پاسخگویی به انتخاب مواد مناسب و طرح بهینه‌سازی ساختار

​I. پیش‌زمینه​
کابل‌های برق به عنوان مedium اصلی برای انتقال انرژی الکتریکی و سیگنال‌ها، عملکرد آن‌ها مستقیماً تأثیرگذار بر کارایی سیستم، ایمنی عملیاتی و ثبات بلندمدت است. در شرایط عملیاتی پیچیده، مشکلاتی مانند خصوصیات الکتریکی ناکافی مواد هادی، پیری/خرابی لایه‌های عایق یا محافظت مکانیکی ضعیف می‌تواند منجر به افزایش زیان انرژی، افزایش ریسک کوتاه‌مداری و حتی خطر آتش‌سوزی شود. بنابراین، انتخاب علمی مواد و بهینه‌سازی ساختار برای افزایش عملکرد کلی کابل بسیار مهم برای تضمین عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های برق و ارتباطات است.

​II. راه‌حل​
​1. بهینه‌سازی ماده هادی: تعادل بین هادی‌بودن و اقتصادی بودن​

• ​استراتژی اصلی:​​ اولویت دادن به استفاده از مس بدون اکسیژن با خلوص بالا (OFC). هادی‌بودن آن بیش از ۵۸ MS/m است که بسیار بیشتر از آلومینیوم (حدود ۳۵ MS/m) است، این موضوع به طور قابل توجهی زیان‌های گرمایی جول (I²R) را در حین انتقال کاهش می‌دهد و کارایی انرژی را افزایش می‌دهد.
• ​تقسیم‌بندی سناریوها:​​
• ​برای کاربردهای مسافت متوسط/کوتاه و جریان بالا:​​ اصرار بر استفاده از هادی‌های مس. طراحی مساحت مقطع باید مطابق با نیازهای ظرفیت جریان (مانند کابل‌های برق ≥70mm²) باشد، تا مقاومت کم و تولید گرما کم باشد.
• ​انتقال هوایی در مسافت‌های طولانی:​​ انتخاب آلیاژ آلومینیوم هادی (سری AA-8000). برای ظرفیت جریان معادل، وزن آن حدود ۵۰٪ کمتر از مس است، که به طور قابل توجهی بار برج‌ها و هزینه‌های نصب را کاهش می‌دهد. توجه داشته باشید: نقاط اتصال هادی‌های آلومینیوم نیاز به درمان ویژه (پاست ضد اکسیداسیون، پیچ‌های گشتاوری) دارد تا از تماس ضعیف و گرم شدن جلوگیری شود.
• ​راه‌حل نوآورانه:​​ برای کاربردهای حساس به هزینه که نیاز به کاهش وزن دارند (مانند گروه‌های کابلی خودروهای انرژی تازه)، می‌توان از هادی‌های آلومینیوم پوشش‌دار مس (CCA) استفاده کرد، که هادی‌بودن سطحی بالا را حفظ کرده و وزن را حدود ۳۰٪ کاهش می‌دهد.

​2. تقویت لایه عایق: افزایش مقاومت در دمای بالا و طول عمر​

• ​مواد منتخب:​​ پلی‌اتیلن صلیب‌پیوندی (XLPE). مزایای اصلی آن شامل:
• ​عملکرد حرارتی:​​ دمای عملیاتی مداوم به ۹۰°C (۳۰°C بیشتر از PE استاندارد)، دمای تحمل کوتاه‌مداری ۲۵۰°C، به طور قابل توجهی پیری حرارتی را کاهش می‌دهد.
• ​خصوصیات دی‌الکتریک:​​ مقاومت حجمی > ۱۰¹⁴ Ω·cm، زیان دی‌الکتریک فرکانس تغذیه < ۰٫۰۰۱، تضمین می‌کند که عایق‌بندی در محیط‌های ولتاژ بالا (مانند کابل‌های برق ۳۵kV) قابل اطمینان است.
• ​مقاومت مکانیکی:​​ ساختار صلیب‌پیوندی مقاومت در برابر برش و مقاومت بسیار خوب در برابر ترک‌های تنش محیطی (ESCR) را افزایش می‌دهد.
• ​پاسخ به شرایط ویژه:​​
• ​انتقال سیگنال‌های فرکانس بالا:​​ استفاده از عایق پلی‌اتیلن فیزیکی/شیمیایی فوم شده برای کاهش ثابت دی‌الکتریک (εr≈1.4)، که به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد تضعیف سیگنال.
• ​محیط‌های دمای بسیار بالا:​​ استفاده از عایق فلوروپلاست مقاوم در برابر دمای بالا (مانند ETFE)، با دمای عملیاتی تا ۱۵۰°C.

