一种具有夜光功能的露天煤矿用10kV光电复合橡套电缆的设计与制造

朱峰林 李兵 叶磊

(安徽凌宇电缆科技有限公司,安徽无为 238371)

一种具有夜光功能的露天煤矿用10kV光电复合橡套电缆的设计与制造

朱峰林 李兵 叶磊

(安徽凌宇电缆科技有限公司,安徽无为 238371)

以具有夜光功能的露天煤矿用10kV光电复合橡套电缆为研究对象,论述了露天煤矿用光电复合橡套电缆的性能-结构设计思路,指出了其在加工制造过程中涉及的主要原材料选择、关键技术难点的工艺控制。最后,成功试制了一批具有夜光功能的露天煤矿用8.7/10kV光电复合橡套,各项性能符合技术要求,已在山西的露天煤矿得到成功应用。

光电复合橡套电缆 螺旋夜光条纹 耐磨性 露天煤矿

光电复合缆是一种在传统的电力线缆中复合光纤单元，实现传统通电或防雷功能的同时进行光纤通信。较传统电缆而言，其特征在于：输电电芯间设有光缆线芯，可同时传输光、电信号，而且具备重量轻、施工方便、成本低等优势。已被广泛应用于电信网建设 ﹑安防监控项目以及特定工况的场合。然而，光电复合缆线在某些电气设备运行环境(比如皮带运输机、港机、移动变电站等)条件下容易受到外部环境的冲击，造成缆线供电故障以及人身的安全等问题，为配合千伏级电气设备的安全可靠运行，国内已设计和试制了各种不同型式的光电复合电缆。因此，在这些特殊工况条件下，需要对光电复合缆进行屏蔽保护处理形成所谓的光电复合橡套电缆才能得到安全可靠的应用。

根据上述研究背景，结合当前露天煤矿用电缆时常由于夜间视线差被卡车或其它运载设备意外压坏而导致电缆使用寿命下降的现实问题，开发一种具有夜光功能的光电复合电缆是必不可少的，但这种光电复合电缆的加工工艺复杂，具有很高的制造技术难度：(1)怎么样使光纤在高温高压力条件不变形或少变形，还要满足光纤衰减要求；(2)大厚度聚氨酯护套挤出；(3)螺旋型夜光条纹的加工。

基于上述技术难点，本文成功设计并研制了一种适合露天煤矿用具有夜光功能的10kV光电复合橡套电缆。该电缆内置光缆，可以传输电能同时传输视频或信号；采用含稀土元素的快速干燥型黄绿色蓄光油漆来实现线缆的夜光功能；选用聚氨酯弹性体材料作为缆线的外护套材料以提高缆线护套的耐磨性能、阻燃性能以及优异的弹性性能。

1 性能-结构设计

1.1 光电复合橡套电缆的性能要求

为实现光电复合橡套电缆能够实现高效、安全可靠的运用，需要电缆内每一部件都要满足露天煤矿下的使用要求。现对每一部件的性能要求进行分析。

(1)导体。电缆由于在地面频繁拖动，导体要求柔软，采用符合GB/T3956-2008规定的五类镀锡铜导体，导体绞合束合节距比控制在18-20倍，复绞最外层控制在12-14倍。

(2)导体屏蔽。为了改善导体表面的电场分布均化电场和消除导体与绝缘层之间气隙，同时防止导体绞合过程中的毛刺等尖端突起刺入半导电层或绝缘层，导体屏蔽层采用绕包半导电层+挤包半导电橡皮层双层屏蔽结构形式。

表1 三种外护套材料的性能对比

(3)绝缘。根据电压等级，选用高电气性能的乙丙橡皮作为绝缘层，采用公司自行研发的橡皮配方，保证绝缘强度不小于8.0MPa，并参考MT818.6-2009标准，确定绝缘层厚度和20℃绝缘电阻，以保证成品电缆能够经受30.5kV/5min，电缆不击穿。

(4)绝缘屏蔽。绝缘屏蔽层采用挤包半导电橡皮层+镀锡铜丝编织屏蔽双层结构，半导电橡皮采用可剥离型，剥离力应控制在4-45N之间，便于电缆的接头安装，镀锡铜丝编织层相当于给绝缘线芯增加一层铠装层。编织层兼做地线。

(5)光缆。光缆随着电缆频繁移动，光缆的加强件应选用多股绞合的钢丝绳，光缆应放置在缆芯中间(见结构示意图1)，这样设置的目的是光缆在弯曲移动受力最小，有利于保护光缆减小衰减，同时可以有效阻挡热量传递，避免或减小光缆受热变形。

(6)护套。根据电缆的使用环境和使用条件，电缆护套采用双层结构，内护套采用具有绝缘功能的XJ-10型橡皮，外护套采用阻燃热塑性聚氨酯材料，内外护套层厚度参考MT818.6-2008标准。

(7)监视层。监视层采用半导电带包层+监视线(三根间隔均匀绞合在缆芯外)+半导电带包层结构型式。

(8)夜光条。为了使电缆在夜间具有可视的发光效果，要求电缆表面设有一种夜间可发光材料；为了使电缆从不同角度都可以看到发光效果，要求电缆表面的发光条纹为螺旋条纹状。螺旋夜光条纹通过利用盘绞机绞合成缆方式带动电缆的旋转，利用喷涂方式在电缆表面均匀喷上一层光滑条纹。

