חומר כבל מתח גבוה לרכב חשמלי ותהליך הכנתו

העידן החדש של תעשיית הרכב בתחום האנרגיה החדשה נושא בתוכו את המשימה הכפולה של טרנספורמציה תעשייתית ושדרוג והגנה על הסביבה האטמוספירית, מה שמניע רבות את הפיתוח התעשייתי של כבלי מתח גבוה ואביזרים נלווים אחרים לרכבים חשמליים. יצרני כבלים וגופי הסמכה השקיעו אנרגיה רבה במחקר ופיתוח של כבלי מתח גבוה לרכבים חשמליים. כבלי מתח גבוה לרכבים חשמליים דורגים דרישות ביצועים גבוהות בכל ההיבטים, ועליהם לעמוד בתקן RoHSb, בדרישות תקן UL94V-0 מעכב בעירה ובביצועים רכים. מאמר זה מציג את החומרים וטכנולוגיית ההכנה של כבלי מתח גבוה לרכבים חשמליים.

1. חומר כבל המתח הגבוה
(1) חומר המוליך של הכבל
כיום, ישנם שני חומרים עיקריים לשכבת מוליך כבלים: נחושת ואלומיניום. מספר חברות סבורות כי ליבת אלומיניום יכולה להפחית משמעותית את עלויות הייצור שלהן. על ידי הוספת נחושת, ברזל, מגנזיום, סיליקון ויסודות אחרים על בסיס חומרי אלומיניום טהורים, באמצעות תהליכים מיוחדים כמו סינתזה וחישול, משפרים את המוליכות החשמלית, ביצועי הכיפוף ועמידות בפני קורוזיה של הכבל, על מנת לעמוד בדרישות של אותה קיבולת עומס, כדי להשיג את אותה השפעה כמו מוליכי ליבת נחושת או אפילו טובה יותר. כך, עלות הייצור נחסכת משמעותית. עם זאת, רוב המפעלים עדיין רואים בנחושת את החומר העיקרי של שכבת המוליך, ראשית, ההתנגדות של הנחושת נמוכה, ורוב הביצועים של הנחושת טובים יותר מאלומיניום באותה רמה, כגון קיבולת נשיאת זרם גדולה, אובדן מתח נמוך, צריכת אנרגיה נמוכה ואמינות חזקה. כיום, בחירת המוליכים בדרך כלל משתמשת בתקן הלאומי 6 מוליכים רכים (התארכות חוט נחושת בודד חייבת להיות גדולה מ-25%, קוטר המונופילמנט קטן מ-0.30) כדי להבטיח את הרכות והקשיחות של המונופילמנט הנחושת. טבלה 1 מפרטת את הסטנדרטים שיש לעמוד בהם עבור חומרי מוליכי נחושת נפוצים.

(2) חומרי שכבת בידוד של כבלים
הסביבה הפנימית של כלי רכב חשמליים מורכבת. מצד אחד, בבחירת חומרי בידוד, יש להבטיח שימוש בטוח בשכבת הבידוד, ומצד שני, לבחור ככל האפשר חומרים קלים לעיבוד ובעלי שימוש נרחב. כיום, חומרי הבידוד הנפוצים הם פוליוויניל כלוריד (PVC),פוליאתילן צולב (XLPE), גומי סיליקון, אלסטומר תרמופלסטי (TPE) וכו', ותכונותיהם העיקריות מוצגות בטבלה 2.
ביניהם, PVC מכיל עופרת, אך הנחיית RoHS אוסרת על שימוש בעופרת, כספית, קדמיום, כרום משושה, אתרי דיפניל פוליברומינציה (PBDE) וביפנילים פוליברומינציה (PBB) וחומרים מזיקים אחרים, כך שבשנים האחרונות הוחלף PVC על ידי XLPE, גומי סיליקון, TPE וחומרים ידידותיים לסביבה אחרים.

(3) חומר שכבת מיגון כבלים
שכבת המיגון מחולקת לשני חלקים: שכבת מיגון חצי מוליכה ושכבת מיגון קלועה. התנגדות הנפח של חומר המיגון החצי-מוליכה בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס ו-90 מעלות צלזיוס ולאחר הזדקנות היא מדד טכני חשוב למדידת חומר המיגון, אשר קובע בעקיפין את חיי השירות של כבל מתח גבוה. חומרי מיגון חצי-מוליכה נפוצים כוללים גומי אתילן-פרופילן (EPR), פוליוויניל כלוריד (PVC) ו...פוליאתילן (PE)חומרים מבוססי חומרים. במקרה בו לחומר הגלם אין יתרון ולא ניתן לשפר את רמת האיכות בטווח הקצר, מוסדות מחקר מדעיים ויצרני חומרי כבלים מתמקדים במחקר טכנולוגיית העיבוד ויחס הנוסחה של חומר המיגון, ומחפשים חדשנות ביחס ההרכב של חומר המיגון כדי לשפר את הביצועים הכוללים של הכבל.

