Sviluppo di cavi elettrici resistenti all'usura, ad alta resistenza e altamente ignifughi

Sviluppo di cavi elettrici resistenti all'usura, ad alta resistenza e altamente ignifughi

Astratto

Questo documento esamina sistematicamente i principi di progettazione, la selezione dei materiali, i processi di produzione e i metodi di valutazione delle prestazioni per cavi elettrici resistenti all'usura, ad alta resistenza e altamente ignifughi. Analizzando i limiti dei materiali tradizionali dei cavi e incorporando gli ultimi progressi nella moderna scienza dei materiali polimerici, viene proposto uno schema di progettazione innovativo del cavo basato su una struttura composita multistrato. Lo schema impiega un materiale composito a base di poliuretano come strato di guaina esterna, uno strato ignifugo in gomma siliconica come strato intermedio, uno strato di armatura intrecciata in filo di acciaio zincato come strato di rinforzo, uno strato isolante XLPE come strato di isolamento elettrico e uno strato schermante composito intrecciato con filo di rame e foglio di alluminio. I risultati della ricerca indicano che il cavo progettato supera significativamente le prestazioni dei cavi tradizionali in termini di resistenza all'usura, resistenza meccanica, ritardo di fiamma e adattabilità ambientale. Attraverso test e verifiche sistematici, il cavo soddisfa i requisiti dei più elevati standard internazionali sui ritardanti di fiamma come IEC 60332-3A e BS 6387 CWZ, mostrando allo stesso tempo eccellenti proprietà meccaniche e affidabilità operativa a lungo termine. Questo studio fornisce basi teoriche e riferimenti tecnici per la ricerca e lo sviluppo di cavi elettrici ad alte prestazioni e riveste un'importanza significativa per migliorare la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi elettrici.

Parole chiave: cavi di alimentazione; resistenza all'usura; alta resistenza; ritardante di fiamma; materiali compositi; struttura multistrato; standard di prova

1. Introduzione

1.1 Contesto e significato della ricerca

Con il rapido sviluppo dei moderni sistemi energetici, i requisiti prestazionali per i cavi elettrici, in quanto vettori critici per la trasmissione dell’energia elettrica, sono sempre più esigenti. Ciò è particolarmente evidente negli scenari applicativi in ​​ambienti complessi e difficili, come l’estrazione mineraria, l’ingegneria navale, il trasporto ferroviario e l’automazione industriale. Questi campi impongono requisiti estremamente elevati in termini di resistenza all'usura, resistenza meccanica e proprietà ignifughe dei cavi di alimentazione. I materiali tradizionali dei cavi, come il PVC e la gomma ordinaria, spesso presentano difetti in questi ambienti estremi, tra cui un'insufficiente resistenza all'usura, una resistenza meccanica limitata e prestazioni ritardanti di fiamma insoddisfacenti. Queste limitazioni possono comportare una riduzione della durata utile del cavo, un aumento dei costi di manutenzione e persino potenziali incidenti di sicurezza.

Lo sviluppo di cavi elettrici resistenti all’usura, ad alta resistenza e altamente ignifughi può non solo soddisfare i requisiti tecnici di scenari applicativi specifici, ma anche migliorare la sicurezza e l’affidabilità complessive dei sistemi di alimentazione. Secondo i dati statistici, i guasti ai cavi rappresentano una percentuale significativa dei guasti ai sistemi elettrici, in particolare quelli causati da danni meccanici e incendi. Pertanto, lo sviluppo di cavi elettrici con prestazioni eccellenti e complete è di significativa importanza pratica per garantire la continuità dell’alimentazione elettrica, ridurre i costi operativi e di manutenzione e migliorare la sicurezza del sistema.

Grafico comparativo delle prestazioni dei cavi

1.2 Stato attuale della ricerca in patria e all'estero

Negli ultimi anni, studiosi sia a livello nazionale che internazionale hanno condotto ricerche approfondite sui materiali dei cavi e sulla progettazione strutturale. A livello globale, i paesi e le regioni sviluppati come gli Stati Uniti, l’Europa e il Giappone hanno assunto un ruolo di primo piano nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie avanzate per i cavi. Gli standard di classificazione del ritardo di fiamma, tra cui CMP, CMR e CMG, stabiliti da Underwriters Laboratories (UL), sono diventati punti di riferimento del settore. La norma CEN EN 50575 pubblicata dal Comitato Europeo di Normazione specifica requisiti chiari per la prestazione al fuoco dei cavi. Il Giappone ha compiuto notevoli progressi nei cavi superconduttori ad alta temperatura e nei cavi speciali.

