Entwicklung verschleißfester, hochfester und schwer entflammbarer Stromkabel

Entwicklung verschleißfester, hochfester und schwer entflammbarer Stromkabel

Abstrakt

In diesem Artikel werden systematisch die Konstruktionsprinzipien, Materialauswahl, Herstellungsprozesse und Leistungsbewertungsmethoden für verschleißfeste, hochfeste und hochflammhemmende Stromkabel untersucht. Durch die Analyse der Einschränkungen herkömmlicher Kabelmaterialien und die Einbeziehung der neuesten Fortschritte in der modernen Polymermaterialwissenschaft wird ein innovatives Kabeldesignschema vorgeschlagen, das auf einer mehrschichtigen Verbundstruktur basiert. Das Schema verwendet ein Verbundmaterial auf Polyurethanbasis als äußere Mantelschicht, eine flammhemmende Schicht aus Silikonkautschuk als Zwischenschicht, eine geflochtene Panzerschicht aus verzinktem Stahldraht als Verstärkungsschicht, eine XLPE-Isolierschicht als elektrische Isolierschicht und eine geflochtene Verbundabschirmschicht aus Aluminiumfolie und Kupferdraht. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das entworfene Kabel herkömmliche Kabelprodukte in Bezug auf Verschleißfestigkeit, mechanische Festigkeit, Flammwidrigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit deutlich übertrifft. Durch systematische Tests und Verifizierungen erfüllt das Kabel die Anforderungen der höchsten internationalen Flammschutznormen wie IEC 60332-3A und BS 6387 CWZ und weist gleichzeitig hervorragende mechanische Eigenschaften und langfristige Betriebszuverlässigkeit auf. Diese Studie liefert theoretische Grundlagen und technische Referenzen für die Forschung und Entwicklung von Hochleistungsstromkabeln und ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Energiesystemen.

Schlüsselwörter: Stromkabel; Verschleißfestigkeit; hohe Festigkeit; Flammhemmung; Verbundwerkstoffe; mehrschichtige Struktur; Prüfnormen

1. Einführung

1.1 Forschungshintergrund und Bedeutung

Mit der rasanten Entwicklung moderner Energiesysteme werden die Leistungsanforderungen an Stromkabel als wichtige Träger der elektrischen Energieübertragung immer anspruchsvoller. Dies zeigt sich besonders deutlich in Anwendungsszenarien in komplexen und rauen Umgebungen, beispielsweise im Bergbau, in der Schiffstechnik, im Schienenverkehr und in der industriellen Automatisierung. Diese Bereiche stellen extrem hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, mechanische Festigkeit und Flammwidrigkeit von Energiekabeln. Herkömmliche Kabelmaterialien wie PVC und gewöhnlicher Gummi weisen in diesen extremen Umgebungen häufig Mängel auf, darunter unzureichende Verschleißfestigkeit, begrenzte mechanische Festigkeit und unbefriedigende Flammschutzeigenschaften. Diese Einschränkungen können zu einer verkürzten Kabellebensdauer, erhöhten Wartungskosten und sogar zu möglichen Sicherheitsvorfällen führen.

Die Entwicklung verschleißfester, hochfester und hochflammhemmender Stromkabel kann nicht nur die technischen Anforderungen spezifischer Anwendungsszenarien erfüllen, sondern auch die allgemeine Sicherheit und Zuverlässigkeit von Energiesystemen verbessern. Statistischen Daten zufolge machen Kabelausfälle einen erheblichen Anteil der Störungen im Stromnetz aus, wobei solche, die durch mechanische Beschädigungen und Brände verursacht werden, besonders im Vordergrund stehen. Daher ist die Entwicklung von Stromkabeln mit hervorragender Gesamtleistung von erheblicher praktischer Bedeutung, um die Kontinuität der Stromversorgung sicherzustellen, Betriebs- und Wartungskosten zu senken und die Systemsicherheit zu verbessern.

Vergleichstabelle zur Kabelleistung

1.2 Aktueller Forschungsstand im In- und Ausland

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler im In- und Ausland umfangreiche Forschungen zu Kabelmaterialien und Strukturdesign durchgeführt. Weltweit haben Industrieländer und Regionen wie die Vereinigten Staaten, Europa und Japan eine führende Rolle bei der Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Kabeltechnologien übernommen. Die von Underwriters Laboratories (UL) festgelegten Flammschutzklassifizierungsstandards, einschließlich CMP, CMR und CMG, sind zu Branchenmaßstäben geworden. Die vom Europäischen Komitee für Normung herausgegebene CEN-Norm EN 50575 legt klare Anforderungen an das Brandverhalten von Kabeln fest. Japan hat bemerkenswerte Fortschritte bei Hochtemperatur-Supraleiterkabeln und Spezialkabeln erzielt.

Im Inland hat sich das technologische Niveau der Kabelindustrie im Einklang mit der Umsetzung der Strategie „Made in China 2025“ kontinuierlich verbessert. Im Bereich der flammhemmenden Materialien sind Verbindungen wie Aluminiumtrihydroxid (ATH), Magnesiumhydroxid (MH) und Flammschutzmittel auf Phosphorbasis weit verbreitet. Bei Verstärkungsmaterialien werden zunehmend Hochleistungsfasern wie Aramidfasern, Glasfasern und Kohlefasern eingesetzt. Die Forschung zu Isoliermaterialien, einschließlich vernetztem Polyethylen (XLPE), Silikonkautschuk und Polyurethan, wird kontinuierlich vertieft.

Es besteht jedoch weiterhin eine Marktlücke bei Kabelprodukten, die gleichzeitig eine hervorragende Verschleißfestigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit und eine hervorragende Flammhemmung aufweisen. Bestehende Produkte zeichnen sich oft durch einen bestimmten Leistungsaspekt aus, bieten jedoch nicht die umfassenden Eigenschaften, die den Anforderungen extremer Betriebsumgebungen gerecht werden. Daher ist die Durchführung systematischer Forschung zu verschleißfesten, hochfesten und hochflammhemmenden Stromkabeln von großem theoretischen und praktischen Wert.

1.3 Forschungsziele und -inhalte

Das Hauptziel dieser Forschung ist die Entwicklung eines verschleißfesten, hochfesten und hochflammhemmenden Stromkabels mit hervorragender Gesamtleistung. Zu den spezifischen Forschungsinhalten gehören:

1. Analysieren Sie systematisch die Leistungsanforderungen für jede Funktionsschicht des Kabels und ermitteln Sie wichtige Leistungsindikatoren.

2. Materialien für jede Funktionsschicht prüfen und optimieren und neue Verbundmaterialien entwickeln;

3. Entwerfen Sie eine angemessene mehrschichtige Verbundstruktur, um eine synergistische Leistungsoptimierung zu erreichen.

4. Optimierung der Herstellungsprozessparameter, um die Herstellungsqualität des Kabels sicherzustellen;

5. Richten Sie ein umfassendes Leistungstestsystem ein, um die Kabelleistung vollständig zu bewerten.

6. Analysieren Sie die langfristige Zuverlässigkeit des Kabels in verschiedenen Anwendungsumgebungen.

Durch die systematische Umsetzung der oben genannten Forschungsinhalte wird erwartet, dass ein Stromkabelprodukt entsteht, das hinsichtlich Verschleißfestigkeit, mechanischer Festigkeit, Flammschutz und anderen Aspekten ein international fortschrittliches Niveau erreicht und technische Unterstützung für Anwendungen in verwandten Bereichen bietet.

%1. Kabelmaterialauswahl und Leistungsanalyse

2.1 Auswahl und Modifikation der Außenmantelmaterialien

Der Außenmantel ist die äußerste Schutzstruktur des Kabels, die direkten mechanischen, chemischen und physikalischen Einwirkungen der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Herkömmliche PVC-Ummantelungen bieten zwar geringere Kosten, weisen jedoch eine geringe Abriebfestigkeit, unzureichende Witterungsbeständigkeit und Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Aufgrund seiner hervorragenden Abriebfestigkeit, Flexibilität und chemischen Korrosionsbeständigkeit wird in dieser Studie Polyurethan (PU) als Basismaterial für den Außenmantel ausgewählt.

