פתרון בחירת חומרים אופטימלי ותוכנית אופטימיזציה של מבנה
I. רקע
כבלים חשמליים, המהווים את התווך העיקרי להעברת אנרגיה חשמלית ואותות, יש להם ביצועים שמשפיעים ישירות על יעילות המערכת, בטיחות ההפעלה והיציבות הארוך טווח. בתנאי פעולה מורכבים, בעיות כגון תכונות חשמליות בלתי מספיקות של חומרי מוליכים, הזדקנות/כשל של שכבות מבודדות או הגנה מכנית חלשה יכולים בקלות להוביל להגדלת אובדן אנרגיה, עלייה בסיכון לקצר חשמלי ואפילו סיכוני שרפה. לכן, בחירת חומרים באופן מדעי והשגת מבנה אופטימלי כדי לשפר את הביצועים הכלליים של הכבלים היא קריטית להבטיח הפעלה מהימנה של מערכות חשמל ותקשורת.
II. פתרון
1. אופטימיזציה של חומרי מוליכים: שמירה על מאוזן בין נדידה ובין כלכליות
- אסטרטגיה ראשונית: לתת עדיפות לשימוש בנחושת חסרת חמצן ברמת טוהר גבוהה (OFC). נדידתה עולה על 58 MS/m, וממש מגיעה מעל אלומיניום (כ-35 MS/m), מה שמרדד באופן משמעותי את אובדי החום של ג'ול (I²R) במהלך ההעברה ושופר את יעילות האנרגיה.
- חלוקה למקרים:
- יישומים במרחק בינוני/קצר עם זרמים גבוהים: להתעקש על מוליכי נחושת. עיצוב השטח הצולב חייב לעמוד בדרישות הזרם המותר (לדוגמה, כבלים חשמליים ≥70mm²), תוך הבטחת עמידות נמוכה ואיבוד חום נמוך.
- העברה קרקעית למרחק ארוך: לבחור באלומיניום מוליך (סדרה AA-8000). עבור זרם מותר שווה, הוא כ-50% יותר קל מנחושת, מה שמרדד באופן משמעותי את עומס המגדלים על העלות של התקנתם. שימו לב: נקודות חיבור מוליכי אלומיניום דורשות טיפול מיוחד (צמדת אנטי-אוקסידנט, בורג מומנט) למנוע מגע גרוע ואיבוד חום.
- פתרון חדשני: עבור יישומים רגישים למחיר הדורשים הפחתה במשקל (לדוגמה, חבילות כבלים למכוניות אנרגיה חדשה), ניתן לבחור במוליכי נחושת-אלומיניום מצופה (CCA), שמתחזק את הנדידה החיצונית תוך הפחתת משקל בכ-30%.
2. תגבור שכבה מבודדת: שיפור עמידות לטמפרטורה גבוהה ועמידות
- חומר מועדף: פוליאתילן צלב-מקושר (XLPE). יתרונותיו העיקריים כוללים:
- ביצועים תרמיים: טמפרטורת פעולה מתמשכת מגיעה ל-90°C (30°C מעל לפוליאתילן סטנדרטי), טמפרטורת התנגדות קצרה מגיעה ל-250°C, מה שמפחית משמעותית את הזדקנות התרמית.
- תכונות דיאלקטיות: 저ومة נפחי > 10¹⁴ Ω·cm, אובדן דיאלקטי תדר חשמל < 0.001, תוך הבטחת אמינות מבודדת בסביבות מתח גבוה (לדוגמה, כבלים חשמליים 35kV).
- חוזק מכני: המבנה הצלב-מקושר משפר את עמידות החיתוך ומציע עמידות טובה מאוד לקריסת לחץ סביבתי (ESCR).
- תגובה לתנאים מיוחדים:
- העברת אותות בתדר גבוה: להשתמש בפוליאתילן מבודד פיזיקלי/כימי מעובק כדי להפחית את הקבוע הדיאלקטי (εr≈1.4), תוך הפחתת הרדודה של האות.
- סביבות טמפרטורה קיצונית: להשתמש במבודד פלסטיק פלואורי עמיד לטמפרטורה גבוהה (לדוגמה, ETFE), עם טמפרטורת פעולה עד 150°C.
3. אופטימיזציה של תכנון מבני: הגנה מכנית ותגבור בטיחות
- מערכת הגנה מרובת שכבות:
- שכבת מילוי: למלא את הפערים בין מוליכים משוטטים עם חוטים מבודדים ממים (樹脂吸收性聚丙烯酸酯) 或防水化合物以实现纵向防水（符合IEC 60502）。对于多芯电缆，使用聚丙烯填充绳以确保圆形完整性。
- 内护套： 选择高密度聚乙烯 (HDPE) 或热塑性聚氨酯 (TPU)，提供径向防水和抗侧压性能（抗压强度 ≥2000N/100mm）。
- 铠装（可选）：
- 重机械应力环境（例如直接埋地）：使用镀锌钢带铠装（厚度 ≥ 0.2mm）。
- 需要抗扭能力（例如矿山电缆）：使用细钢丝编织铠装。
- 外护套：
- 基本保护： 聚氯乙烯 (PVC)，经济实惠且具有良好的耐候性（工作温度：-20°C ~ 70°C）。
- 增强安全性： 低烟无卤 (LSZH) 化合物，氧指数 ≥32，烟密度 Dₛ ≤60（符合GB/T 19666），显著减少有毒气体排放（HCl <5mg/g）和火灾时的视觉遮挡风险。
- 耐磨性： 尼龙12护套，洛氏硬度 R120，适用于动态弯曲应用，如机器人拖链电缆。
- 电磁兼容性 (EMC) 设计： 为中高压电缆添加铜线屏蔽（覆盖率 ≥85%）。对于变频驱动 (VFD) 电缆，使用铝-聚酯复合带 + 锡铜编织双屏蔽以抑制高频干扰（在30MHz~1GHz频段内的衰减 ≥60dB）。
III. 方案价值总结
通过特定场景下的导体选择（铜/铝），实现了导电效率与成本之间的动态平衡。XLPE绝缘材料确保了高温环境下的介电稳定性。多层复合结构（填充 + 护套 + 可选铠装）建立了机械和防火屏障。该方案通过阻燃护套将电缆传输损耗降低了15%~20%（铜 vs. 铝），延长了使用寿命超过30年（XLPE vs. PVC），并通过阻燃护套将火灾风险降低了70%（LSZH vs. PVC），全面满足了效率、安全和稳定的核心要求。
III. סיכום ערך הסכימה
באמצעות בחירת מוליכים בהתאם לסצENARIO (נחושת/אלומיניום), מושג מאוזן דינמי בין יעילות הנדידה לעלות. מבודק XLPE מבטיח יציבות דיאלקטית בסביבות טמפרטורה גבוהה. המבנה המורכב רב-שכבתי (מילוי + שכבת חיצונית + קירסה אופציונלית) בונה מחסומים מכניים ואנטי-שריפה. הסכימה זו מפחיתה את אובדי ההעברה של הכבלים ב-15%~20% (נחושת לעומת אלומיניום), מאריכה את תקופת השימוש מעבר ל-30 שנים (XLPE לעומת PVC), ומפחיתה את סיכוני השריפה ב-70% (LSZH לעומת PVC) באמצעות שכבת חיצונית אנטי-שריפה, ומגיבה באופן כולל לדרישות הליבה של יעילות, בטיחות ויציבות.