A livello nazionale, in linea con l'attuazione della strategia 'Made in China 2025', il livello tecnologico dell'industria dei cavi è in continuo miglioramento. Nel settore dei materiali ritardanti di fiamma, sono stati ampiamente adottati composti come il triidrossido di alluminio (ATH), l'idrossido di magnesio (MH) e i ritardanti di fiamma a base di fosforo. Per quanto riguarda i materiali di rinforzo, è sempre più diffusa l’applicazione di fibre ad alte prestazioni come la fibra aramidica, la fibra di vetro e la fibra di carbonio. La ricerca sui materiali isolanti, tra cui il polietilene reticolato (XLPE), la gomma siliconica e il poliuretano, è in continuo approfondimento.

Tuttavia, rimane un divario di mercato per i prodotti via cavo che presentano contemporaneamente un'eccellente resistenza all'usura, un'elevata resistenza meccanica e un ritardo di fiamma superiore. I prodotti esistenti spesso eccellono in un aspetto prestazionale specifico, ma non riescono a fornire proprietà complete per soddisfare le esigenze di ambienti operativi estremi. Pertanto, condurre una ricerca sistematica sui cavi elettrici resistenti all’usura, ad alta resistenza e altamente ignifughi ha un significativo valore teorico e pratico.

1.3 Obiettivi e contenuti della ricerca

L'obiettivo principale di questa ricerca è sviluppare un cavo di alimentazione resistente all'usura, ad alta resistenza ed altamente ignifugo con eccellenti prestazioni complete. I contenuti specifici della ricerca includono:

1.Analizzare sistematicamente i requisiti prestazionali per ciascuno strato funzionale del cavo e determinare gli indicatori chiave di prestazione;

2. Selezionare e ottimizzare i materiali per ogni strato funzionale e sviluppare nuovi materiali compositi;

3. Progettare una struttura composita multistrato ragionevole per ottenere l'ottimizzazione sinergica delle prestazioni;

4. Ottimizzare i parametri del processo di produzione per garantire la qualità di produzione del cavo;

5. Stabilire un sistema completo di test delle prestazioni per valutare appieno le prestazioni del cavo;

6. Analizzare l'affidabilità a lungo termine del cavo in diversi ambienti applicativi.

Attraverso l'implementazione sistematica dei contenuti di ricerca di cui sopra, si prevede di ottenere un cavo di alimentazione che raggiunga un livello avanzato a livello internazionale in termini di resistenza all'usura, resistenza meccanica, ritardo di fiamma e altri aspetti, fornendo supporto tecnico per applicazioni in campi correlati.

%1. Selezione dei materiali dei cavi e analisi delle prestazioni

2.1 Selezione e modifica dei materiali della guaina esterna

La guaina esterna è la struttura protettiva più esterna del cavo, direttamente sottoposta alle azioni meccaniche, chimiche e fisiche dell'ambiente esterno. Sebbene le tradizionali guaine in PVC offrano costi inferiori, soffrono di scarsa resistenza all'abrasione, resistenza agli agenti atmosferici inadeguata e fragilità alle basse temperature. Questo studio seleziona il poliuretano (PU) come materiale di base per la guaina esterna grazie alla sua eccellente resistenza all'abrasione, flessibilità e resistenza alla corrosione chimica.

La resistenza all'abrasione è uno dei vantaggi più importanti del PU; la sua resistenza all'usura è 8–10 volte quella della gomma ordinaria e 20–30 volte quella del PVC. Ciò trae vantaggio principalmente dalla struttura di separazione microfase dei segmenti duri e morbidi nella catena molecolare del PU: i segmenti duri forniscono forza e resistenza all'usura, mentre i segmenti morbidi offrono flessibilità ed elasticità. Tuttavia, il PU puro mostra uno scarso potere ritardante di fiamma, rendendo necessaria una modifica per migliorarne il grado di ritardo di fiamma.

Questo studio utilizza la tecnologia di modifica dei nanocompositi, incorporando sinergicamente sia il nano-triidrossido di alluminio (nano-ATH) che i ritardanti di fiamma a base di fosforo nella matrice PU. Nano-ATH, con la sua ampia superficie specifica e la buona disperdibilità, assorbe una notevole quantità di calore e rilascia vapore acqueo durante la combustione, fornendo effetti di raffreddamento e ritardanti di fiamma. I ritardanti di fiamma a base di fosforo promuovono la formazione di uno strato di carbone durante la combustione, isolando l'ossigeno e il calore. L'effetto sinergico di questi due migliora significativamente le prestazioni ignifughe del PU.