Die Abriebfestigkeit ist einer der herausragendsten Vorteile von PU; Seine Verschleißfestigkeit ist 8–10-mal höher als die von gewöhnlichem Gummi und 20–30-mal höher als die von PVC. Dies profitiert vor allem von der Mikrophasentrennungsstruktur von harten und weichen Segmenten in der PU-Molekülkette: Harte Segmente sorgen für Festigkeit und Verschleißfestigkeit, während weiche Segmente Flexibilität und Elastizität bieten. Allerdings weist reines PU eine schlechte Flammhemmung auf, so dass eine Modifikation erforderlich ist, um die Flammhemmung zu verbessern.

Diese Studie verwendet eine Nanokomposit-Modifikationstechnologie, bei der sowohl Nano-Aluminiumtrihydroxid (Nano-ATH) als auch Flammschutzmittel auf Phosphorbasis synergetisch in die PU-Matrix eingearbeitet werden. Nano-ATH absorbiert mit seiner großen spezifischen Oberfläche und guten Dispergierbarkeit viel Wärme und setzt bei der Verbrennung Wasserdampf frei, was für kühlende und flammhemmende Wirkung sorgt. Flammschutzmittel auf Phosphorbasis fördern die Bildung einer Kohleschicht beim Verbrennen und isolieren so Sauerstoff und Hitze. Der synergistische Effekt dieser beiden verbessert die Flammschutzleistung von PU deutlich.

Leistungstestergebnisse des modifizierten PU-Verbundmaterials zeigen: Die Zugfestigkeit erreicht 25 MPa; Bruchdehnung erreicht 300 %; Abriebfestigkeit (Taber-Abrieb) verbessert sich im Vergleich zu reinem PU um 15 %; Der limitierende Sauerstoffindex (LOI) steigt von 18 % auf 28 % und erfüllt damit die Flammschutznorm UL 94 V-0.

2.2 Screening und Optimierung flammhemmender Materialien

Die flammhemmende Schicht ist eine entscheidende Strukturkomponente für den Brandschutz von Kabeln. In dieser Studie wird Silikonkautschuk aufgrund seiner hervorragenden Hochtemperaturbeständigkeit, elektrischen Isolationseigenschaften und Flammschutzleistung als Basismaterial für die flammhemmende Schicht ausgewählt. Bei hohen Temperaturen kann Silikonkautschuk eine stabile Siliziumdioxid-Schutzschicht bilden, die eine Flammenausbreitung wirksam verhindert.

Um die Flammschutzleistung von Silikonkautschuk weiter zu verbessern, wird in dieser Studie ein mineralischer Verbundfüllstoff aus Huntit/Hydromagnesit verwendet. Huntit (CaMg₃(CO₃)₄) und Hydromagnesit (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) sind natürliche mineralische Flammschutzmittel, die sich beim Erhitzen zersetzen und dabei Kohlendioxid und Wasserdampf freisetzen, wodurch brennbare Gase verdünnt und die Temperatur gesenkt werden.

Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass das Silikonkautschuk-Verbundmaterial bei einem Zusatz von Huntit/Hydromagnesit von 25 phr eine optimale Gesamtleistung erzielt. Auf diesem Niveau beträgt die Zugfestigkeit des Materials 5,68 MPa, die Bruchdehnung 147,7 % und der Grenzsauerstoffindex erreicht 30 %. In der Standardprüfung BS 6387 besteht dieses Material die C- und Z-Tests und weist eine hervorragende Flammschutzleistung auf.

Schematische Darstellung der Kabelstruktur

2.3 Design und Anwendung von Verstärkungsmaterialien

Die Hauptfunktion der Verstärkungsschicht besteht darin, die mechanische Festigkeit des Kabels zu erhöhen, insbesondere seine Zugfestigkeit und Druckfestigkeit. In dieser Studie wird als Verstärkungsstruktur eine Flechtschicht aus verzinktem Stahldraht verwendet, die folgende Vorteile bietet:

1. Hohe Festigkeit: Die Zugfestigkeit des Stahldrahtes kann 1000 MPa überschreiten und ist damit deutlich höher als die von gewöhnlichen Polymermaterialien.

2. Gute Flexibilität: Durch die geflochtene Struktur behält das Kabel bestimmte Biegeeigenschaften bei und behält gleichzeitig seine Festigkeit.

3. Korrosionsbeständigkeit: Die Zinkbeschichtung verhindert wirksam die Korrosion von Stahldrähten und verlängert so die Lebensdauer.

4. Elektromagnetische Abschirmwirkung : Die Metallgeflechtschicht bietet eine hervorragende elektromagnetische Abschirmleistung.

Zu den Designparametern für die Flechtschicht aus Stahldraht gehören Drahtdurchmesser, Flechtdichte und Flechtwinkel. Durch Optimierung wurden in dieser Studie die optimalen Flechtparameter ermittelt: ein Drahtdurchmesser von 0,3 mm, eine Flechtdichte von 85 % und ein Flechtwinkel von 45°. Mit diesen Parametern erreicht das Kabel eine Zugfestigkeit von 50 kN und einen Biegeradius vom sechsfachen Kabelaußendurchmesser.

Darüber hinaus wurde in dieser Studie ein Aramidfaser-Verstärkungsband in die Verstärkungsschicht eingearbeitet, um die Schlagfestigkeit und Schnittfestigkeit des Kabels weiter zu verbessern. Aramidfasern verfügen über hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohen Modul und hohe Temperaturbeständigkeit und erzeugen einen ergänzenden Verstärkungseffekt mit der Stahldrahtgeflechtschicht.

2.4 Leistungsanforderungen an Isoliermaterialien

Die Isolierschicht ist die Kernstruktur, die die elektrische Sicherheit des Kabels gewährleistet. In dieser Studie wird vernetztes Polyethylen (XLPE) aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und mechanischen Leistung als Isoliermaterial ausgewählt.

Zu den Leistungsanforderungen für XLPE gehören hauptsächlich:

1. Elektrische Eigenschaften: Volumenwiderstand ≥ 1×10⊃1;⁴ Ω·cm, Durchschlagsfestigkeit ≥ 30 kV/mm, Dielektrizitätskonstante ≤ 2,3;

2.Thermische Eigenschaften: Langzeitbetriebstemperatur 90°C, kurzfristige Überlasttemperatur 130°C, Kurzschlusstemperatur 250°C;

3. Mechanische Eigenschaften: Zugfestigkeit ≥ 15 MPa, Bruchdehnung ≥ 300 %;

4. Umweltbeständigkeit: Hervorragende Beständigkeit gegen Wasserbaumbildung, gute chemische Korrosionsbeständigkeit.

Um die Leistung von XLPE weiter zu verbessern, wurden in dieser Studie die folgenden Modifikationstechniken übernommen:

1. Nanomodifikation: Zugabe von Nano-Silica, um die Beständigkeit des Materials gegen Wasserbaumbildung und die mechanische Festigkeit zu verbessern;

2. Optimierung des Antioxidationssystems: Einführung eines zusammengesetzten Antioxidationssystems zur Verbesserung der thermischen Stabilität des Materials und der langfristigen Betriebszuverlässigkeit;

3. Optimierung des Vernetzungsprozesses: Einsatz eines Silan-Vernetzungsprozesses zur Steuerung des Vernetzungsgrads und der Gleichmäßigkeit.

Leistungstestergebnisse des modifizierten XLPE-Materials zeigen: Der spezifische Volumenwiderstand erreicht 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, die Durchschlagsfestigkeit erreicht 35 kV/mm, die Zugfestigkeit erreicht 18 MPa, die Bruchdehnung erreicht 350 % und die Langzeitbetriebstemperatur wird auf 105 °C erhöht.