1.2 光电复合橡套电缆的结构设计

该电缆结构设计关键在于，电缆保证通信用的光单元和供电用的电单元性能的同时电缆还必须要求具有良好的夜间发光特性(发光层能经久耐用)和电缆护套具有优异的耐磨损性能。所设计的电缆结构如图1所示。

2 实验内容

2.1 主要原料优选

(1)绝缘层。依据电压等级及MT818.6-2009标准对电缆绝缘电阻的要求，选用20℃体积电阻率不小于1*1016Ω·cm的材料，同时考虑导体应能长期在90℃条件下工作，要求材料必须具有优异的耐老化性能，因此选用电气性能优异的三元乙丙橡皮，由于电缆经常频繁移动，因此性能在满足GB 7594.8中XJ-30型的规定同时抗拉强度应不小于8.0MPa。

(2)外护套。露天煤矿对护套的机械性能和阻燃性能要求较高，它不仅要求电缆护套具有优异的耐磨性能、抗拉、抗撕裂、耐阻燃、耐候性能，还需要电缆具有优异的弹性。作为露天煤矿移动用电缆护套材料常用材料有：氯化聚乙烯橡皮、氯丁橡胶橡皮和聚氨酯弹性体。通过这三种性能的综合比较(见表1)，选用聚氨酯弹性体(TPU)材料作为电缆的外护套材料。

(3)夜光油漆。为了满足设计与工艺的要求，夜光油漆的选择遵循以下几点要求：①白天吸收光源夜间自发光功能，反射电缆或反射电灯和探照灯光；②持续发光时间长(10-12小时)，无限循环使用；③发光强度大，通过对比试验，选用黄绿色夜光油漆发光效果最好；④油漆必须与电缆外护套材料具有优异的附着力、抗冲击力强，保证电缆在移动过程中不轻易被拖掉或刮掉；⑤必须能快速干燥(干燥时间表干应在3-5分钟内)。综合以上要求，最终确定选用含稀土元素的快速干燥型黄绿色蓄光油漆。

2.2 关键工序的工艺控制

该电缆结构复杂，生产比较繁琐，因此需要特别注重关键工序的质量控制。

(1)成缆工艺。成缆时应保证各单元的在绞合过程中受力均匀，避免主线芯对光缆的过渡挤压。

(2)阻燃聚氨酯护套层的挤出工艺。在护套挤出过程中， 为有效减少表面的气孔、气泡或起泡现象。需要对料子进行充分干燥，消除料子中的水分影响，同时要求缩短冷却水槽与模口的距离；此外，当挤出过程中出胶量大时，螺杆的剪切力会增加、摩擦生热量增大，进而导致机体温度过高易引起TPU分解。因此，在挤出过程中注意观察护套外观，适时需要降低机身温度。模口四周有积料可以通过对模具调整，模套外口设置倒角来解决。

(3)螺旋夜光条的工艺路线。电缆表面加工螺旋状夜光条纹的路线如下：先在电缆表面疏绕一层包带，后通过盘绞机旋转收线带动电缆的旋转，利用喷涂方式在疏绕的包带间隙均匀喷上一层夜光油漆，油漆干燥后除掉表面包带即可。在加工过程中需要注意以下两点：①喷漆装置离电缆表面距离要合适：对电缆表面进行夜光油漆喷涂时，要调整好喷嘴与表面距离，离的太远，夜光油漆里面的稀释剂挥发过快，油漆变成粉状，不能与护套表面很好的附着；喷嘴与电缆表面距离太近，夜光油漆稀释剂不能及时挥发，油漆干燥不了堆积在护套表面形成不了均匀光滑夜光条，且夜光条容易在被刮花。②夜光条喷除厚度适中：喷除的夜光条厚度太薄，夜间发光效果差，夜光条厚度太厚，第一不容易快速干燥影响生产速度，其次浪费太大。通过试验在夜光条喷涂厚度在0.2-0.3mm这样既能满足生产要求，又能得到良好的发光效果，同时可以节约成本。

3 结语

通过反复工艺试验，项目组从2013年3月起至2013年8月成功试制一批规格为3*185+3*70/3+3*2.5+光缆(10芯、9/125单模光纤)具有夜光功能的露天煤矿用8.7/10kV光电复合橡套，于2013年9月在山西的露天煤矿调试成功，至今运行正常，效果良好。通过这次光电复合电缆的成功试制，为研制开发其它类似电缆产品提供重要的指导意义。

[1]MT818-2009煤矿用电缆[S].

[2]GB/T3956-2008电缆的导体[S].

[3]徐锡麟主编,电线电缆手册第2册[M].北京机械工业出版社.

taking type 10kV optical/electrical composite cable(OECC)with luminous function applied in an Opencoast Mine as the example.The key points of designing the Property and Structure of OECC with luminous function.The problems including the election of major materials and the key technical control of OECC and some key parameters were pointed out.Finally,8.7/10kV optical/electrical composite cable (OECC)with luminous function were successfully manufactured,whose various properties were in accordance with the requirements.And this product were successfully applied in Shan Xi opencast mine.

optical/electrical composite cable Spiral luminous stripes Abrasion resistance Opencast Mine