I risultati dei test prestazionali del materiale composito PU modificato indicano: la resistenza alla trazione raggiunge 25 MPa; l'allungamento a rottura raggiunge il 300%; la resistenza all'abrasione (abrasione Taber) migliora del 15% rispetto al PU puro; l'indice limite di ossigeno (LOI) aumenta dal 18% al 28%, rispettando lo standard ignifugo UL 94 V-0.

2.2 Screening e ottimizzazione dei materiali ignifughi

Lo strato ignifugo è un componente strutturale fondamentale per la sicurezza antincendio dei cavi. Questo studio seleziona la gomma siliconica come materiale di base per lo strato ignifugo grazie alla sua eccellente resistenza alle alte temperature, proprietà di isolamento elettrico e prestazioni ignifughe. A temperature elevate, la gomma siliconica può formare uno strato protettivo stabile di biossido di silicio, prevenendo efficacemente la propagazione della fiamma.

Per migliorare ulteriormente le prestazioni ignifughe della gomma siliconica, questo studio utilizza un riempitivo minerale composito Huntite/Hydromagnesite. L'huntite (CaMg₃(CO₃)₄) e l'idromagnesite (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) sono ritardanti di fiamma minerali naturali che si decompongono con il riscaldamento, rilasciando anidride carbonica e vapore acqueo, che diluiscono i gas combustibili e abbassano la temperatura.

La ricerca sperimentale mostra che quando l'aggiunta di Huntite/Idromagnesite è di 25 phr, il materiale composito in gomma siliconica raggiunge prestazioni globali ottimali. A questo livello, la resistenza alla trazione del materiale è di 5,68 MPa, l'allungamento a rottura è del 147,7% e l'indice limite di ossigeno raggiunge il 30%. Nei test standard BS 6387, questo materiale supera i test C e Z, dimostrando eccellenti prestazioni ignifughe.

Diagramma schematico della struttura del cavo

2.3 Progettazione e Applicazione dei Materiali di Rinforzo

La funzione primaria dello strato di rinforzo è quella di migliorare la resistenza meccanica del cavo, in particolare la sua resistenza alla trazione e alla compressione. Questo studio utilizza uno strato intrecciato di filo di acciaio zincato come struttura di rinforzo, offrendo i seguenti vantaggi:

1. Elevata resistenza: la resistenza alla trazione del filo di acciaio può superare i 1000 MPa, significativamente superiore a quella dei normali materiali polimerici.

2. Buona flessibilità: la struttura intrecciata consente al cavo di mantenere determinate proprietà di flessione pur mantenendo la sua resistenza.

3. Resistenza alla corrosione: il rivestimento di zinco previene efficacemente la corrosione del filo di acciaio, prolungandone la durata;

4. Effetto di schermatura elettromagnetica : lo strato di treccia metallica fornisce eccellenti prestazioni di schermatura elettromagnetica.

I parametri di progettazione per lo strato di intrecciatura del filo di acciaio includono il diametro del filo, la densità dell'intrecciatura e l'angolo di intrecciatura. Attraverso l'ottimizzazione, questo studio ha determinato i parametri ottimali di intrecciatura: un diametro del filo di 0,3 mm, una densità di intrecciatura dell'85% e un angolo di intrecciatura di 45°. Con questi parametri il cavo raggiunge una resistenza alla trazione di 50 kN e un raggio di curvatura pari a sei volte il diametro esterno del cavo.

Inoltre, questo studio ha incorporato un nastro di rinforzo in fibra aramidica nello strato di rinforzo per migliorare ulteriormente la resistenza agli urti e al taglio del cavo. La fibra aramidica possiede proprietà eccellenti come elevata robustezza, alto modulo e resistenza alle alte temperature, creando un effetto di rinforzo complementare con lo strato intrecciato di filo di acciaio.

2.4 Requisiti prestazionali per i materiali isolanti

Lo strato isolante è la struttura centrale che garantisce la sicurezza elettrica del cavo. Questo studio seleziona il polietilene reticolato (XLPE) come materiale isolante grazie alle sue eccellenti proprietà elettriche, resistenza al calore e prestazioni meccaniche.