3. Entwurf und Herstellungsprozess der Kabelstruktur

3.1 Designprinzipien der mehrschichtigen Verbundstruktur

Das in dieser Studie entwickelte verschleißfeste, hochfeste und hochflammhemmende Stromkabel verwendet eine mehrschichtige Verbundstruktur, bei der jede Funktionsschicht synergetisch arbeitet, um eine optimale Gesamtleistung zu erzielen. Der Gesamtaufbau des Kabels, von außen nach innen, ist wie folgt:

1. Äußere Mantelschicht: 2,0 mm dickes Verbundmaterial auf Polyurethanbasis, das eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Witterungsbeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit bietet;

2. Flammhemmende Schicht: Dicke 1,5 mm, Silikonkautschuk/Huntite-Verbundmaterial, das eine hervorragende Flammschutzleistung und Hochtemperaturbeständigkeit bietet;

3. Panzerschicht: Dicke 1,0 mm, Geflechtschicht aus verzinktem Stahldraht, die eine hohe mechanische Festigkeit und Schlagfestigkeit bietet.；

4. Innere Mantelschicht: Dicke 1,0 mm, XLPE-Isoliermaterial, das eine hervorragende elektrische Isolationsleistung bietet;

5. Abschirmungsschicht: Dicke 0,5 mm, Aluminiumfolienummantelung + Kupferdrahtgeflecht-Verbundstruktur, die elektromagnetische Abschirmung und Anti-Interferenz-Leistung bietet;

6. Leiter: Verseilter Kupferleiter, dessen Querschnittsfläche je nach Anwendungsanforderungen bestimmt wird;

7. Füllmaterial : Flammhemmende Faserfüllung, die die Rundheit und Stabilität der Kabelstruktur gewährleistet.

Das Dickendesign jeder Funktionsschicht basiert auf mechanischen Analysen und Leistungsanforderungen. Die äußere Mantelschicht muss ausreichend dick sein, um äußerem Abrieb und mechanischen Einwirkungen standzuhalten; die flammhemmende Schicht muss entsprechend dick sein, um einen wirksamen Brandschutz zu gewährleisten; Die Dicke der Panzerungsschicht wird anhand der Anforderungen an die Zugfestigkeit des Kabels bestimmt. und die Dicke der Isolationsschicht wird entsprechend der Betriebsspannung und den elektrischen Sicherheitsanforderungen bestimmt.

Das Konstruktionsprinzip der mehrschichtigen Verbundstruktur basiert auf funktionaler Trennung und synergistischer Erweiterung . Jede Funktionsschicht konzentriert sich auf spezifische Leistungsanforderungen. Durch rationales Schnittstellendesign und Materialauswahl wird eine synergistische Leistungssteigerung erreicht. Beispielsweise wird durch eine starke Grenzflächenbindung zwischen der äußeren Mantelschicht und der flammhemmenden Schicht gebildet chemische Bindung und physikalische Verzahnung , die sicherstellt, dass es bei mechanischer Belastung nicht zu einer Delamination kommt.

3.2 Leiterdesign und -optimierung

Der Leiter ist der Kernbestandteil des Kabels zur Übertragung elektrischer Energie. Diese Studie verwendet hochreines sauerstofffreies Kupfer als Leitermaterial und erreicht eine Leitfähigkeit von 101 % IACS (International Annealed Copper Standard) und einen spezifischen Widerstand von nur 1,7241×10⁻⁸ Ω·m.

Der strukturelle Aufbau des Leiters basiert auf einer mehradrigen Verseilmethode und bietet folgende Vorteile:

1. Hervorragende Flexibilität: Die Verseilung mehrerer feiner Drähte verleiht dem Kabel eine gute Biegeleistung und eignet sich daher für die Installation in komplexen Umgebungen.

2. Hohe Zuverlässigkeit: Selbst wenn einzelne Drähte brechen, bleibt die gesamte Leitfähigkeit des Kabels unbeeinträchtigt.

Zu den Verseilungsparametern des Leiters gehören der Einzeldrahtdurchmesser, die Verseilungssteigung und die Verseilungsrichtung. Durch Optimierung wurden in dieser Studie die optimalen Verseilungsparameter ermittelt: ein Einzeldrahtdurchmesser von 0,3 mm , eine Verseilungssteigung vom 12-fachen Leiterdurchmesser und die äußerste Verseilungsrichtung auf links eingestellt (Z-Richtung)..

Für Leiter mit großem Querschnitt wird in dieser Studie die Formpresstechnik eingesetzt , bei der runde Leiter in fächerförmige oder fliesenförmige Profile gepresst werden. Dadurch wird der Gesamtaußendurchmesser des Kabels reduziert und die Raumausnutzung verbessert. Das Formpressen trägt außerdem dazu bei, Grate und Vorsprünge auf der Leiteroberfläche zu minimieren und die Gleichmäßigkeit der Isolationsschicht zu verbessern.

Die Querschnittsfläche des Leiters wird anhand der Anforderungen an die Strombelastbarkeit des Kabels bestimmt . Diese Studie hat eine Reihe von Produkten mit Querschnittsflächen von 1,5 mm² bis 240 mm² entwickelt , die den Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien gerecht werden.

3.3 Ablauf des Herstellungsprozesses

Der Herstellungsprozess für verschleißfeste, hochfeste und hochflammhemmende Stromkabel ist komplex und erfordert eine präzise Kontrolle der Parameter in jeder Phase. Der Hauptprozessablauf umfasst:

1. Leiterherstellung:

○ Ziehen von Kupferstäben: Ziehen eines Kupferstabs mit 8 mm Durchmesser durch eine Drahtziehmaschine, um einzelne Drähte mit dem erforderlichen Durchmesser herzustellen.；

○ Einzeldrahtglühen: Durchführen des Glühens in einer Schutzatmosphäre, um Kaltverfestigungen zu vermeiden und die Flexibilität zu verbessern.

○ Leiterverseilung: Verseilung mehrerer Einzeldrähte entsprechend den Auslegungsparametern zur Bildung des Leiterkerns.。

1. Isolierungsextrusion: ：

○ Materialvorbehandlung: Trocknen von XLPE-Pellets zur Entfernung von Feuchtigkeit.

○ Extrusionsformen: Gleichmäßiges Beschichten der Leiteroberfläche mit XLPE-Material durch einen Extruder.

○ Vernetzungsbehandlung: Einsatz eines Silan-Vernetzungsprozesses zur Durchführung der Vernetzungsreaktion in einer Dampfumgebung.

○ Kühlung und Formgebung: Kühlung über eine Wasserkühlwanne zur Formgebung der Dämmschicht.

2. Herstellung der Abschirmschicht:

○ Aluminiumfolienumwicklung: Spiralförmige Umwicklung eines Aluminiumfolienbandes auf der Oberfläche der Dämmschicht.

○ Kupferdrahtgeflecht: Flechten einer Kupferdraht-Abschirmschicht über die Aluminiumfolienschicht.

○ Schweißbehandlung: Schweißen der Enden der geflochtenen Schicht, um die elektrische Kontinuität sicherzustellen.

3. Kabelformungsprozess:

○ Aderverseilung: Verseilung mehrerer isolierter Adern gemäß der geplanten Struktur.

○ Füllbehandlung: Füllen der Lücken in der Litzenstruktur mit flammhemmendem Fasermaterial.

○ Wickelschutz: Verwendung von Vliesstoffband zum Wickelschutz, um Schäden zu vermeiden.

4. Herstellung der Panzerschicht: ：

○ Flechten aus Stahldraht: Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-Flechtmaschine zum Flechten von verzinktem Stahldraht.

○ Spannungskontrolle: Präzise Kontrolle der Flechtspannung, um die Flechtqualität sicherzustellen.

