；碳化硅陶瓷纤维提供强度、抗老化性能和结构支撑；铜丝除在物理方面提供强度、韧性及均电效应（与铝衣屏蔽电效应原理相同）外，还在化学方面为本发明提供抗老化、抗腐蚀效应（具体为铜与电缆表层中日积月累渗入的水和空气中渗入的二氧化碳反应生成碱式碳酸铜，具有吸水吸酸作用；形成碱式碳酸铜后若有酸雨侵蚀则进一步生成水而降低酸度，防止基体的硫化橡胶被侵蚀老化），三种纤维功能互补，共同使本发明的表层更不易开口、老化和断裂。(3)本发明另一个核心点就是作为韧化层的聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：(8-10)混合均匀的混合柔胶，根据基本原理，单组分室温硫化硅橡胶在硫化前是液态的，聚氯乙烯胶泥也是粘着液体，在成型前具有良好的流动性和可塑形性，能在物理压力下充分填充在高强层和尼龙PA66层中间，并承外启里地增加胶粘性，定型后缩合型单组分室温硫化硅橡胶逐步吸收聚氯乙烯胶泥中的游离水完成硬化，随着水份被抽离聚氯乙烯胶泥的粘度也逐渐增大，成为半固态高粘度胶液，为本发明的挠弯、扭转提供了充分的缓冲和容余空间，同时也提升了本发明的整体结合强度，随着时间的延长韧化层吸收高强层中过多的水份才能完成彻底固化，这进一步减缓了高强层的老化，同时彻底固化后的韧化层形成的就是玻璃胶，仍是一种弹性好、韧性佳的中间层，仍然能起着提供本发明韧性的作用。(4)石墨化碳纤维具有非常好的耐高温的抗老化性能，加上在支撑层的外层设置了可以反射部分光线和热能的尼龙PA66层，并通过韧化层和内置有金属丝的高强层传播，散热能力强于常规电缆，使得整个电缆整体抗高温抗老化性能得到长足的提升。使因此本发明具有能适应较大风力、承受较大扭转力矩、耐受长期往复运动疲劳应力、老化较慢的特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：高强层1、韧化层2、尼龙PA66层3、支撑层4、内衬5、绝缘层6、导体7。
具体实施方式
实施例1：
一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆，其特征在于：该电缆由外及里依次设置有高强层1、支撑层4、内衬5、绝缘层6和导体7，在高强层1与支撑层4之间还设置有韧化层2，韧化层2与支撑层4交界处设置有固化有质量比15wt%聚氯乙烯胶泥的尼龙PA66层3；高强层1为由直径0.05mm-0.2mm的铜丝、直径0.2mm-0.5mm的碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝三种纤维丝按质量比1：5：75均匀混编后，再经硫化橡胶封闭后制成；支撑层4采用石墨化碳纤维制成；韧化层2采用聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：8-10混合均匀并固化硫化而成；
其中高强层1的制造方法包括以下步骤：
1）生产前准备
①按重量份准备直径0.05mm的铜丝1Kg、直径0.2mm的碳化硅陶瓷纤维5Kg、PP扁丝75Kg、足量硫化橡胶、准备与高强层1管状结构尺寸相匹配的模具；
2）强化网的制造
①将阶段1）准备的铜丝、碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝均匀混编成网孔尺寸0.5mm、与电缆设计尺寸相匹配的5层交错的纤维网；
②将阶段1）准备的硫化橡胶加热至熔融状态，然后将步骤①获得的纤维网逐层浸润在熔融状态的硫化橡胶中，然后取出自然干燥，获得节点粘连的多层纤维网，该节点粘连的多层纤维网即为所需强化网；
3）高强层1成型
①维持阶段2）步骤②获得的熔融状态硫化橡胶液；
②将强化网层叠好后卷成筒状，置于阶段1）准备的模具中，获得置芯模具；
③将步骤①准备的熔融状态硫化橡胶液灌封到步骤②获得的模具中，然后在模具开口处物理加压20MPa，获得紧实模压管，待紧实模压管自然冷却固化后开模，取出固化后的复合管，该复合管即为所需高强层1；
所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆的制造方法包括以下步骤：
①将支撑层4、内衬5、绝缘层6和导体7由外及里依次套装好，获得基体；
②在步骤①获得的基体表面均匀涂抹重量为尼龙PA66层3质量6wt%-8wt%的聚氯乙烯胶泥，然后再将尼龙PA66层3铺设在聚氯乙烯胶泥表面压紧，最后将剩余聚氯乙烯胶泥均匀涂抹在尼龙PA66层3外表面上，获得强化紧固基体；
③将强化紧固基体套装在高强层1中且两者保持同轴状态，获得组合套管；
④在步骤③获得的组合套管中以25MPa压强灌封聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：10混合均匀的混合柔胶液，直至柔胶液填充完整个空间，然后将获得的管状结构两端锁紧固定，即获得所需所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆。
根据本实施例生产出的电缆样品，可长时承受-70℃-200℃的工作温度；直接抗拉强度145N/mm2，最大允许张力负荷33N/mm2；以－40℃环境下10米长电缆正反旋转1440°（4圈）为1次，至少旋转30次电缆护套抗扭不开裂；以常温状态下10米长电缆正反旋转1080°（3圈）为1次， 旋转150次电缆护套抗扭不开裂；施加300Hz交流电压2.5U0/10min不击穿。