I requisiti prestazionali per XLPE includono principalmente:

1.Proprietà elettriche: resistività di volume ≥ 1×10⊃1;⁴ Ω·cm, rigidità dielettrica ≥ 30 kV/mm, costante dielettrica ≤ 2,3;

2.Proprietà termiche: temperatura operativa a lungo termine 90°C, temperatura di sovraccarico a breve termine 130°C, temperatura di cortocircuito 250°C;

3. Proprietà meccaniche: resistenza alla trazione ≥ 15 MPa, allungamento a rottura ≥ 300%;

4. Resistenza ambientale: eccellente resistenza all'alberatura dell'acqua, buona resistenza alla corrosione chimica.

Per migliorare ulteriormente le prestazioni di XLPE, questo studio ha adottato le seguenti tecniche di modifica:

1. Nanomodificazione: aggiunta di nano-silice per migliorare la resistenza all'acqua e la resistenza meccanica del materiale;

2. Ottimizzazione del sistema antiossidante: adozione di un sistema antiossidante composito per migliorare la stabilità termica del materiale e l'affidabilità di servizio a lungo termine;

3. Ottimizzazione del processo di reticolazione: utilizzo di un processo di reticolazione con silano per controllare il grado e l'uniformità della reticolazione.

I risultati dei test prestazionali del materiale XLPE modificato indicano: la resistività di volume raggiunge 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, la rigidità dielettrica raggiunge 35 kV/mm, la resistenza alla trazione raggiunge 18 MPa, l'allungamento alla rottura raggiunge il 350% e la temperatura operativa a lungo termine è aumentata a 105°C.

3. Progettazione della struttura del cavo e processo di produzione

3.1 Principi di progettazione della struttura composita multistrato

Il cavo di alimentazione resistente all'usura, ad alta resistenza e ignifugo progettato in questo studio utilizza una struttura composita multistrato, in cui ogni strato funzionale lavora in sinergia per ottenere prestazioni complete ottimali. La struttura complessiva del cavo, dall'esterno verso l'interno, è la seguente:

1. Strato della guaina esterna: spessore 2,0 mm, materiale composito a base di poliuretano, che fornisce un'eccellente resistenza all'usura, agli agenti atmosferici e alla corrosione chimica;

2. Strato ignifugo: spessore 1,5 mm, materiale composito in gomma siliconica/Huntite, che fornisce prestazioni ignifughe superiori e resistenza alle alte temperature;

3. Strato di armatura: spessore 1,0 mm, strato intrecciato di filo di acciaio zincato, che fornisce elevata resistenza meccanica e resistenza agli urti.；

4. Strato della guaina interna: spessore 1,0 mm, materiale isolante XLPE, che fornisce eccellenti prestazioni di isolamento elettrico;

5. Strato schermante: spessore 0,5 mm, avvolgimento in foglio di alluminio + struttura composita intrecciata in filo di rame, che fornisce schermatura elettromagnetica e prestazioni anti-interferenza;

6. Conduttore: conduttore in rame intrecciato, con area della sezione trasversale determinata in base ai requisiti dell'applicazione;

7. Materiale di riempimento : riempimento in fibra ignifuga, che garantisce la rotondità e la stabilità della struttura del cavo.

La progettazione dello spessore di ciascuno strato funzionale si basa sull'analisi meccanica e sui requisiti prestazionali. Lo strato della guaina esterna richiede uno spessore sufficiente per resistere all'abrasione esterna e all'impatto meccanico; lo strato ignifugo richiede uno spessore adeguato per garantire un'efficace protezione antincendio; lo spessore dello strato di armatura è determinato in base ai requisiti di resistenza alla trazione del cavo; e lo spessore dello strato isolante è determinato in base alla tensione operativa e ai requisiti di sicurezza elettrica.

Il principio di progettazione della struttura composita multistrato si basa sulla separazione funzionale e sul miglioramento sinergico . Ciascun livello funzionale si concentra su requisiti prestazionali specifici. Attraverso la progettazione razionale dell'interfaccia e la selezione dei materiali, si ottiene un miglioramento sinergico delle prestazioni. Ad esempio, si forma un forte legame interfacciale tra lo strato della guaina esterna e lo strato ignifugo attraverso il legame chimico e l'incastro fisico , garantendo che non si verifichi delaminazione sotto stress meccanico.

3.2 Progettazione e ottimizzazione dei conduttori

Il conduttore è il componente principale del cavo per la trasmissione dell'energia elettrica. Questo studio utilizza rame privo di ossigeno di elevata purezza come materiale conduttore, ottenendo una conduttività del 101% IACS (International Annealed Copper Standard) e una resistività pari a 1,7241×10⁻⁸ Ω·m.

Il design strutturale del conduttore adotta un metodo di cordatura multifilo , offrendo i seguenti vantaggi:

1. Eccellente flessibilità: la cordatura di più fili sottili fornisce al cavo buone prestazioni di flessione, rendendolo adatto all'installazione in ambienti complessi;

2. Elevata affidabilità: anche in caso di rottura dei singoli fili, le prestazioni conduttive complessive del cavo rimangono inalterate.

