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电气装备用电线电缆动态及发展趋势
2012-05-16
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一、引言
20世纪50年代，我国机电制造业落后，电缆配套未专业化，不具备条件形成电气装备用电线电缆类产品。60年强制贯彻“以塑代铅”和“以塑代橡”等措施， 有力推动了技术进步，这大类产品开始形成。90年代，市场经济逐步发展成熟，电气装备电线电缆需求量剧增，发展成为与工程配套的独立大类产品。产值比例保 持25~30%。
电气装备用线缆是配套产品，各品种销售并不稳定，有赖于其他工业的兴衰。如高层建筑用预制分支电缆，开始国内没有品牌，只能进口。分支电缆少数先驱者，开 拓市场和技术创新，取得稳固的市场份额，获得极高的利润回报，实现了国产化。在此机遇下，不少电缆厂草率上马，价格下降到接近火并程度，恰恰又逢国家限制 高层建筑建设，市场需求有所萎缩，高额利润回报即成泡沫。当前用户提出的要求越来越复杂，工厂只能跟着走，甚至对不合理要求，有时也得顺从，进退二难，甚 至造成不公平竞争。
二、近代交通工具用电线电缆
1.机车车辆电缆
电力、燃油和蒸汽动力，客车、货车和特种车列，对电缆要求是不同的，所以这类电缆品种较多，而且有代表性，其中部分品种也可供其他车辆选用。当前倾向性意见是：
(1)3kV及以下天然橡胶绝缘电缆应淘汰。
(2)3kV及以下氯磺化聚乙烯绝缘电缆需要保留。
(3)3kV及以下乙丙橡胶绝缘电缆为主要系列之一。
(4)3kV及以下无卤低烟交联聚烯烃绝缘电缆为主要系列之二。
(5)30kV乙丙橡胶绝缘机车车辆用电力电缆为专用品种。
目前基本按TB/T1484生产，GB/T12528正在修订。机车车辆产品中难度最大的是无卤低烟交联聚烯烃薄壁绝缘电缆。它们的内容有所差异，在GB/T标准中有对比表，可以查阅。
2.城市轨道交通直流电力电缆
城市轨道交通是大城市发展交通的必经之路，计划中有关城市的城轨长度公里数：北京为332；天津为130；上海为240；深圳546。其余城市相继开工。
轻轨用直流供电，额定电压为直流1500V和750V。上海申通公司制定企业标准，正极电缆为1500V；负极电缆为300V，导体截面为400mm2， 硬结构电缆用第2种导体，软结构电缆用第6种，绝缘为交联聚烯烃和乙丙橡胶两种，标称绝缘厚度为2.0mm，绝缘外应有阻水层，其他防水层、隔火层、铠装 层均为可选结构，护套为低烟无卤聚烯烃或类似合成材料组成，护套标称厚度为3.8mm。负极电缆结构只有导体和绝缘。电缆试验项目与一般电力电缆基本相 同。
3.长定子绕组电缆
磁悬浮列车相当于直线电机的转子，轨道相当于定子。长定子绕组电缆是将电缆构成绕组，敷设在轨道的槽内。
电缆结构与软电力电缆相似，但敷设条件严酷，弯曲半径很小。长定子电缆三相总用量，约为单向轨道长度的15倍。52届国际线缆研讨会，德国发表了关于上海 磁悬浮用电缆的论文。第一批在上海磁悬浮线安装的电缆，其结构与论文叙述的结构相同，但试运行时就出现了问题。德国更换了全部电缆，调试后投入运行，经过 较长时间后，又发生了个别问题，二次出现问题，德国未透露直接原因。谈判沪杭磁悬浮线时，德国提出电缆新结构，还强调是专利，在我看来这算不上是专利，但 由专利法保护，也很难处理。总的感觉，德国在磁悬浮长定子绕组电缆方面，技术也不能算完全成熟。长定子绕组电缆的额定电压为10/1.75kV(考虑 20kV)；额定工作温度为90℃；导体为铝芯300mm2，绝缘为软乙丙橡胶，导体屏蔽和绝缘屏蔽均为半导电乙丙橡胶，护套为氯丁橡胶；护套外为含氟4 的半导电涂层。