Новая эра автомобильной промышленности, основанная на использовании новых источников энергии, несет на себе двойную задачу: промышленную трансформацию и модернизацию, а также защиту окружающей среды. Это в значительной степени стимулирует развитие производства высоковольтных кабелей и других сопутствующих комплектующих для электромобилей. Производители кабелей и органы по сертификации вложили значительные усилия в исследования и разработки высоковольтных кабелей для электромобилей. Высоковольтные кабели для электромобилей предъявляют высокие требования ко всем параметрам и должны соответствовать стандарту RoHSb, требованиям огнестойкости UL94V-0 и обладать хорошими эксплуатационными характеристиками. В данной статье рассматриваются материалы и технологии изготовления высоковольтных кабелей для электромобилей.
1. Материал высоковольтного кабеля
(1) Материал проводника кабеля
В настоящее время в качестве материалов для проводников кабелей используются два основных компонента: медь и алюминий. Некоторые компании считают, что алюминиевый сердечник может значительно снизить производственные затраты. За счет добавления меди, железа, магния, кремния и других элементов к чистому алюминию, а также специальных процессов, таких как синтез и отжиг, улучшается электропроводность, прочность на изгиб и коррозионная стойкость кабеля. Таким образом, при одинаковой несущей способности достигается эффект, аналогичный или даже превосходящий эффект медных проводников. Это позволяет значительно снизить себестоимость производства. Однако большинство предприятий по-прежнему рассматривают медь как основной материал проводника, прежде всего, из-за низкого удельного сопротивления меди, а также благодаря лучшим характеристикам по сравнению с алюминием, таким как большая токовая нагрузка, низкие потери напряжения, низкое энергопотребление и высокая надежность. В настоящее время при выборе проводников обычно используется национальный стандарт 6 «мягкие проводники» (удлинение одиночного медного провода должно быть более 25%, диаметр мононити — менее 0,30), гарантирующий мягкость и прочность медной мононити. В таблице 1 перечислены стандарты, которым должны соответствовать широко используемые материалы медных проводников.
(2) Материалы изоляционного слоя кабелей
Внутренняя среда электромобилей сложна, и при выборе изоляционных материалов, с одной стороны, необходимо обеспечить безопасное использование изоляционного слоя, с другой — по возможности выбирать материалы, которые легко обрабатываются и широко используются. В настоящее время наиболее распространенными изоляционными материалами являются поливинилхлорид (ПВХ).сшитый полиэтилен (XLPE)Силиконовая резина, термопластичный эластомер (ТПЭ) и др., а также их основные свойства приведены в таблице 2.
Среди них ПВХ содержит свинец, но директива RoHS запрещает использование свинца, ртути, кадмия, шестивалентного хрома, полибромированных дифениловых эфиров (ПБДЭ) и полибромированных бифенилов (ПББ) и других вредных веществ, поэтому в последние годы ПВХ был заменен сшитым полиэтиленом (XLPE), силиконовой резиной, термопластичным эластомером (TPE) и другими экологически чистыми материалами.
(3) Материал экранирующего слоя кабеля
Экранирующий слой делится на две части: полупроводниковый экранирующий слой и плетеный экранирующий слой. Объемное удельное сопротивление полупроводникового экранирующего материала при 20 °C и 90 °C, а также после старения является важным техническим показателем для оценки экранирующего материала, который косвенно определяет срок службы высоковольтного кабеля. К распространенным полупроводниковым экранирующим материалам относятся этиленпропиленовый каучук (ЭПР), поливинилхлорид (ПВХ) иполиэтилен (ПЭ)на основе материалов. В случае, если сырье не обладает преимуществами и уровень качества не может быть улучшен в краткосрочной перспективе, научно-исследовательские учреждения и производители кабельных материалов сосредотачиваются на исследовании технологий обработки и соотношения компонентов экранирующего материала, а также стремятся к инновациям в соотношении компонентов экранирующего материала для улучшения общих характеристик кабеля.
2. Процесс подготовки высоковольтного кабеля
(1) Технология проводниковых жил
Основной процесс производства кабелей разрабатывался долгое время, поэтому в отрасли и на предприятиях существуют собственные стандартные спецификации. В процессе волочения проволоки, в зависимости от способа раскручивания отдельного провода, оборудование для скручивания можно разделить на машины для раскручивания проволоки, машины для раскручивания проволоки и машины для раскручивания/раскручивания проволоки. Из-за высокой температуры кристаллизации медного проводника, более длительной температуры и времени отжига, целесообразно использовать оборудование для раскручивания проволоки для непрерывного вытягивания и непрерывного вытягивания моноволокна, чтобы улучшить удлинение и коэффициент разрыва при волочении проволоки. В настоящее время кабель из сшитого полиэтилена (XLPE) полностью заменил кабель из промасленной бумаги в диапазоне напряжений от 1 до 500 кВ. Существует два распространенных процесса формирования проводников XLPE: круговое уплотнение и скручивание проволоки. С одной стороны, проволочный сердечник позволяет избежать воздействия высоких температур и давления в сшитом трубопроводе, которые могут вдавливать экранирующий и изоляционный материалы в зазор между жилами провода и приводить к их порче; с другой стороны, он также предотвращает проникновение воды вдоль направления проводника, обеспечивая безопасную эксплуатацию кабеля. Сам медный проводник имеет концентрическую структуру скручивания, которая в основном производится с помощью обычных рамных скручивающих машин, вилочных скручивающих машин и т. д. По сравнению с процессом кругового уплотнения, это обеспечивает формирование круглого жгута проводника.
(2) Процесс производства изоляции кабеля XLPE
Для производства высоковольтных кабелей XLPE используются два процесса формования: катенарное сухое сшивание (CCV) и вертикальное сухое сшивание (VCV).
(3) Процесс экструзии
Ранее производители кабелей использовали вторичный процесс экструзии для производства изоляционного сердечника кабеля: на первом этапе одновременно экструзировались экран и изоляционный слой проводника, затем они сшивались и наматывались в кабельный лоток, где выдерживались в течение определенного времени, после чего экструзировался изоляционный экран. В 1970-х годах появился трехслойный экструзионный процесс 1+2 для производства изолированного сердечника провода, позволяющий осуществлять внутреннее и внешнее экранирование и изоляцию за один процесс. В этом процессе сначала экструзирулся экран проводника, затем на небольшом расстоянии (2–5 м) одновременно экструзировались изоляция и изоляционный экран на экран проводника. Однако первые два метода имели существенные недостатки, поэтому в конце 1990-х годов поставщики оборудования для производства кабелей внедрили трехслойный соэкструзионный процесс, при котором экструзия проводника, изоляции и изоляционного экрана осуществлялась одновременно. Несколько лет назад зарубежные страны также представили новую конструкцию головки экструдера и изогнутой сетчатой пластины, которая, благодаря балансировке давления потока в полости головки шнека, предотвращает накопление материала, увеличивает время непрерывного производства, а также позволяет значительно сократить простои и повысить эффективность.
3. Заключение
Электромобили обладают хорошими перспективами развития и огромным рынком, поэтому для их производства и завоевания рынка необходима серия высоковольтных кабельных изделий с высокой несущей способностью, термостойкостью, электромагнитным экранированием, устойчивостью к изгибу, гибкостью, длительным сроком службы и другими превосходными характеристиками. Материалы для высоковольтных кабелей электромобилей и процессы их изготовления имеют широкие перспективы развития. Без высоковольтных кабелей электромобили не смогут повысить эффективность производства и обеспечить безопасность эксплуатации.
Дата публикации: 23 августа 2024 г.