I parametri di cordatura del conduttore includono diametro del filo singolo, passo di cordatura e direzione di cordatura. Attraverso l'ottimizzazione, questo studio ha determinato i parametri di cordatura ottimali: un diametro del filo singolo di 0,3 mm , un passo di cordatura di 12 volte il diametro del conduttore e la direzione di cordatura più esterna impostata su sinistra (direzione Z).

Per i conduttori di grande sezione, questo studio utilizza la tecnologia dello stampaggio a compressione , pressando conduttori rotondi in profili a forma di ventaglio o di piastrella. Ciò riduce il diametro esterno complessivo del cavo e migliora l'utilizzo dello spazio. Lo stampaggio a compressione aiuta inoltre a ridurre al minimo bave e sporgenze sulla superficie del conduttore, migliorando l'uniformità dello strato isolante.

L'area della sezione trasversale del conduttore viene determinata in base ai requisiti di capacità di trasporto di corrente del cavo . Questo studio ha sviluppato una serie di prodotti con sezioni trasversali che vanno da 1,5 mm² a 240 mm² , soddisfacendo le esigenze di vari scenari applicativi.

3.3 Flusso del processo di produzione

Il processo di produzione dei cavi elettrici resistenti all'usura, ad alta resistenza e con elevata ritardanza di fiamma è complesso e richiede un controllo preciso dei parametri in ogni fase. Il flusso di processo principale include:

1. Produzione di conduttori:

○ Trafilatura di verghe di rame: trafilatura di una verga di rame di 8 mm di diametro attraverso una macchina trafilatrice per produrre fili singoli del diametro richiesto.；

○ Ricottura a filo singolo: esecuzione della ricottura in atmosfera protettiva per eliminare l'incrudimento e migliorare la flessibilità.

○ Cordatura del conduttore: cordatura di più fili singoli in base ai parametri di progettazione per formare il nucleo del conduttore.。

1. Estrusione di isolamento ::

○ Pretrattamento del materiale: essiccazione dei pellet XLPE per rimuovere l'umidità.

○ Stampaggio per estrusione: rivestimento uniforme della superficie del conduttore con materiale XLPE attraverso un estrusore.

○ Trattamento di reticolazione: utilizzo di un processo di reticolazione con silano per eseguire la reazione di reticolazione in un ambiente di vapore.

○ Raffreddamento e modellatura: raffreddamento tramite una vasca di raffreddamento ad acqua per impostare la forma dello strato isolante.

2. Produzione dello strato di protezione:

○ Avvolgimento in foglio di alluminio: avvolgimento a spirale di un nastro di foglio di alluminio sulla superficie dello strato isolante.

○ Treccia di filo di rame: intrecciare uno strato schermante di filo di rame sopra lo strato di foglio di alluminio.

○ Trattamento di saldatura: saldatura delle estremità dello strato intrecciato per garantire la continuità elettrica.

3. Processo di formazione dei cavi:

○ Cordatura dei nuclei: cordatura di più nuclei isolati secondo la struttura progettata.

○ Trattamento di riempimento: riempimento degli spazi vuoti nella struttura a trefoli con materiale in fibra ignifuga.

○ Protezione dell'avvolgimento: utilizzo di nastro in tessuto non tessuto per la protezione dell'avvolgimento per evitare danni.

4. Produzione di strati di armatura: ：

○ Trecciatura di filo di acciaio: utilizzo di una trecciatrice ad alta velocità per intrecciare filo di acciaio zincato.

○ Controllo della tensione: controllo preciso della tensione dell'intreccio per garantire la qualità dell'intreccio.

○ Trattamento finale: Fissaggio delle estremità dello strato intrecciato.

5. Estrusione di strati ignifughi:

○ Miscelazione del materiale: miscelare accuratamente il materiale di base in gomma siliconica con il riempitivo Huntite.

○ Rivestimento per estrusione: rivestimento dello strato di armatura con materiale ignifugo utilizzando un estrusore.；

○ Trattamento di vulcanizzazione: esecuzione della reazione di vulcanizzazione ad alte temperature per formare una struttura reticolata.。

6. Estrusione della guaina esterna:

○ Preparazione del materiale: fusione del materiale composito in poliuretano modificato.

○ Stampaggio per estrusione: estrusione e rivestimento del materiale della guaina esterna utilizzando un estrusore.

○ Raffreddamento e modellatura: Raffreddamento e modellatura utilizzando un sistema di raffreddamento a più stadi.

○ Trattamento superficiale: esecuzione di levigatura della superficie e stampa di contrassegni identificativi.