涂层可增加电缆敷设时的润滑作用。52届国际线缆论文中，绝缘屏蔽外有金属屏蔽，没有说明氯丁橡胶护套的详细性能，仅描述有适合的电气性能 性，机械性能，耐环境性能，并能与涂层牢固粘合。德国的磁悬浮列车试验线路比较短，试运行中长定子电缆未出现异常。上海原来电缆敷设情况，可能是一点接 地。更换的新电缆，也就是现在运行的电缆，结构中取消了金属屏蔽，护套变为半导电氯丁橡胶，半导电涂层照旧，接地方式采用了“Ω”形金属环，套在电缆外， 定距用螺钉固定接地。
电缆研究所与工厂合作，共同研发了磁悬浮长定子电缆，并通过了型式试验和研究性试验，为电缆国内制造打下了基础。但是市场变化如风云，今后需求量很难预测。
4.公路车辆用低压电线和电缆
公路车辆用低压电线(简称汽车低压电线)，通常先按照汽车布线模板的要求加工成线束，然后将线束安装到汽车上。汽车线束市场不但与汽车产量直接有关，并且 与单台车辆配线数量密切相关，一辆低档轿车平均用低压电线为800m，一辆中档轿车平均用量为1500m，一辆豪华名车用量达2500m。目前汽车低压电 线的绝缘仍以聚氯乙烯为主，但有些部位需要用交联聚烯烃、热塑弹性体、乙丙橡胶、硅橡胶甚至氟塑料等。汽车低压电线的导体，除马达线考虑用铝导体外，其他 都用铜导体。最新设计，希望导体截面进一步缩小到0.10mm2及以下，铜的机械强度不能满足安装要求，现正在考虑用铜包钢线。 JB/T8139-1999《公路车辆用低压电缆(电线)》标准的品种绞少，不能完全满足使用要求，各汽车制造公司均有自己的电线采购规范。当前中国汽车 行业协会制订的标准，也以聚氯乙烯薄绝缘低压电线为主，但实际上交联聚烯烃和硅橡胶绝缘低压电线的应用数量也不少。高档轿车，数字传输电缆以及光纤已有使 用。有关国外汽车低压电缆标准中薄绝缘电线尺寸见表1。ISO汽车低压电缆标准的试验概括见表2。
5.航空电线电缆
当前航空电线电缆有二大系列：一种是聚酰亚胺－氟46复合薄膜绕包烧结绝缘电缆，主要用于军用直升飞机，已经国产化，考虑到电线质量，复合薄膜仍进口。另一种是辐
照交联乙烯－四氟乙烯共聚物绝缘电缆，是近代军用和民用大型飞机使用较多的品种。缩写为X-ETFE绝缘电线。大型军用运输机每架用线量达7～8吨。X- ETFE比重为1.73，工作温度可提高到200℃，薄壁绝缘结构单层绝缘厚度为0.15mm，电线重量轻，相对载流量大，化学性能稳定，电气、机械及耐 辐照性能优异，也是航天飞行器使用重大品种之一。
十年后，我国自主生产大型客机，仍会选用这个品种。
X-ETFE(X-F40)绝缘航空电线电缆，制造技术难度较大。几乎每一道生产工序，都存在一些问题。
(1)单线束绞要求精度高，外层不允许有跳线，否则最小绝缘厚度会不合格。
(2)目前国内无绝缘原材料供应，需从杜邦公司或大金公司进口。
(3)目前国内尚未解决合适的敏化剂。进口敏化剂母料粒子，困难重重。而进口可直接挤出和辐照交联的成品粒子料，价格惊人。
(4)自行开发原材料及其混炼和造粒，在设备和工艺上都有很大难度。
(5)电线薄绝缘挤出不易控制，如偏心、拉伸比等参数。
(6)需研究理想的辐照剂量，以获得最佳的交联度。
(7)需研究经过辐照电线的后处理条件，否则，电气性能和机械性能，不一定能完全达到标准要求。
我国航空电线电缆军用标准，氟塑料类电缆，等同采用美国军用标准。聚酰亚胺-氟46复合薄膜绕包烧结绝缘电缆，美国在海军方面已不建议采用，今后尚待观察。
6.船用电缆
我国造船将接近年产1000万吨，上海还在建设更大的船厂，据说世界第一。当前各船用电缆制造厂船缆的订货情况乐观。民用船舶用阻燃电缆完全符合最新 IEC标准水平，无卤低烟电缆成束燃烧普遍能达到A类要求。绝缘材料的主流是交联聚烯烃和乙丙橡胶，天然－丁笨橡胶已淘汰。某些电缆厂能按荷兰标准制造控 制和仪表等电缆。