○ Endbehandlung: Sichern der Enden der geflochtenen Schicht.

5. Extrusion der flammhemmenden Schicht:

○ Materialmischung: Gründliches Mischen des Silikonkautschuk-Grundmaterials mit Huntite-Füllstoff.

○ Extrusionsbeschichtung: Beschichten der Panzerschicht mit dem flammhemmenden Material mithilfe eines Extruders.；

○ Vulkanisationsbehandlung: Durchführung der Vulkanisationsreaktion bei hohen Temperaturen zur Bildung einer vernetzten Struktur.。

6. Extrusion der Außenhülle:

○ Materialvorbereitung: Schmelzen des modifizierten Polyurethan-Verbundmaterials.

○ Extrusionsformen: Extrudieren und Beschichten des Außenmantelmaterials mithilfe eines Extruders.

○ Kühlung und Formgebung: Kühlung und Formgebung durch ein mehrstufiges Kühlsystem.

○ Oberflächenbehandlung: Durchführen von Oberflächenglättungen und Drucken von Identifikationsmarkierungen.

Der gesamte Herstellungsprozess erfordert eine strenge Kontrolle von Parametern wie Temperatur, Druck und Geschwindigkeit, um die Qualität jeder Funktionsschicht und die Stärke der Grenzflächenbindungen sicherzustellen. Schlüsselprozesse nutzen Online-Erkennungstechnologie zur Echtzeitüberwachung der Produktqualität.

3.4 Kontrolle wichtiger Prozessparameter

Die wichtigsten Prozessparameter bei der Kabelherstellung haben direkten Einfluss auf die Endleistung des Produkts. Durch experimentelle Optimierung wurden in dieser Studie die folgenden kritischen Prozessparameter ermittelt:

1. Steuerung der Extrusionstemperatur: :

○ XLPE-Isolierungsextrusion : Zylindertemperatur 110–130 °C, Kopftemperatur 120–140 °C, Düsentemperatur 130–150 °C;

○ Extrusion der flammhemmenden Schicht aus Silikonkautschuk : Zylindertemperatur 70–90 °C, Kopftemperatur 80–100 °C, Düsentemperatur 90–110 °C;

○ Extrusion des Außenmantels aus Polyurethan : Zylindertemperatur 180–200 °C, Kopftemperatur 190–210 °C, Düsentemperatur 200–220 °C.

1. Kontrolle des Vernetzungsprozesses:

○ Silanvernetzung : Vernetzungstemperatur 85–95 °C, Vernetzungszeit 4–6 Stunden, Dampfdruck 0,3–0,5 MPa;

○ Vulkanisation von Silikonkautschuk : Vulkanisationstemperatur 160–180 °C, Vulkanisationszeit 10–15 Minuten.

2. Spannungskontrolle: ：

○ Leiterverseilungsspannung : Einzeldrahtspannung kontrolliert auf 10–15 % der Bruchfestigkeit;

○ Flechtspannung : Die Spannung des Stahldrahtgeflechts wird auf 20–25 % der Bruchfestigkeit kontrolliert;

○ Aufwickelspannung : Die Aufwickelspannung wird gleichmäßig gehalten, um eine Verformung des Kabels zu verhindern.

3. Kühlsteuerung:

○ Kühlung der Isolierschicht : Einführung einer stufenweisen Kühlung: Wassertemperatur der ersten Stufe 60–70 °C, zweite Stufe 40–50 °C, dritte Stufe 20–30 °C;

○ Außenmantelkühlung : Einsatz einer Kombination aus Luftkühlung und Wasserkühlung, um eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten.

4. Schnittstellenbehandlung:

○ Oberflächenbehandlung : Durchführung einer Plasmabehandlung oder chemischen Behandlung auf der Oberfläche jeder Funktionsschicht, um die Grenzflächenbindungsfestigkeit zu verbessern;

○ Klebstoffauswahl: Auswahl von Klebstoffen mit guter Kompatibilität mit den Substratmaterialien, um eine starke Grenzflächenbindung zu gewährleisten. Durch die präzise Steuerung dieser wichtigen Prozessparameter kann die Qualitätsstabilität jeder Funktionsschicht des Kabels sichergestellt, die Grenzflächenbindung zuverlässig gestaltet werden und das Endprodukt eine hervorragende Leistung erzielen.

4. Leistungstest- und Bewertungsmethoden

4.1 Prüfnormen für Flammhemmung

Flammwidrigkeit ist ein zentraler Sicherheitsindikator für Stromkabel. Mit dieser Studie wurde ein umfassendes Flammschutztestsystem basierend auf internationalen Standards etabliert, das hauptsächlich die folgenden Testpunkte umfasst:

5. Einzeldraht-Vertikalflammentest (IEC 60332-1):

○ Testmethode: Eine 1,5 Meter lange Kabelprobe wird vertikal aufgehängt und eine bestimmte Flamme (1 kW Leistung) wird 60 Sekunden lang auf das untere Ende gerichtet.

○ Qualifikationsstandard: Nach dem Erlöschen der Flamme darf die verkohlte Länge 2,5 Meter nicht überschreiten und die Flamme breitet sich nicht bis zum oberen Ende der Probe aus.

6. Vertikaler Flammentest für gebündelte Kabel (IEC 60332-3):

○ Testmethode: Mehrere Kabel werden gebündelt und auf einem vertikalen Leitergestell installiert und 40 Minuten lang einer bestimmten Flamme (20,5 kW Leistung) ausgesetzt.

○ Klassifizierungsstandard: Basierend auf der Flammenausbreitungshöhe und der Verkohlungslänge wird er in vier Klassen (A, B, C, D) eingeteilt, wobei Klasse A die strengste ist.

Ziel dieser Studie:

4.1 Prüfnormen für die Flammhemmung (Fortsetzung)

7. Feuerwiderstandstest (IEC 60331):

○ Testmethode: Das Kabel wird 3 Stunden lang einer 750 °C heißen Flamme ausgesetzt, während seine Nennspannung angelegt wird.

○ Qualifikationsstandard: Das Kabel behält die elektrische Kontinuität bei und sein Isolationswiderstand fällt nicht unter den angegebenen Wert.

○ Besondere Anforderung: Nach der Prüfung muss das Kabel der spezifizierten mechanischen Belastung standhalten.

8. Umfassender Brandtest (BS 6387):

○ C-Test: 3 Stunden lang einer 950 °C heißen Flamme ausgesetzt, um die Feuerbeständigkeit des Kabels unter Hochtemperaturflammen zu bewerten;

○ W-Test: 15-minütige Einwirkung einer 650 °C heißen Flamme, gefolgt von 30-minütigem Besprühen mit Wasser, um die Leistung unter Sprinklerbedingungen zu simulieren;

○ Z-Test: 15-minütige Einwirkung einer 950 °C heißen Flamme unter gleichzeitiger Anwendung mechanischer Stöße, um die Leistung des Kabels bei Stößen während eines Brandes zu bewerten;

○ Höchste Bewertung: CWZ , was bedeutet, dass das Kabel gleichzeitig die C-, W- und Z-Tests bestehen kann.

9. Amerikanische UL-Standardtests:

○ UL 910 (CMP-Bewertung) : Für Kabel, die in Plenums verwendet werden und die höchste Flammschutzklasse erfordern;

○ UL 1666 (CMR-Bewertung) : Für vertikale Steigkabel zwischen Etagen;

○ UL 1581 (CM/CMG-Bewertung) : Für Allzweckkabel;

○ UL 1581 VW-1 : Ein vertikaler Flammentest mit strengen Anforderungen.

10. Europäischer Standardtest (EN 50575):

○ Klasse B1 : Höchste Brandschutzklasse, geeignet für Standorte mit extrem hohen Brandschutzanforderungen;

○ Klasse B2 : Hohe Brandschutzklasse, geeignet für wichtige Gebäude;

○ Klasse C : Mittlere Brandschutzklasse, geeignet für allgemeine Gebäude;

○ Klasse D : Grundlegende Brandschutzklasse.