L'intero processo di produzione richiede un controllo rigoroso di parametri quali temperatura, pressione e velocità per garantire la qualità di ogni strato funzionale e la forza dei legami interfacciali. I processi chiave utilizzano la tecnologia di rilevamento online per il monitoraggio in tempo reale della qualità del prodotto.

3.4 Controllo dei parametri chiave del processo

I parametri chiave del processo nella produzione dei cavi influenzano direttamente le prestazioni finali del prodotto. Attraverso l'ottimizzazione sperimentale, questo studio ha determinato i seguenti parametri critici di processo:

1. Controllo della temperatura di estrusione: ：

○ Estrusione di isolamento XLPE : temperatura del cilindro 110-130°C, temperatura della testa 120-140°C, temperatura dello stampo 130-150°C;

○ Estrusione di strati ignifughi in gomma siliconica : temperatura del cilindro 70-90°C, temperatura della testa 80-100°C, temperatura dello stampo 90-110°C;

○ Estrusione guaina esterna in poliuretano : temperatura canna 180-200°C, temperatura testa 190-210°C, temperatura matrice 200-220°C.

1. Controllo del processo di reticolazione:

○ Reticolazione del silano : temperatura di reticolazione 85-95°C, tempo di reticolazione 4-6 ore, pressione del vapore 0,3-0,5 MPa;

○ Vulcanizzazione della gomma siliconica : temperatura di vulcanizzazione 160-180°C, tempo di vulcanizzazione 10-15 minuti.

2. Controllo della tensione ::

○ Tensione di cordatura del conduttore : tensione del filo singolo controllata al 10-15% del carico di rottura;

○ Tensione dell'intreccio : tensione dell'intreccio del filo d'acciaio controllata al 20-25% del carico di rottura;

○ Tensione di riavvolgimento : la tensione di riavvolgimento viene mantenuta uniforme per evitare la deformazione del cavo.

3. Controllo del raffreddamento:

○ Raffreddamento dello strato isolante : adozione del raffreddamento a fasi: temperatura dell'acqua del primo stadio 60-70°C, secondo stadio 40-50°C, terzo stadio 20-30°C;

○ Raffreddamento della guaina esterna : utilizza una combinazione di raffreddamento ad aria + raffreddamento ad acqua per garantire un raffreddamento uniforme.

4. Trattamento dell'interfaccia:

○ Trattamento superficiale : esecuzione di un trattamento al plasma o chimico sulla superficie di ciascuno strato funzionale per migliorare la forza del legame interfacciale;

○ Selezione dell'adesivo: selezione di adesivi con buona compatibilità con i materiali del substrato per garantire un forte legame interfacciale. Controllando con precisione questi parametri chiave del processo, è possibile garantire la stabilità della qualità di ogni strato funzionale del cavo, il legame interfacciale può essere reso affidabile e il prodotto finale può raggiungere prestazioni eccellenti.

4. Metodi di test e valutazione delle prestazioni

4.1 Standard di test di ritardanza di fiamma

Il ritardo di fiamma è un indicatore fondamentale di sicurezza per i cavi di alimentazione. Questo studio ha creato un sistema completo di test sul ritardo di fiamma basato su standard internazionali, che include principalmente i seguenti elementi di prova:

5. Test della fiamma verticale a filo singolo (IEC 60332-1):

○ Metodo di test: un campione di cavo lungo 1,5 metri viene sospeso verticalmente e una fiamma specifica (1 kW di potenza) viene applicata all'estremità inferiore per 60 secondi.

○ Standard di qualificazione: dopo lo spegnimento della fiamma, la lunghezza carbonizzata non supera i 2,5 metri e la fiamma non si diffonde all'estremità superiore del campione.

6. Test della fiamma verticale per cavi raggruppati (IEC 60332-3):

○ Metodo di prova: più cavi vengono raggruppati e installati su una scala verticale, sottoposti a una fiamma specifica (potenza 20,5 kW) per 40 minuti.

○ Standard di classificazione: in base all'altezza di propagazione della fiamma e alla lunghezza carbonizzata, è classificato in quattro classi (A, B, C, D), di cui la Classe A è la più rigorosa.

Obiettivo per questo studio:

4.1 Standard per i test di resistenza alla fiamma (continua)

7. Prova di resistenza al fuoco (IEC 60331):

○ Metodo di prova: il cavo viene sottoposto a una fiamma a 750°C per 3 ore mentre viene applicata la tensione nominale.

○ Standard di qualificazione: il cavo mantiene la continuità elettrica e la sua resistenza di isolamento non scende al di sotto del valore specificato.

○ Requisito speciale: dopo il test, il cavo deve essere in grado di resistere all'impatto meccanico specificato.