军用船舶的一般电线电缆都能国内供应。专用的深水纵向密封电缆已突破常规水平，深度可超过600m。防卫用特高抗拉强度声纳电缆，也达到很高的水平。我国军用船舶电线电缆标准等同采用美国军用标准。
7.新材料的开发
除船用电缆外，所有车辆用电线电缆，在非动力系统使用范围方面，有一个共同特点，就是要求轻、小、薄壁绝缘、耐磨、耐油、阻燃和耐湿，有的要求耐温等级为125℃，少数为150℃。由于电线用量比较多，这样的背景下，选用氟塑料绝缘是不经济的，因为氟塑料价
格过高，性能余度过高，当前交联聚烯烃的性能并不理想，根据很多电线抽样试验结果，交联聚烯烃绝缘线常处于合格边缘，因此不够安全可靠，制造过程又需要多一道辐照交联工序。假如换一种思路，如放弃交联聚烯烃，开发新材料，可能效果更好。
开发和推广新材料希望满足以下要求：a)工作温度为125～150℃。b)可热塑挤出加工，不必交联。c)可挤薄壁绝缘。c)相对柔软，便于安装。d)主要性能超过交联聚烯烃。e)原料来源可靠。f)开发期限短。g)价格可以接受。
聚酯(PET)、聚对苯二甲酸丁醇酯(PBT)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)是可以开发的材料，但需要改性。
PEEK的性能最好，不过价格太高。可定位的工作温度：PET为120℃，PBT为150℃，PES为150℃，PEEK为200℃，这些材料的弹性模量高、基本无毒、能阻燃自熄，可挤出成型，可挤出薄壁绝缘。
三、核电站1E级电缆
1.总的发展形势
核电站建设的审批权，我国高度集中，预计到2020年以前，将新建27座到32座百万千瓦级的核电机组。也就是说，从2004年算起，在16年中，新增核 发电装机容量将达3000万千瓦左右，每年有二到三个核电机组开工建设。到2020年核电在总发电容量中的比重将从目前1.8%上升到4%。由于目前核电 站的运转要大量水源，所以规划核电站主要布局是考虑东南沿海省份。关于核电建设的投资问题，国外经济专家认为要完成这样大规模的核电工程建设，按保守的估 计，投资也在400亿美元以上。中国核工业集团公司，希望新建核电站的平均国产化率能够达到60%，估计有240亿美元(约2000亿人民币)的货物可能 国产化。从我国电线电缆行业分析，在目前电缆制造技术水平上再进一步改进设备和产品开发，电线电缆的国产化率可达到95%以上。我国目前建设的核电站主要 是压水堆系统。
2.K3类电缆四十年使用寿命的确认
验证寿命有一定的抽象含义，阿累尼乌斯公式是常用的手段。新材料寿命评定试验是一项研究工作，不应是标准考核指标，40年时间很长，用相对较短时间加速老化试验，推算结果，也不会刚好等于40年，可能为20～60年之间，这不能轻易判定新材料是否符合使用要求。
加速老化试验方案设计的温度范围、温度级差、试样形状、试样与空气接触表面积、试样厚度、试样制作工艺、批量试样材质均匀性、试样寿命终止参数以及烘箱换 气量等等，均对推算结果有影响。设计一个比较完美的方案，需要经过多次的前期验证工作，才能得到比较满意的结论。