Vergleichstabelle für Kabelteststandards

4.2Methoden zur Prüfung der mechanischen Leistung

Die mechanische Leistung ist ein entscheidender Indikator für die Bewertung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Kabeln. Diese Studie hat ein umfassendes System zur Prüfung der mechanischen Leistung etabliert:

11. Zugfestigkeitstest:

○ Prüfstandard : GB/T 2951.11 / IEC 60811-1-1;

○ Testmethode : Die Kabelprobe wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt und mit einer festgelegten Geschwindigkeit bis zum Bruch gedehnt;

○ Testparameter : Zuggeschwindigkeit 50 mm/min, Testtemperatur 23 ± 2 °C;

○ Bewertungsmetriken : Maximale Zugkraft, Zugfestigkeit, Bruchdehnung.

12. Biegeleistungstest:

○ Wiederholter Biegetest : Das Kabel wird wiederholt um einen Zylinder mit einem bestimmten Durchmesser gebogen und die Anzahl der Biegungen bis zum Bruch wird aufgezeichnet.

○ Unidirektionaler Biegetest : Bewertet die Fähigkeit des Kabels, die Leistung in einem fest gebogenen Zustand aufrechtzuerhalten;

○ Prüfung des Mindestbiegeradius : Bestimmt den kleinsten Radius, bei dem das Kabel sicher gebogen werden kann.

13. Verschleißfestigkeitstest:

○ Taber-Abriebtest : Verwendung eines Taber 5750 Linear Abraser zur Bewertung der Verschleißfestigkeit der Kabeloberfläche;

○ Kratzabriebtest : Entspricht der Norm ISO 6722 und simuliert die Verschleißbedingungen von Kabeln in Fahrzeugen;

○ Kabelkratztest : Entspricht der Norm IEC 60794-1-2 und bewertet die Verschleißfestigkeit der Kabelschutzschicht.

14. Schlagleistungstest:

○ Fallgewichts-Aufpralltest : Bewertet die Widerstandsfähigkeit des Kabels gegen Beschädigungen unter Stoßbelastung;；

○ Pendelschlagtest: Misst die Schlagzähigkeit des Kabels.

15. Komprimierungsleistungstest:

○ Flachplatten-Kompressionstest : Bewertet die Verformungs- und Erholungsfähigkeit des Kabels unter Druck;

○ Dreipunkt-Biegetest : Misst die Biegesteifigkeit und -festigkeit des Kabels.

4.3 Anforderungen an elektrische Leistungstests

Die elektrische Leistung ist die grundlegende Funktionsanforderung an Stromkabel. Diese Studie hat ein strenges System zur Prüfung der elektrischen Leistung etabliert:

16. Leiterwiderstandstest:

○ Teststandard: GB/T 3048.4 / IEC 60228;

○ Testmethode: Messung des Gleichstromwiderstands des Leiters mit einem Doppelbrücken- oder Mikroohmmeter;

○ Akzeptanzkriterium: Der Leiterwiderstand bei 20 °C überschreitet nicht den angegebenen Wert.

16. Isolationswiderstandstest:

○ Teststandard: GB/T 3048.5 / IEC 60229;

○ Testmethode: Anlegen einer 500-V-Gleichspannung zur Messung des Isolationswiderstands;

○ Akzeptanzkriterium: Der Isolationswiderstand liegt nicht unter dem angegebenen Wert (typischerweise ≥ 100 MΩ·km).

17. Spannungsfestigkeitstest:

○ Netzfrequenz-Stehspannungstest: Anlegen einer spezifizierten Netzfrequenzspannung (z. B. 3,5 U₀) für 5 Minuten ohne Ausfall;

○ DC-Spannungsfestigkeitstest: Anlegen einer spezifizierten DC-Spannung für 15 Minuten, wobei der stabile Leckstrom den spezifizierten Wert nicht überschreitet.

18. Teilentladungstest:

○ Teststandard: GB/T 3048.12 / IEC 60270;

○ Testmethode: Messung der Teilentladungsgröße bei einer Spannung von 1,73 U₀;

○ Akzeptanzkriterium: Die Teilentladungsstärke überschreitet nicht 5 pC.

19. Kapazitäts- und dielektrischer Verlusttest:

○ Testmethode: Messung der Arbeitskapazität und des dielektrischen Verlustfaktors des Kabels;

○ Bewertungsmetriken: Der Kapazitätswert entspricht den Designanforderungen, der Wert des dielektrischen Verlustfaktors ist niedrig.

4.4 Prüfung der Umweltverträglichkeit

Im praktischen Einsatz sind Kabel unterschiedlichen, komplexen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Diese Studie hat ein umfassendes System zur Prüfung der Umweltverträglichkeit etabliert:

20. Thermischer Alterungstest:

○ Teststandard: GB/T 2951.12 / IEC 60811-1-2;

○ Testmethode: Kabelproben werden für eine definierte Dauer (z. B. 168 Stunden) bei einer bestimmten Temperatur (z. B. 200 °C) in einen Ofen gelegt;

○ Bewertungsmetriken: Die Änderungsrate der mechanischen und elektrischen Eigenschaften vor und nach dem Test.

21. Ölbeständigkeitstest:

○ Testmethode: Kabelproben werden für eine definierte Dauer (z. B. 24 Stunden) bei einer bestimmten Temperatur (z. B. 70 °C) in Öl getaucht;

○ Bewertungsmetriken: Änderungen des Gewichts, der mechanischen Eigenschaften und der elektrischen Eigenschaften vor und nach dem Test.

22. Chemischer Korrosionsbeständigkeitstest:

○ Testmethode: Kabelproben werden in chemische Lösungen wie Säuren und Laugen getaucht, um ihre Korrosionsbeständigkeit zu bewerten;

○ Bewertungsmetriken: Änderungen im Aussehen, in den mechanischen Eigenschaften und in den elektrischen Eigenschaften.

23. Feuchtigkeits-Hitzebeständigkeitstest: ：

○ Testmethode: Kabelproben werden für eine bestimmte Dauer einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit (z. B. 40 °C, 95 % relative Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt.

○ Bewertungsmetriken: Änderungen des Isolationswiderstands und des Erscheinungsbilds.

24. UV-Beständigkeitstest:

○ Teststandard: GB/T 16422.3;

○ Testmethode: Kabelproben werden in eine UV-Alterungskammer gelegt und für eine bestimmte Dauer (z. B. 1000 Stunden) bestrahlt;

○ Bewertungsmetriken: Farbveränderung, Oberflächenrisse, Veränderungen der mechanischen Eigenschaften.

25. Leistungstest bei niedrigen Temperaturen:

○ Testmethode: Kabelproben werden in eine Umgebung mit niedriger Temperatur (z. B. -40 °C) gebracht und Biege-, Schlag- und anderen Tests unterzogen;

○ Bewertungsmetriken: Flexibilität und Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen.