实施例2：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆，其特征在于：该电缆由外及里依次设置有高强层1、支撑层4、内衬5、绝缘层6和导体7，在高强层1与支撑层4之间还设置有韧化层2，韧化层2与支撑层4交界处设置有固化有质量比12wt%聚氯乙烯胶泥的尼龙PA66层3；高强层1为由直径0.2mm的铜丝、直径0.5mm的碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝三种纤维丝按质量比1：3.5：90均匀混编后，再经硫化橡胶封闭后制成；支撑层4采用石墨化碳纤维制成；韧化层2采用聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：8混合均匀并固化硫化而成；
其中高强层1的制造方法包括以下步骤：
1）生产前准备
①按重量份准备直径0.2mm的铜丝1Kg、直径0.5mm的碳化硅陶瓷纤维3.5Kg、PP扁丝90Kg、足量硫化橡胶、准备与高强层1管状结构尺寸相匹配的模具；
2）强化网的制造
①将阶段1）准备的铜丝、碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝均匀混编成网孔尺寸1mm的、与电缆设计尺寸相匹配的3层交错的纤维网；
3）高强层1成型
③将步骤①准备的熔融状态硫化橡胶液灌封到步骤②获得的模具中，然后在模具开口处物理加压10MPa，获得紧实模压管，待紧实模压管自然冷却固化后开模，取出固化后的复合管，该复合管即为所需高强层1；
所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆的制造方法包括以下步骤：
④在步骤③获得的组合套管中以20MPa压强灌封聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：8混合均匀的混合柔胶液，直至柔胶液填充完整个空间，然后将获得的管状结构两端锁紧固定，即获得所需所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆。
根据本实施例生产出的电缆样品，可长时承受-70℃-200℃的工作温度；直接抗拉强度133N/mm2，最大允许张力负荷31N/mm2；以－40℃环境下10米长电缆正反旋转1440°（4圈）为1次，旋转35次电缆护套抗扭不开裂；以常温状态下10米长电缆正反旋转1080°（3圈）为1次， 旋转112次电缆护套抗扭不开裂；施加300Hz交流电压2.5U0/5min不击穿。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆，其特征在于：该电缆由外及里依次设置有高强层(1)、支撑层(4)、内衬(5)、绝缘层(6)和导体(7)，在高强层(1)与支撑层(4)之间还设置有韧化层(2)，韧化层(2)与支撑层(4)交界处设置有固化有质量比12wt%-15wt%聚氯乙烯胶泥的尼龙PA66层(3)；高强层(1)为由直径0.05mm-0.2mm的铜丝、直径0.2mm-0.5mm的碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝三种纤维丝按质量比1：(3.5-5)：(75-90)均匀混编后，再经硫化橡胶封闭后制成；支撑层(4)采用石墨化碳纤维制成；韧化层(2)采用聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：(8-10)混合均匀并固化硫化而成；
其中高强层(1)的制造方法包括以下步骤：
1）生产前准备
①按重量份准备直径0.05mm-0.2mm的铜丝1份、直径0.2mm-0.5mm的碳化硅陶瓷纤维3.5份-5份、PP扁丝75份-90份、足量硫化橡胶、准备与高强层(1)管状结构尺寸相匹配的模具；
2）强化网的制造
①将阶段1）准备的铜丝、碳化硅陶瓷纤维、PP扁丝均匀混编成网孔尺寸0.5mm-1mm的、与电缆设计尺寸相匹配的3层-5层交错的纤维网；
②将阶段1）准备的硫化橡胶加热至熔融状态，然后将步骤①获得的纤维网逐层浸润在熔融状态的硫化橡胶中，然后取出自然干燥，获得节点粘连的多层纤维网，该节点粘连的多层纤维网即为所需强化网；
3）高强层(1)成型
①维持阶段2）步骤②获得的熔融状态硫化橡胶液；
②将强化网层叠好后卷成筒状，置于阶段1）准备的模具中，获得置芯模具；
③将步骤①准备的熔融状态硫化橡胶液灌封到步骤②获得的模具中，然后在模具开口处物理加压10MPa-20MPa，获得紧实模压管，待紧实模压管自然冷却固化后开模，取出固化后的复合管，该复合管即为所需高强层(1)；
所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆的制造方法包括以下步骤：
①将支撑层(4)、内衬(5)、绝缘层(6)和导体(7)由外及里依次套装好，获得基体；
②在步骤①获得的基体表面均匀涂抹重量为尼龙PA66层(3)质量6wt%-8wt%的聚氯乙烯胶泥，然后再将尼龙PA66层(3)铺设在聚氯乙烯胶泥表面压紧，最后将剩余聚氯乙烯胶泥均匀涂抹在尼龙PA66层(3)外表面上，获得强化紧固基体；
③将强化紧固基体套装在高强层(1)中且两者保持同轴状态，获得组合套管；
④在步骤③获得的组合套管中以20MPa-25MPa压强灌封聚氯乙烯胶泥和缩合型单组分室温硫化硅橡胶按质量比2：(8-10)混合均匀的混合柔胶液，直至柔胶液填充完整个空间，然后将获得的管状结构两端锁紧固定，即获得所需所述抗扭转抗疲劳长寿命风电电缆。
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