我国生产的1E级K3类电缆已有多年，通过鉴定的产品，都进行过40年寿命评定。出于各种利益，有的认为有效；有的认为基本可信；有的认为基本不可信；更 有的认为要全盘推翻，从新开始洗牌。其实只要最终用户认可，才是最实在的。不妨读一下美国的观点，这一解释可参考EBASCO规范对于物理寿命试验的结论 中得到证实。该结论内容如下：《在电缆设计寿命期间，电缆工作中所出现情况，在实验室内找不到完全等效施加物理条件的加速试验方法，只得应用阿累尼乌斯技 术或其他实验室技术。加速热寿命试验只能提供材料的相对热寿命数据，进一步看，由丁基橡胶绝缘电缆推测的结果说明，采用阿累尼乌斯技术的加速寿命试验数 据，外推法所导出的寿命时间，比实际寿命低。虽然这样的数据，作为许可的概括性原则是不充分的。然而看来似乎可以说明这样一点：一种新型绝缘加速热寿命情 况，与这种新绝缘已经得到充分确认具有优越的长期服务记录，二者的对比是这种新绝缘能够长期使用的有利的证明》。从这个结论得到启发，用于低压电缆的正常 质量的非阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的辐照交联已超过50年，化学交联和硅烷交联也超过40年，从长期90℃热寿命来看，达到40年的运行寿命国 际上已没有怀疑。但是用于低压电缆的正常质量的高填充物无卤阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的材料未超过30年，实际使用中未发生热老化而失效，当然 要证明达到40年运行寿命的理由还不够充分。
PEEK的性能最好，不过价格太高。可定位的工作温度：PET为120℃，PBT为150℃，PES为150℃，PEEK为200℃，这些材料的弹性模量高、基本无毒、能阻燃自熄，可挤出成型，可挤出薄壁绝缘。
三、核电站1E级电缆
1.总的发展形势
核电站建设的审批权，我国高度集中，预计到2020年以前，将新建27座到32座百万千瓦级的核电机组。也就是说，从2004年算起，在16年中，新增核 发电装机容量将达3000万千瓦左右，每年有二到三个核电机组开工建设。到2020年核电在总发电容量中的比重将从目前1.8%上升到4%。由于目前核电 站的运转要大量水源，所以规划核电站主要布局是考虑东南沿海省份。关于核电建设的投资问题，国外经济专家认为要完成这样大规模的核电工程建设，按保守的估 计，投资也在400亿美元以上。中国核工业集团公司，希望新建核电站的平均国产化率能够达到60%，估计有240亿美元(约2000亿人民币)的货物可能 国产化。从我国电线电缆行业分析，在目前电缆制造技术水平上再进一步改进设备和产品开发，电线电缆的国产化率可达到95%以上。我国目前建设的核电站主要 是压水堆系统。
2.K3类电缆四十年使用寿命的确认
验证寿命有一定的抽象含义，阿累尼乌斯公式是常用的手段。新材料寿命评定试验是一项研究工作，不应是标准考核指标，40年时间很长，用相对较短时间加速老化试验，推算结果，也不会刚好等于40年，可能为20～60年之间，这不能轻易判定新材料是否符合使用要求。
加速老化试验方案设计的温度范围、温度级差、试样形状、试样与空气接触表面积、试样厚度、试样制作工艺、批量试样材质均匀性、试样寿命终止参数以及烘箱换 气量等等，均对推算结果有影响。设计一个比较完美的方案，需要经过多次的前期验证工作，才能得到比较满意的结论。
我国生产的1E级K3类电缆已有多年，通过鉴定的产品，都进行过40年寿命评定。出于各种利益，有的认为有效；有的认为基本可信；有的认为基本不可信；更 有的认为要全盘推翻，从新开始洗牌。其实只要最终用户认可，才是最实在的。不妨读一下美国的观点，这一解释可参考EBASCO规范对于物理寿命试验的结论 中得到证实。该结论内容如下：《在电缆设计寿命期间，电缆工作中所出现情况，在实验室内找不到完全等效施加物理条件的加速试验方法，只得应用阿累尼乌斯技 术或其他实验室技术。加速热寿命试验只能提供材料的相对热寿命数据，进一步看，由丁基橡胶绝缘电缆推测的结果说明，采用阿累尼乌斯技术的加速寿命试验数 据，外推法所导出的寿命时间，比实际寿命低。