5. Experimentelle Ergebnisse und Analyse

5.1 Ergebnisse des Materialleistungstests

Durch systematische Tests der Materialien für jede Funktionsschicht wurden detaillierte Leistungsdaten ermittelt:

Außenmantelmaterial (modifiziertes Polyurethan):

● Zugfestigkeit: 25,3 ± 1,2 MPa

● Bruchdehnung: 305 ± 15 %

● Shore-Härte: 85 ± 2 A

● Taber-Abrieb (CS-10-Rad, 1000 g, 1000 Zyklen): 35 ± 3 mg

● Limitierender Sauerstoffindex (LOI): 28,5 ± 0,5 %

● UL 94-Bewertung: V-0

● Betriebstemperaturbereich: -40 °C bis +110 °C

Flammhemmendes Schichtmaterial (Silikonkautschuk/Huntite-Verbundstoff):

● Zugfestigkeit: 5,68 ± 0,25 MPa

● Bruchdehnung: 147,7 ± 8,5 %

● Limitierender Sauerstoffindex (LOI): 30,2 ± 0,8 %

● Thermische Zersetzungstemperatur (TGA, 5 % Gewichtsverlust): 325 ± 10 °C

● Rauchdichte (NBS-Rauchkammer): 75 ± 5

● Toxizitätsindex (CIT): 2,5 ± 0,3

Isoliermaterial (modifiziertes XLPE):

● Volumenwiderstand: 6,5×10⊃1;⁴ ± 0,5×10⊃1;⁴ Ω·cm

● Spannungsfestigkeit: 35,2 ± 1,5 kV/mm

● Dielektrizitätskonstante (50 Hz): 2,28 ± 0,05

● Verlustfaktor (50 Hz): 0,0005 ± 0,0001

● Zugfestigkeit: 18,3 ± 0,8 MPa

● Bruchdehnung: 352 ± 18 %

● Water-Treeing-Widerstand: 42-tägiger beschleunigter Water-Treeing-Test bestanden

Leitermaterial (sauerstofffreies Kupfer):

● Leitfähigkeit: 101,2 ± 0,5 % IACS

● Spezifischer Widerstand: 1,724×10⁻⁸ ± 0,005×10⁻⁸ Ω·m

● Zugfestigkeit: 220 ± 10 MPa

● Dehnung: 35 ± 3 %

5.2 Umfassende Bewertung der Kabelleistung

Das entwickelte verschleißfeste, hochfeste und hochflammhemmende Stromkabel wurde einem umfassenden Leistungstest unterzogen, mit folgenden Ergebnissen:

Ergebnisse des Flammschutztests:

26. Einzeldraht-Vertikalflammtest nach IEC 60332-1: Bestanden , verkohlte Länge 1,8 m.

27. Vertikaler Flammentest für gebündelte Kabel nach IEC 60332-3A: Bestanden , Flammenausbreitungshöhe 1,2 m.

28. Feuerwiderstandstest nach IEC 60331: Bestanden , elektrische Kontinuität bei 750 °C für 3 Stunden aufrechterhalten.

29. Umfassender Brandtest nach BS 6387:

○ C-Test: Bestanden , Schaltungsintegrität bei 950 °C für 3 Stunden aufrechterhalten.

○ W-Test: Bestanden , Schaltungsintegrität unter Wassersprühbedingungen aufrechterhalten.

○ Z-Test: Bestanden , Schaltungsintegrität unter mechanischer Einwirkung erhalten.

○ Gesamtbewertung: CWZ (höchste Bewertung).

30. UL 910 (CMP) Test: Bestanden , Flammenausbreitungslänge ≤ 1,5 m.

31. EN 50575 Brandverhaltensklasse: Klasse B1 (höchste Klasse).

Ergebnisse des mechanischen Leistungstests:

32. Zugfestigkeit: Zugfestigkeit in Längsrichtung 52,5 ± 2,5 kN.

33. Biegeleistung:

○ Wiederholte Biegezyklen: >30.000 Zyklen (kein Schaden).

○ Mindestbiegeradius: 6-facher Außendurchmesser des Kabels.

32. Verschleißfestigkeit:

○ Taber-Abrasion: Nach 10.000 Zyklen Verschleißtiefe < 0,5 mm.

○ Kratzabrieb: Den ISO 6722-Standardtest bestanden.

33. Schlagleistung:

○ Aufprall durch Fallgewicht: Keine sichtbaren Schäden unter einer Aufprallenergie von 5 J.

○ Pendelschlag: Schlagfestigkeit 45 kJ/m².

34. Komprimierungsleistung:

○ Flachplattenkompression: Verformungsrate < 15 % unter 1000 N Druck, Erholungsrate > 85 %.

Ergebnisse des elektrischen Leistungstests:

35. Leiterwiderstand: Entspricht den Standardanforderungen GB/T 3956.

36. Isolationswiderstand: > 5.000 MΩ·km (bei 20 °C).

37. Netzfrequenzfestigkeit: 3,5U₀/5min-Test bestanden, kein Ausfall.

38. Teilentladung: < 3 pC (bei 1,73 U₀ Spannung).

39. Kapazität und dielektrischer Verlust: Erfüllt die Designanforderungen.

Ergebnisse des Umweltverträglichkeitstests:

40. Thermischer Alterungstest (200°C/168h):

○ Beibehaltung der Zugfestigkeit: > 85 %.

○ Bruchdehnungserhaltung: > 80 %.

○ Änderungsrate des Isolationswiderstands: < 20 %.

41. Ölbeständigkeitstest (70°C/24h):

○ Gewichtsveränderungsrate: < 2 %.

○ Beibehaltungsrate der mechanischen Leistung: > 90 %.

42. Chemischer Korrosionsbeständigkeitstest:

○ Eintauchen in 10 %ige Schwefelsäurelösung für 168 Stunden: Keine Veränderung des Aussehens, Leistungserhaltungsrate > 85 %.

○ Eintauchen in 10 %ige Natriumhydroxidlösung für 168 Stunden: Keine Veränderung des Aussehens, Leistungserhaltungsrate > 88 %.

43. Feuchthitzebeständigkeitstest (40 °C, 95 % relative Luftfeuchtigkeit / 1000 Stunden):

○ Isolationswiderstand: > 1.000 MΩ·km.

○ Aussehen: Kein Schimmel, keine Korrosion.

44. Ultraviolett (UV)-Beständigkeitstest (1000 Stunden):

○ Farbänderung: ΔE < 3.

○ Oberflächenzustand: Keine Risse, keine Kreidung.

45. Leistungstest bei niedrigen Temperaturen (-40 °C):

○ Biegen bei niedriger Temperatur: Biegetest bei -40 °C bestanden.

○ Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen: Schlagprüfung bei -40 °C bestanden.

5.3 Leistungsvergleich mit herkömmlichen Kabeln

Um die Innovation dieser Forschung objektiv zu bewerten, wurde ein Leistungsvergleich zwischen den entwickelten Kabel- und Mainstream-Kabelprodukten durchgeführt, die auf dem Markt erhältlich sind:

	Leistungsindikatoren	Traditionelle PVC-Kabel	Standard-XLPE-Kabel	Die in dieser Studie untersuchten Kabel	Verbesserung
Abriebfestigkeit	Schlecht (Taber-Abrieb > 200 mg)	Mäßig (Taber-Abrieb 150 mg)	Ausgezeichnet (Taber-Abrieb 35 mg)	Um 76 % erhöht
Flammhemmende Bewertung	VW-1	V-0	CWZ	Die höchste Bewertung
Zugfestigkeit	15 MPa	18 MPa	25 MPa	Um 39 % erhöht
Betriebstemperatur	70℃	90℃	110℃	Um 22 % erhöht
Chemischer Widerstand	Arm	Mäßig	Exzellent	Deutlich verbessert
Lebensdauer	15 Jahre	20 Jahre	> 30 Jahre	Um 50 % verlängert
Wartungskosten	Hoch	Mäßig	Niedrig	Um 40 % reduziert

Wie aus den Vergleichsergebnissen hervorgeht, übertrifft das in dieser Studie entwickelte Kabel herkömmliche Kabelprodukte in allen Leistungskennzahlen deutlich. Insbesondere in puncto Abriebfestigkeit und Flammschutz erfüllt es die höchsten internationalen Standards.

5.4 Langzeitzuverlässigkeitsanalyse

Um die Langzeitzuverlässigkeit der Kabel zu bewerten, wurden beschleunigte Alterungstests und Lebensdauervorhersageanalysen durchgeführt:

Beschleunigter Alterungstest:

1. Thermischer Alterungstest: Beschleunigte Alterungstests wurden bei drei Temperaturen – 140 °C, 150 °C und 160 °C – gemäß der Arrhenius-Gleichung mit Testdauern von 1000 h, 500 h bzw. 250 h durchgeführt.