2. תהליך הכנת כבל מתח גבוה
(1) טכנולוגיית גדילי מוליכים
התהליך הבסיסי של כבלים פותח במשך זמן רב, ולכן יש גם מפרטים סטנדרטיים משלהם בתעשייה ובארגונים. בתהליך משיכת החוטים, בהתאם למצב פריקת החוטים של חוט בודד, ניתן לחלק את ציוד השזירה למכונת פריקת חוטים, מכונת פריקת חוטים ומכונה פריקה/פריקת חוטים. בשל טמפרטורת הגיבוש הגבוהה של מוליך נחושת, טמפרטורת החישול וזמן החישול ארוכים יותר, ראוי להשתמש בציוד מכונת פריקת חוטים לביצוע משיכה רציפה ומשיכה רציפה של חוטים על מנת לשפר את קצב ההתארכות והשבר של משיכת החוטים. כיום, כבל פוליאתילן צולב (XLPE) החליף לחלוטין את כבל נייר השמן בין רמות מתח של 1 ל-500kV. ישנם שני תהליכי יצירת מוליכים נפוצים עבור מוליכי XLPE: דחיסה מעגלית ופיתול חוטים. מצד אחד, ליבת החוט יכולה להימנע מטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה בצינור המצולב, מה שגורם ללחיצה על חומר המיגון וחומר הבידוד שלו לתוך פער החוטים השזורים ולגרום לבזבוז; מצד שני, זה יכול גם למנוע חדירת מים לאורך כיוון המוליך כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה של הכבל. מוליך הנחושת עצמו הוא מבנה קונצנטרי של גדיל, המיוצר בעיקר על ידי מכונת גדיל מסגרת רגילה, מכונת גדיל מזלג וכו'. בהשוואה לתהליך הדחיסה המעגלי, זה יכול להבטיח היווצרות עגולה של גדיל המוליך.

(2) תהליך ייצור בידוד כבלי XLPE
לייצור כבל XLPE במתח גבוה, קישור צולב יבש קווי (CCV) וקישור צולב יבש אנכי (VCV) הם שני תהליכי עיצוב.

(3) תהליך שחול
בעבר, יצרני כבלים השתמשו בתהליך שיחול משני לייצור ליבת בידוד כבלים, הצעד הראשון בוצע בו זמנית באמצעות שיחול של מגן המוליך ושכבת הבידוד, ולאחר מכן החיבור הצולב והליכה למגש הכבלים, הנחתם למשך זמן מה ולאחר מכן שיחולו את מגן הבידוד. במהלך שנות ה-70, הופיע תהליך שיחול תלת-שכבתי 1+2 בליבת חוט מבודדת, המאפשר השלמת מיגון ובידוד פנימיים וחיצוניים בתהליך אחד. התהליך מייצר תחילה שיחול של מגן המוליך, לאחר מרחק קצר (2~5 מטר), ולאחר מכן שיחול של הבידוד ומגן הבידוד על גבי מגן המוליך בו זמנית. עם זאת, לשתי השיטות הראשונות יש חסרונות גדולים, ולכן בסוף שנות ה-90, ספקי ציוד לייצור כבלים הציגו תהליך ייצור שיחול משותף תלת-שכבתי, שבו ייצרו שיחול של מיגון מוליך, בידוד ומיגון בידוד בו זמנית. לפני מספר שנים, מדינות זרות השיקו גם ראש חבית חדש של מכבש ועיצוב לוח רשת מעוקל, על ידי איזון לחץ הזרימה בחלל ראש הבורג כדי להקל על הצטברות חומר, להאריך את זמן הייצור הרציף, והחלפת שינוי בלתי פוסק של מפרטי עיצוב הראש יכולה גם לחסוך מאוד בעלויות השבתה ולשפר את היעילות.

3. סיכום
לרכבי אנרגיה חדשים יש סיכויי פיתוח טובים ושוק עצום, והם זקוקים לסדרה של מוצרי כבלי מתח גבוה בעלי קיבולת עומס גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, אפקט מיגון אלקטרומגנטי, עמידות לכיפוף, גמישות, חיי עבודה ארוכים וביצועים מצוינים אחרים כדי לתפוס את השוק. חומרי כבלי מתח גבוה לרכב חשמלי ותהליך ההכנה שלהם בעלי סיכויי פיתוח רחבים. כלי רכב חשמליים לא יכולים לשפר את יעילות הייצור ולהבטיח את בטיחות השימוש ללא כבלי מתח גבוה.