虽然这样的数据，作为许可的概括性原则是不充分的。然而看来似乎可以说明这样一点：一种新型绝缘加速热寿命情 况，与这种新绝缘已经得到充分确认具有优越的长期服务记录，二者的对比是这种新绝缘能够长期使用的有利的证明》。从这个结论得到启发，用于低压电缆的正常 质量的非阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的辐照交联已超过50年，化学交联和硅烷交联也超过40年，从长期90℃热寿命来看，达到40年的运行寿命国 际上已没有怀疑。但是用于低压电缆的正常质量的高填充物无卤阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的材料未超过30年，实际使用中未发生热老化而失效，当然 要证明达到40年运行寿命的理由还不够充分。
PEEK的性能最好，不过价格太高。可定位的工作温度：PET为120℃，PBT为150℃，PES为150℃，PEEK为200℃，这些材料的弹性模量高、基本无毒、能阻燃自熄，可挤出成型，可挤出薄壁绝缘。
三、核电站1E级电缆
1.总的发展形势
核电站建设的审批权，我国高度集中，预计到2020年以前，将新建27座到32座百万千瓦级的核电机组。也就是说，从2004年算起，在16年中，新增核 发电装机容量将达3000万千瓦左右，每年有二到三个核电机组开工建设。到2020年核电在总发电容量中的比重将从目前1.8%上升到4%。由于目前核电 站的运转要大量水源，所以规划核电站主要布局是考虑东南沿海省份。关于核电建设的投资问题，国外经济专家认为要完成这样大规模的核电工程建设，按保守的估 计，投资也在400亿美元以上。中国核工业集团公司，希望新建核电站的平均国产化率能够达到60%，估计有240亿美元(约2000亿人民币)的货物可能 国产化。从我国电线电缆行业分析，在目前电缆制造技术水平上再进一步改进设备和产品开发，电线电缆的国产化率可达到95%以上。我国目前建设的核电站主要 是压水堆系统。
2.K3类电缆四十年使用寿命的确认
验证寿命有一定的抽象含义，阿累尼乌斯公式是常用的手段。新材料寿命评定试验是一项研究工作，不应是标准考核指标，40年时间很长，用相对较短时间加速老化试验，推算结果，也不会刚好等于40年，可能为20～60年之间，这不能轻易判定新材料是否符合使用要求。
加速老化试验方案设计的温度范围、温度级差、试样形状、试样与空气接触表面积、试样厚度、试样制作工艺、批量试样材质均匀性、试样寿命终止参数以及烘箱换 气量等等，均对推算结果有影响。设计一个比较完美的方案，需要经过多次的前期验证工作，才能得到比较满意的结论。
我国生产的1E级K3类电缆已有多年，通过鉴定的产品，都进行过40年寿命评定。出于各种利益，有的认为有效；有的认为基本可信；有的认为基本不可信；更 有的认为要全盘推翻，从新开始洗牌。其实只要最终用户认可，才是最实在的。不妨读一下美国的观点，这一解释可参考EBASCO规范对于物理寿命试验的结论 中得到证实。该结论内容如下：《在电缆设计寿命期间，电缆工作中所出现情况，在实验室内找不到完全等效施加物理条件的加速试验方法，只得应用阿累尼乌斯技 术或其他实验室技术。加速热寿命试验只能提供材料的相对热寿命数据，进一步看，由丁基橡胶绝缘电缆推测的结果说明，采用阿累尼乌斯技术的加速寿命试验数 据，外推法所导出的寿命时间，比实际寿命低。虽然这样的数据，作为许可的概括性原则是不充分的。然而看来似乎可以说明这样一点：一种新型绝缘加速热寿命情 况，与这种新绝缘已经得到充分确认具有优越的长期服务记录，二者的对比是这种新绝缘能够长期使用的有利的证明》。从这个结论得到启发，用于低压电缆的正常 质量的非阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的辐照交联已超过50年，化学交联和硅烷交联也超过40年，从长期90℃热寿命来看，达到40年的运行寿命国 际上已没有怀疑。但是用于低压电缆的正常质量的高填充物无卤阻燃交联聚乙烯绝缘，自发明至今最长的材料未超过30年，实际使用中未发生热老化而失效，当然 要证明达到40年运行寿命的理由还不够充分。