8. Prova antincendio completa (BS 6387):

○ Test C: Esposizione ad una fiamma a 950°C per 3 ore per valutare la resistenza al fuoco del cavo sotto fiamme ad alta temperatura;

○ Test W: esposizione a una fiamma a 650°C per 15 minuti seguita da 30 minuti di spruzzo d'acqua per simulare le prestazioni in condizioni di sprinkler antincendio;

○ Z Test: esposizione a una fiamma a 950°C per 15 minuti durante l'applicazione di un impatto meccanico per valutare le prestazioni del cavo quando sottoposto a impatto durante un incendio;

○ Valutazione più alta: CWZ , che indica che il cavo può superare contemporaneamente i test C, W e Z.

9. Test standard UL americani:

○ UL 910 (classificazione CMP) : per cavi utilizzati in plenum, che richiedono il massimo grado di ritardo di fiamma;

○ UL 1666 (classificazione CMR) : per cavi montanti verticali tra i piani;

○ UL 1581 (classificazione CM/CMG) : per cavi per uso generale;

○ UL 1581 VW-1 : test di fiamma verticale con requisiti severi.

10. Test standard europeo (EN 50575):

○ Classe B1 : grado di protezione antincendio più elevato, adatto per luoghi con requisiti di sicurezza antincendio estremamente elevati;

○ Classe B2 : Elevato grado di protezione al fuoco, adatto per edifici importanti;

○ Classe C : Grado di protezione antincendio medio, adatto per edifici generali;

○ Classe D : Grado di protezione antincendio di base.

Tabella comparativa degli standard di test dei cavi

4.2Metodi di prova delle prestazioni meccaniche

Le prestazioni meccaniche sono un indicatore cruciale per valutare la durabilità e l'affidabilità dei cavi. Questo studio ha creato un sistema completo di test delle prestazioni meccaniche:

11. Prova di resistenza alla trazione:

○ Norma di prova : GB/T 2951.11 / IEC 60811-1-1;

○ Metodo di prova : il campione di cavo viene bloccato in una macchina per prove di trazione e allungato a una velocità specifica fino alla rottura;

○ Parametri di prova : velocità di trazione 50 mm/min, temperatura di prova 23±2°C;

○ Metriche di valutazione : forza di trazione massima, resistenza alla trazione, allungamento a rottura.

12. Test delle prestazioni di flessione:

○ Test di flessione ripetuto : il cavo viene piegato ripetutamente attorno a un cilindro di un diametro specificato e viene registrato il numero di piegature prima della rottura;

○ Test di flessione unidirezionale : valuta la capacità del cavo di mantenere le prestazioni in uno stato piegato fisso;

○ Test del raggio di curvatura minimo : determina il raggio più piccolo al quale il cavo può essere piegato in sicurezza.

13. Test di resistenza all'usura:

○ Test di abrasione Taber : utilizzo di un abrasivo lineare Taber 5750 per valutare la resistenza all'usura della superficie del cavo;

○ Test di abrasione da raschiamento : conforme allo standard ISO 6722, che simula le condizioni di usura dei cavi nei veicoli;

○ Test di graffio del cavo : conforme allo standard IEC 60794-1-2, che valuta la resistenza all'usura dello strato protettivo del cavo.

14. Test delle prestazioni di impatto:

○ Test di impatto con peso di caduta : valuta la capacità del cavo di resistere ai danni sotto carico d'impatto;；

○ Prova d'urto del pendolo: misura la resistenza all'urto del cavo.

15. Test delle prestazioni di compressione:

○ Prova di compressione della piastra piana : Valuta la deformazione e la capacità di recupero del cavo sotto pressione;

○ Test di flessione a tre punti : misura la rigidità e la resistenza alla flessione del cavo.

4.3 Requisiti per il test delle prestazioni elettriche

Le prestazioni elettriche sono il requisito funzionale fondamentale dei cavi di alimentazione. Questo studio ha stabilito un rigoroso sistema di test delle prestazioni elettriche:

16. Test di resistenza del conduttore:

○ Norma di prova: GB/T 3048.4 / IEC 60228;

○ Metodo di prova: misurazione della resistenza CC del conduttore utilizzando un doppio ponte o un microohmmetro;

○ Criterio di accettazione: la resistenza del conduttore a 20°C non supera il valore specificato.

16. Test di resistenza all'isolamento:

○ Norma di prova: GB/T 3048.5 / IEC 60229;

○ Metodo di prova: applicazione di una tensione di 500 V CC per misurare la resistenza di isolamento;

○ Criterio di accettazione: la resistenza di isolamento non è inferiore al valore specificato (tipicamente ≥ 100 MΩ·km).

