Lösung für die Auswahl geeigneter Materialien und Optimierungsschema für Strukturen

​I. Hintergrund​
Elektrische Kabel, die als zentrales Medium zur Übertragung von elektrischer Energie und Signalen dienen, haben eine Leistung, die den Systemeffizienz, den Betriebssicherheit und der langfristigen Stabilität direkt beeinflusst. Unter komplexen Betriebsbedingungen können Probleme wie unzureichende elektrische Eigenschaften der Leitermaterialien, das Altern oder Versagen der Isolierschichten oder schwache mechanische Schutzmaßnahmen leicht zu erhöhtem Energieverlust, erhöhtem Kurzschlussrisiko und sogar Brandgefahr führen. Daher ist es entscheidend, Materialien wissenschaftlich auszuwählen und die Struktur zu optimieren, um die Gesamtleistung des Kabels zu verbessern, um den zuverlässigen Betrieb von Strom- und Kommunikationssystemen sicherzustellen.

​II. Lösung​
​1. Optimierung des Leitermaterials: Ausgewogenheit zwischen Leitfähigkeit und Wirtschaftlichkeit​

• ​Kernstrategie:​​ Geben Sie den Vorrang dem Einsatz von hochreinem sauerstofffreiem Kupfer (OFC). Seine Leitfähigkeit übersteigt 58 MS/m, was weit über Aluminium (ca. 35 MS/m) hinausgeht, und reduziert erheblich Joule'sche Wärmeverluste (I²R-Verluste) während der Übertragung und verbessert die Energieeffizienz.
• ​Szenario-Segmentierung:​​
• ​Mittlere/kurze Distanz & hoher Stromfluss:​​ Beharren Sie auf Kupferleitern. Die Querschnittsfläche muss den Strombelastungsanforderungen entsprechen (z.B. Starkstromkabel ≥70mm²), um niedrigen Widerstand und geringe Wärmeerzeugung sicherzustellen.
• ​Lange Distanz Freileitung:​​ Wählen Sie leitfähiges Aluminiumlegierung (AA-8000 Serie). Für gleiche Strombelastung ist es etwa 50% leichter als Kupfer, was erheblich die Last auf den Masten und die Installationskosten reduziert. Hinweis: Verbindungsstellen von Aluminiumleitern erfordern besondere Behandlung (antioxidative Paste, Drehmomentbolzen), um schlechten Kontakt und Erwärmung zu vermeiden.
• ​Innovative Lösung:​​ Für kostengünstige Anwendungen, die ein Gewichtsreduzierung erfordern (z.B. Leitungen für Elektrofahrzeuge), können Kupferbeschichtetes Aluminium (CCA) verwendet werden, um die Oberflächenleitfähigkeit beizubehalten und das Gewicht um ca. 30% zu reduzieren.

​2. Verstärkung der Isolierschicht: Verbesserung der Temperaturbeständigkeit und Haltbarkeit​

• ​Bevorzugtes Material:​​ Vernetztes Polyethylen (XLPE). Seine Hauptvorteile sind:
• ​Thermisches Verhalten:​​ Kontinuierliche Betriebstemperatur erreicht 90°C (30°C höher als Standard-PE), Kurzschluss-Toleranztemperatur von 250°C, was erheblich das thermische Altern verzögert.
• ​Dielektrische Eigenschaften:​​ Volumenwiderstand > 10¹⁴ Ω·cm, Wechselspannungs-Dielektrische Verluste < 0,001, um die Isolationszuverlässigkeit in Hochspannungsumgebungen (z.B. 35kV-Starkstromkabel) sicherzustellen.
• ​Mechanische Festigkeit:​​ Die vernetzte Struktur erhöht die Durchstoßfestigkeit und bietet ausgezeichnete Beständigkeit gegen Umgebungsspannungsrissbildung (ESCR).
• ​Spezielle Bedingungsantwort:​​
• ​Hochfrequenz-Signalübertragung:​​ Verwenden Sie physikalisch/chemisch gefoamtes PE-Isoliermaterial, um die Dielektrizitätskonstante (εr≈1,4) zu reduzieren und die Signalabnahme zu minimieren.
• ​Extremtemperatur-Umgebungen:​​ Verwenden Sie hitzebeständige Fluoroplastik-Isolierung (z.B. ETFE), mit einer Betriebstemperatur von bis zu 150°C.

​3. Optimierung des Strukturellen Designs: Mechanischer Schutz und Sicherheitsverbesserung​

• ​Schichtenschutzsystem:​​
• ​Füllschicht:​​ Füllen Sie Lücken innerhalb gestrickter Leiter mit wasserblockierenden Garnen (super absorbierendes Polyacrylat-Harz) oder wasserblockierenden Zusammensetzungen, um eine longitudinale Wassersperre zu erreichen (entsprechend IEC 60502). Bei mehradrigen Kabeln verwenden Sie Polypropylen-Füllseil, um die runde Integrität zu gewährleisten.
• ​Innenschicht:​​ Wählen Sie Hochdichte-Polyethylen (HDPE) oder Thermoplastischen Polyurethan (TPU), um radialen Wasserschutz und Widerstand gegen seitliche Kompression (Zermalmerfestigkeit ≥2000N/100mm) zu bieten.
• ​Panzerschutz (optional):​​
• Schwere mechanische Belastungen (z.B. direkte Verlegung im Boden): Verwenden Sie verzinkte Stahlbandpanzerung (Dicke ≥ 0,2mm).
• Torsionsfeste Anwendungen (z.B. Bergbaukabel): Verwenden Sie feine Stahldrähte gezopft.
• ​Außenschicht:​​
• ​Grundschutz:​​ Polyvinylchlorid (PVC), kostengünstig mit guter Wetterbeständigkeit (Betriebstemperatur: -20°C ~ 70°C).
• ​Erhöhte Sicherheit:​​ Niedrig Rauch Null Halogen (LSZH)-Zusammensetzung, Sauerstoffindex ≥32, Rauchdichte Dₛ ≤60 (entsprechend GB/T 19666), reduziert erheblich die Giftgasemission (HCl <5mg/g) und das Risiko der Sichtbeeinträchtigung bei Bränden.
• ​Reibungsbeständigkeit:​​ Nylon 12-Schicht, Rockwell-Härte R120, geeignet für dynamische Biegeanwendungen wie Roboter-Zugkettenkabel.
• ​Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Design:​​ Fügen Sie für Mittel- und Hochspannungskabel einen Kupferdrahtschirm (Abdeckung ≥85%) hinzu. Für Frequenzumrichter-Kabel (VFD) verwenden Sie eine Aluminium-Polyester-Kompositfolie + bleiüberzogene Kupferlitze Dualschirm, um hochfrequente Störungen (≥60dB Dämpfung im 30MHz~1GHz-Band) zu unterdrücken.

​III. Zusammenfassung des Wertes des Konzepts​
Durch szenariogerechte Auswahl der Leiter (Kupfer/Aluminium) wird ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeits-Effizienz und Kosten erreicht. Die XLPE-Isolation sichert die dielektrische Stabilität in Hochtemperaturumgebungen. Die mehrschichtige Verbundstruktur (Füllung + Schicht + optionaler Panzerschutz) baut mechanische und Feuerschutzwälle auf. Dieses Konzept reduziert den Kabelübertragungsverlust um 15%~20% (Kupfer vs. Aluminium), verlängert die Lebensdauer auf über 30 Jahre (XLPE vs. PVC) und reduziert durch die flammhemmende Hülle das Brandrisiko um 70% (LSZH vs. PVC), um die Kernanforderungen an Effizienz, Sicherheit und Stabilität umfassend zu erfüllen.