但是应用相对温度指数对比试验，仍可以说明它的本质问题。
3.无卤低烟阻燃热塑型聚烯烃护套的开裂
无卤低烟电缆料的三角形概念，至今仍有效。电气、机械、阻燃性能三足鼎立，一只角度大了。另二只角度就减小了。无卤低烟护套的开裂是比较严重的缺陷，进口 电缆也有发生开裂。为此材料和电缆厂都费尽心机，也不都有把握。护套开裂问题，并不只发生在核电站，其他产品也出现这类事故。以下提出了一些注意的问题， 有助于降低护套开裂的几率：
(1)选择断裂伸长率较高热塑护套料，如200%，但成本增加，氧指数也降低。
(2)采用较大的挤塑机，控制较小的挤出量。
(3)采用低压缩比螺杆，用目数小的滤网，选择适配护套料。
(4)加强控制各段螺杆温度、机头和模口温度。
(5)采用交联型无卤低烟护套，成本增加，设备需改造。
(6)还有其他途径，假设采用EVM橡胶，VA含量40-80%，情况又如何？
4.无卤低烟护套电缆的抗开裂性检验的尝试
现行标准的抗开裂试验方法，不能有效的检验护套的抗开裂性，至还今没有标准的检验法。在试样上造成预应力，是能促使开裂的主要因素。
(1)取4或8段成品电缆作为试样，分别在四个方向弯曲试样，试样二端绑在一起固定，圆圈的内径取电缆外径的4～8倍。使电缆在四个方位有拉伸预应力。
(2)将试样进行冷热循环处理，高温点不高于电缆工作温度，低温点不低于零下10℃，高温持续2h，室温2h，低温2h，室温2h,这样作为一个冷热循环，循环次数自定，不同材料的循环次数不一定相同。
(3)所有样品的护套应无开裂。
(4)也可剥下护套，沿圆周四个部位切取4或8个条形试片，取直径为3～6倍试片厚度的铜棒，条形试片缠绕在铜棒上，并加以固定，进行上述冷、热循环试验。循环次数自定，试片无裂纹。
要完全解决无卤低烟护套的开裂，确实有一定难度，假如换一种思路，走低烟低卤橡胶型技术路线，问题就能迎刃而解。最近美国介绍核电站用电缆，并不强调无卤低烟，建议采用低烟氯磺化聚乙烯护套。如果我国从美国引进核电站技术，也许会改变唯一认可无卤低烟技术路线。
5.关于K1类电缆
K1类电缆的用量比K3类电缆少得多，而开发成本高出数倍，因此研发K1类电缆厂也相对少得多。目前少数电缆厂的一部分K1类品种电缆通过了技术鉴定。
根据经验，K1类电缆采用乙丙橡胶绝缘和乙丙橡胶护套结构，比较有把握通过泄漏事故试验。交联聚烯烃绝缘和交联聚烯烃护套结构，相对不易通过泄漏事故试验。当然不是排斥采用交联聚烯烃。
目前国内的泄漏事故试验，在原则上参考IEEE383－1974进行，该标准本身也说明试验条件允许变动，前几年国内试验设备不完善，试验方法未规范化。
据说现在北京的试验条件比较好，并与核工业设计院结合。目前上海还不能完整地进行泄漏事故试验。关于泄漏事故试验的具体程序，国外、国内都不完全相同。就 是同一个国家，现在和过去的程序也不完全相同。总的来说，由于试验经验不够，目前要肯定哪一种程序，最为正统，最有权威性，还需要进一步研讨。
国内通过K1类电缆鉴定的企业，尚为数很少，但全面完成国产化为期不远。
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超导电力应用新进展