2. Alterungstest bei feuchter Hitze: Der beschleunigte Alterungstest wurde 1000 Stunden lang bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt.

3. Alterungstest unter mechanischer Belastung: Der Alterungstest wurde 1000 Stunden lang unter konstanter Zugspannung (50 % der Bruchfestigkeit) durchgeführt.

Ergebnisse der Lebensdauervorhersage:

Basierend auf den Daten aus beschleunigten Alterungstests wurde das Arrhenius-Modell zur Vorhersage der Lebensdauer angewendet:

● Bei einer Betriebstemperatur von 90 °C beträgt die vorhergesagte Lebensdauer 35 Jahre (mit 90 %iger Sicherheit);

● Bei einer Betriebstemperatur von 105 °C beträgt die vorhergesagte Lebensdauer 25 Jahre (mit 90 %iger Sicherheit);

● Unter extremen Bedingungen (120 °C) beträgt die vorhergesagte Lebensdauer 15 Jahre (mit 90 %iger Sicherheit).

Fehlermodusanalyse: Durch langfristige Zuverlässigkeitstests wurden die primären Fehlermodi des Kabels identifiziert:

4. Alterung der Isolierung: Die Spaltung der Molekülkette in XLPE unter anhaltend hohen Temperaturen führt zur Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften.

5. Grenzflächendelaminierung: Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Materialschichten verursachen Grenzflächenspannungen, die möglicherweise zu einer Delaminierung führen.

6. Mechanische Ermüdung: Wiederholtes Biegen und Vibrationen führen zu Materialermüdungsschäden.

7. Umweltkorrosion: Chemische Korrosion und UV-Einwirkung führen zu einer Verschlechterung der Materialleistung.

Entsprechende Schutzmaßnahmen in dieser Studie:

8. Optimierte Isoliermaterialformulierung zur Verbesserung der thermischen Stabilität.

9. Angewandte Grenzflächenbehandlungstechnologie zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen den Schichten.

10. Entwarf eine rationale Struktur, um die Stresskonzentration zu reduzieren.

11. Ausgewählte wetterbeständige Materialien zur Verbesserung der Umweltanpassungsfähigkeit.

6. Anwendungsaussichten und Zukunftsaussichten
6.1 Anwendungsdomänenanalyse

Das verschleißfeste, hochfeste und flammhemmende Stromkabel bietet mit seiner herausragenden Gesamtleistung breite Anwendungsperspektiven in zahlreichen Bereichen:

1. Bergbauindustrie:

● Anwendungsszenarien: Untertagebergbauausrüstung, Fördersysteme, Beleuchtungssysteme usw.

● Technische Anforderungen: Hohe Abriebfestigkeit, explosionsgeschützt, flammhemmend und resistent gegen mechanische Einwirkungen.

● Marktpotenzial: Chinas Bergbaukabelmarkt wird auf etwa 20 Milliarden Yen pro Jahr geschätzt, mit starker Nachfrage nach High-End-Produkten.

2. Offshore-Engineering:

● Anwendungsszenarien: Offshore-Plattformen, Unterseekabel, Schiffsenergiesysteme.

● Technische Anforderungen: Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser, hohe Drucktoleranz, Flammwidrigkeit und lange Lebensdauer.

● Marktpotenzial: Mit der beschleunigten Entwicklung der Meeresressourcen wächst die Nachfrage nach Spezialkabeln rapide.

3. Schienenverkehr:

● Anwendungsszenarien: U-Bahn, Hochgeschwindigkeitszug, Stadtbahnstromversorgungssysteme.

● Technische Anforderungen: Brandschutz, Vibrationsfestigkeit, geringe Rauchentwicklung und Halogenfreiheit.

● Marktpotenzial: Die kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsentwicklung des Schienenverkehrsbaus in China führt zu einem stetigen Wachstum der Kabelnachfrage.

4. Industrielle Automatisierung:

● Anwendungsszenarien: Roboter, automatisierte Produktionslinien, Logistiksysteme.

● Technische Anforderungen: Hohe Flexibilität, Öl- und Verschmutzungsbeständigkeit sowie Anti-Interferenz-Fähigkeiten.

● Marktpotenzial: Die Weiterentwicklung der intelligenten Fertigung erhöht die Nachfrage nach Spezialkabeln.

5. Neuer Energiesektor:

● Anwendungsszenarien: Windkraft, Photovoltaik-Stromerzeugung, Energiespeichersysteme.

● Technische Anforderungen: Witterungsbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit.

● Marktpotenzial: Die schnelle Entwicklung neuer Energien führt zu einer starken Nachfrage nach Tragkabeln.。

6.2 Industrialisierungsaussichten

Basierend auf der Abstimmung von technologischen Vorteilen und Marktnachfrage zeigen die Forschungsergebnisse vielversprechende Industrialisierungsaussichten auf:

Technologische Vorteile:

12. Leading Performance: Umfassende Leistung trifft auf Internationalität

13. Kontrollierbare Kosten: Eine hohe Lokalisierungsrate der Rohstoffe sorgt für wettbewerbsfähige Herstellungskosten.

14. Ausgereifte Prozesse: Optimierte Herstellungsprozesse eignen sich für die Großserienfertigung.

15. Umfassende Standards: Produkte entsprechen internationalen und nationalen Standards und gewährleisten so eine hohe Marktakzeptanz.

Marktchancen:

16. Politische Unterstützung: Nationale Richtlinien fördern Innovationen bei der Herstellung hochwertiger Geräte und Materialien.

17. Importsubstitution: Die langfristige Abhängigkeit von importierten High-End-Kabeln führt zu einer dringenden Nachfrage nach im Inland hergestellten Alternativen.

18. Industrielle Modernisierung: Die Modernisierung traditioneller Industrien erhöht die Nachfrage nach Hochleistungskabeln.

19. Belt and Road-Initiative: Infrastrukturbauprojekte im Ausland bieten neue Marktchancen.

Industrialisierungspfad:

20. Technologietransfer: Zusammenarbeit mit Kabelherstellern für Technologietransfer und Industrialisierung.

21. Bau von Produktionslinien: Richten Sie spezielle Produktionslinien ein, um eine Produktion in großem Maßstab zu erreichen.

22. Marktförderung: Produktanwendungen durch Branchenzertifizierungen und Demonstrationsprojekte fördern.

23. Kontinuierliche Innovation: Einrichtung eines Forschungs- und Entwicklungszentrums für laufende Produktverbesserungen und technologische Innovationen.

Prognose des wirtschaftlichen Nutzens:

● Erstinvestition: Investition in den Bau der Produktionslinie von etwa 50 Millionen Yen.

● Jährliche Produktionskapazität: Ausgelegte Jahreskapazität von 10.000 Kilometern.

● Jährlicher Produktionswert: Geschätzter jährlicher Produktionswert von etwa 500 Millionen Yen bei voller Produktion.

● Amortisationszeit der Investition: Voraussichtlich 3–4 Jahre.

● Soziale Vorteile: Reduzieren Sie Verluste aufgrund von Kabelausfällen und erhöhen Sie die Sicherheit von Stromversorgungssystemen.

6.3 Zukünftige Forschungsrichtungen

Basierend auf der Grundlage dieser Studie und den Entwicklungstrends in der Kabeltechnik werden folgende zukünftige Forschungsrichtungen vorgeschlagen:

1. Intelligente Kabeltechnologie:

● Forschungsziel: Entwicklung intelligenter Kabel mit Zustandsüberwachungsfunktionen.

● Schlüsseltechnologien: Eingebettete Sensoren, Datenübertragungstechnologie, Zustandsbewertungsalgorithmen.

● Anwendungsaussichten: Ermöglichen Sie die Vorhersage von Kabelfehlern und die vorbeugende Wartung.