​3. بهینه‌سازی طراحی ساختاری: تقویت محافظت مکانیکی و ایمنی​

• ​سیستم محافظت لایه‌ای:​​
• ​لایه پرکننده:​​ شکاف‌های درون هادی‌های پیچیده را با نخ‌های متوقف‌کننده آب (رزین پلی‌اکریلات فوق جاذب) یا مواد متوقف‌کننده آب پر کنید تا بلوک‌سازی آب طولی (مطابق با IEC 60502) را به دست آورید. برای کابل‌های چند هسته‌ای، از طناب پرکننده پلی‌پروپیلن استفاده کنید تا تمامیت دایره‌ای را تضمین کنید.
• ​پوشش داخلی:​​ پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) یا پلی‌یورتان ترمoplastik (TPU) را انتخاب کنید تا مقاومت در برابر آب شعاعی و مقاومت در برابر فشار جانبی (مقاومت در برابر فشار ≥2000N/100mm) را فراهم کنید.
• ​درمان (اختیاری):​​
• محیط‌های با تنش مکانیکی سنگین (مانند دفن مستقیم): از نوار فولادی روغن‌کاری شده (ضخامت ≥ ۰.۲mm) استفاده کنید.
• نیاز به مقاومت در برابر چرخش (مانند کابل‌های معدنی): از زنجیره فولادی ریز استفاده کنید.
• ​پوشش خارجی:​​
• ​محافظت پایه:​​ کلروفینیل پلی‌وینیل (PVC)، با هزینه کم و مقاومت خوب در برابر آب و هوای خارج (دمای عملیاتی: -20°C ~ 70°C).
• ​امنیت افزوده:​​ مخلوط کم دود و بدون هالوژن (LSZH)، شاخص اکسیژن ≥32، چگالی دود Dₛ ≤60 (مطابق با GB/T 19666)، به طور قابل توجهی انتشار گاز سمی (HCl <5mg/g) و خطر از دیده شدن در مواقع آتش‌سوزی را کاهش می‌دهد.
• ​مقاومت در برابر سایش:​​ پوشش نایلون ۱۲، سختی راکول R120، مناسب برای کاربردهای خم شدن پویا مانند کابل‌های زنجیره کشش رباتیک.
• ​طراحی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC):​​ برای کابل‌های ولتاژ متوسط/بالا، یک صفحه‌ای از سیم‌های مس (پوشش ≥85%) اضافه کنید. برای کابل‌های محرک فرکانس متغیر (VFD)، از نوار ترکیبی آلومینیوم-پلیستر + سیم‌های مسی تنگستن‌دار دوگانه استفاده کنید تا تداخل فرکانس بالا (≥60dB کاهش در باند 30MHz~1GHz) را کاهش دهید.

​III. خلاصه ارزش طرح​
با انتخاب هادی متناسب با سناریو (مس/آلومینیوم)، تعادل پویا بین کارایی هادی‌بودن و هزینه به دست می‌آید. عایق XLPE ایمنی دی‌الکتریک را در محیط‌های دمای بالا تضمین می‌کند. ساختار مرکب چند لایه (پرکننده + پوشش + درمان اختیاری) موانع مکانیکی و آتش‌سوزی را ساخته است. این طرح زیان انتقال کابل را ۱۵٪~۲۰٪ (مس در مقایسه با آلومینیوم) کاهش می‌دهد، طول عمر را بیش از ۳۰ سال (XLPE در مقایسه با PVC) افزایش می‌دهد و خطر آتش‌سوزی را ۷۰٪ (LSZH در مقایسه با PVC) از طریق پوشش مقاوم در برابر آتش کاهش می‌دهد، به طور جامع نیازهای اصلی کارایی، ایمنی و ثبات را برآورده می‌کند.