2. Supraleitende Kabeltechnologie:

● Forschungsziel: Entwicklung von Hochtemperatur-supraleitenden Stromkabeln.

● Schlüsseltechnologien: Supraleitende Materialien, kryogene Kühlsysteme, Verbindungstechnologie.

● Anwendungsaussichten: Hochleistungsfähige, verlustarme Übertragung elektrischer Energie.

3. Umweltfreundliche Kabelmaterialien:

● Forschungsziel: Entwicklung biologisch abbaubarer und recycelbarer umweltfreundlicher Kabelmaterialien.

● Schlüsseltechnologien: Biobasierte Polymere, umweltfreundliche Flammschutzmittel, Recyclingtechnologie.

● Anwendungsaussichten: Reduzieren Sie die Umweltauswirkungen von Kabelabfällen.

4. Anpassungsfähigkeit an extreme Umgebungen:

● Forschungsziel: Entwicklung von Kabeln, die für extreme Umgebungen geeignet sind (z. B. Polarregionen, Tiefsee, Weltraum).

● Schlüsseltechnologien: Extreme Temperaturanpassungsfähigkeit, hohe Drucktoleranz, Strahlenschutz.

● Anwendungsaussichten: Unterstützung wissenschaftlicher Forschungs- und Ingenieurprojekte in extremen Umgebungen.

5. Multifunktionale integrierte Kabel:

● Forschungsziel: Entwicklung von Verbundkabeln, die Stromübertragung, Signalübertragung und Sensorfunktionen integrieren.

● Schlüsseltechnologien: Elektromagnetisches Kompatibilitätsdesign, Mehrkanalisolierung, Optimierung der Funktionsintegration.

● Anwendungsaussichten: Vereinfachen Sie die Systemverkabelung und verbessern Sie die Systemintegration und -zuverlässigkeit.

6. Anwendung von Nanomaterialien in Kabeln:

● Forschungsziel: Erforschung der leistungssteigernden Wirkung von Nanomaterialien auf Kabel.

● Schlüsseltechnologien: Nanomaterial-Dispersionstechnologie, Grenzflächenmodifikation, Leistungssynergiemechanismen.

● Anwendungsaussichten: Entwicklung leistungsstarker Nanokomposit-Kabelmaterialien der nächsten Generation.

7. Vorhersage der Kabellebensdauer und Gesundheitsmanagement:

● Forschungsziel: Einrichtung eines vollständigen Lebenszyklus-Gesundheitsmanagementsystems für Kabel.

● Schlüsseltechnologien: Erforschung von Alterungsmechanismen, Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer, intelligente Überwachungstechnologie.

● Anwendungsaussichten: Optimieren Sie das Kabel-Asset-Management und unterstützen Sie die Entscheidungsfindung bei der Wartung.

8. Intelligente Kabelherstellungsprozesse:

● Forschungsziel: Intelligente Steuerung und Optimierung von Kabelherstellungsprozessen erreichen.

● Schlüsseltechnologien: Industrielles Internet der Dinge, Big-Data-Analyse, intelligente Steuerungsalgorithmen.

● Anwendungsaussichten: Verbessern Sie die Fertigungseffizienz und stellen Sie eine gleichbleibende Produktqualität sicher.

7. Schlussfolgerungen

Diese Studie führte systematisch die Entwicklung verschleißfester, hochfester und flammhemmender Stromkabel durch und erzielte dabei die folgenden Hauptergebnisse:

1. Materialinnovationen:

● Entwicklung eines nanokompositmodifizierten Polyurethan-Außenmantelmaterials, das die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Materialien um 76 % verbessert, mit einem begrenzenden Sauerstoffindex (LOI) von 28,5 % und der Flammschutznorm UL 94 V-0 entspricht.

● Entwicklung eines flammhemmenden Silikonkautschuk/Huntit-Verbundmaterials mit einem LOI von 30,2 %, das den Feuerwiderstandstest der höchsten Stufe BS 6387 CWZ bestand.

● Optimierte Formulierung des XLPE-Isoliermaterials, wodurch ein Volumenwiderstand von 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, eine dielektrische Festigkeit von 35,2 kV/mm und eine Erhöhung der Langzeitbetriebstemperatur auf 105 °C erreicht wurden.

● Verwendung von hochreinen, sauerstofffreien Kupferleitern mit einer Leitfähigkeit von 101,2 % IACS, die eine hervorragende elektrische Leistung gewährleisten.

2. Strukturelles Design:

● Vorschlag eines mehrschichtigen Verbundstrukturdesigns, um eine synergistische Optimierung der Funktionsschichten zu erreichen.

● Angemessene Dickenverteilung und Schnittstellenstrukturen entwickelt, um die Gesamtleistung des Kabels sicherzustellen.

● Optimierte Leiterverseilungsparameter und Verdichtungsprozesse, wodurch die Flexibilität und räumliche Effizienz des Kabels verbessert wird.

3. Herstellungsprozesse:

● Etablierung eines kompletten Herstellungsprozesses, einschließlich Leiterproduktion, Isolationsextrusion, Herstellung der Abschirmschicht, Verkabelung, Herstellung der Panzerschicht, Extrusion der flammhemmenden Schicht und Extrusion der Außenhülle.

● Definierte Kontrollbereiche für wichtige Prozessparameter, um eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen.

● Einführung fortschrittlicher Online-Erkennungstechnologien zur Echtzeitüberwachung des Herstellungsprozesses.

4. Leistungstests:

● Einrichtung eines umfassenden Leistungstestsystems, das Flammschutz, mechanische Eigenschaften, elektrische Leistung und Umweltanpassungsfähigkeit abdeckt.

● Testergebnisse bestätigten, dass die entwickelten Kabel die höchsten internationalen Standards erfüllten, darunter IEC 60332-3A, BS 6387 CWZ und UL 910 (CMP).

● Die Gesamtleistung des Kabels übertrifft herkömmliche Produkte deutlich, mit einer geschätzten Lebensdauer von über 35 Jahren.

5. Bewerbungsaussichten:

● Das Kabel weist ein breites Anwendungspotenzial in Bereichen wie Bergbau, Offshore-Technik, Schienenverkehr, industrielle Automatisierung und neue Energien auf.

● Vielversprechende Industrialisierungsaussichten mit hoher technologischer Reife und starker Marktwettbewerbsfähigkeit.

● Vorgeschlagene zukünftige Forschungsrichtungen, um den Grundstein für kontinuierliche Fortschritte in der Kabeltechnologie zu legen.

Innovative Highlights dieser Studie:

24. Materialsysteminnovation: Erstmalige Anwendung von Huntit/Hydromagnesit-Verbundfüllstoffen in Kabelmaterialien aus Silikonkautschuk, wodurch ein Durchbruch bei der Flammschutzleistung erzielt wurde.

25. Strukturelle Designinnovation: Einführung einer mehrschichtigen Verbunddesignphilosophie mit funktionaler Trennung und synergistischer Verbesserung, die die Einschränkungen herkömmlicher Kabel in Bezug auf Gesamtleistung angeht.

26. Innovation im Herstellungsprozess: Optimierte Steuerung wichtiger Prozessparameter, was eine stabile Produktion von Hochleistungskabeln ermöglicht.

27. Testsysteminnovation: Etablierung eines umfassenden Leistungstestrahmens, der eine wissenschaftliche Grundlage für die Qualitätsbewertung von Kabelprodukten bietet.

Das in dieser Studie entwickelte verschleißfeste, hochfeste und flammhemmende Stromkabel schließt nicht nur eine technologische Lücke bei heimischen High-End-Kabelprodukten, sondern ist auch von erheblicher Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Stromsystemen. Mit fortschreitender Industrialisierung und Marktexpansion wird erwartet, dass dieses Produkt in zahlreichen Bereichen breite Anwendung findet und erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile mit sich bringt.

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