17. Prova di tensione di resistenza:

○ Test di resistenza alla tensione a frequenza di rete: applicazione di una tensione a frequenza di rete specificata (ad es. 3,5U₀) per 5 minuti senza guasti;

○ Test di tensione di tenuta CC: applicazione di una tensione CC specificata per 15 minuti, con corrente di dispersione stabile che non supera il valore specificato.

18. Prova di scarica parziale:

○ Norma di prova: GB/T 3048.12 / IEC 60270;

○ Metodo di prova: misurazione dell'entità della scarica parziale a una tensione di 1,73U₀;

○ Criterio di accettazione: l'entità della scarica parziale non supera 5 pC.

19. Test di capacità e perdita dielettrica:

○ Metodo di prova: misurazione della capacità di lavoro del cavo e della tangente di perdita dielettrica;

○ Metriche di valutazione: il valore della capacità soddisfa i requisiti di progettazione, il valore della tangente di perdita dielettrica è basso.

4.4 Prove di idoneità ambientale

I cavi incontrano varie condizioni ambientali complesse nell'uso pratico. Questo studio ha stabilito un sistema completo di test di idoneità ambientale:

20. Test di invecchiamento termico:

○ Norma di prova: GB/T 2951.12 / IEC 60811-1-2;

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono posti in un forno a una temperatura specificata (ad esempio, 200°C) per una durata definita (ad esempio, 168 ore);

○ Metriche di valutazione: il tasso di variazione delle proprietà meccaniche ed elettriche prima e dopo il test.

21. Test di resistenza all'olio:

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono immersi nell'olio a una temperatura specifica (ad esempio 70°C) per una durata definita (ad esempio 24 ore);

○ Metriche di valutazione: variazioni di peso, proprietà meccaniche ed elettriche prima e dopo il test.

22. Test di resistenza alla corrosione chimica:

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono immersi in soluzioni chimiche come acidi e alcali per valutarne la resistenza alla corrosione;

○ Metriche di valutazione: modifiche all'aspetto, alle proprietà meccaniche e alle proprietà elettriche.

23. Test di resistenza al calore umido: ：

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono collocati in un ambiente ad alta temperatura e umidità elevata (ad esempio, 40°C, 95% di umidità relativa) per una durata specificata;

○ Metriche di valutazione: cambiamenti nella resistenza di isolamento e nell'aspetto.

24. Test di resistenza ai raggi ultravioletti (UV):

○ Norma di prova: GB/T 16422.3;

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono posti in una camera di invecchiamento UV e irradiati per una durata specifica (ad esempio, 1000 ore);

○ Metriche di valutazione: cambiamento di colore, fessurazione superficiale, cambiamenti nelle proprietà meccaniche.

25. Test delle prestazioni a bassa temperatura:

○ Metodo di prova: i campioni di cavo vengono collocati in un ambiente a bassa temperatura (ad esempio, -40°C) e sottoposti a flessione, impatto e altri test;

○ Metriche di valutazione: flessibilità e resistenza agli urti a basse temperature.

5. Risultati sperimentali e analisi

5.1 Risultati dei test sulle prestazioni dei materiali

Attraverso test sistematici dei materiali per ciascuno strato funzionale, sono stati ottenuti dati prestazionali dettagliati:

Materiale della guaina esterna (poliuretano modificato):

● Resistenza alla trazione: 25,3 ± 1,2 MPa

● Allungamento a rottura: 305 ± 15%

● Durezza Shore: 85 ± 2 A

● Taber Abrasion (mola CS-10, 1.000 g, 1.000 cicli): 35 ± 3 mg

● Indice limite di ossigeno (LOI): 28,5 ± 0,5%

● Classificazione UL 94: V-0

● Intervallo di temperatura operativa: da -40°C a +110°C

Materiale dello strato ignifugo (composito gomma siliconica/huntite):

● Resistenza alla trazione: 5,68 ± 0,25 MPa

● Allungamento a rottura: 147,7 ± 8,5%

● Indice limite di ossigeno (LOI): 30,2 ± 0,8%

● Temperatura di decomposizione termica (TGA, perdita di peso del 5%): 325 ± 10°C

● Densità del fumo (Camera di fumo NBS): 75 ± 5

● Indice di tossicità (CIT): 2,5 ± 0,3

Materiale isolante (XLPE modificato):

● Resistività del volume: 6,5×10⊃1;⁴ ± 0,5×10⊃1;⁴ Ω·cm

● Rigidità dielettrica: 35,2 ± 1,5 kV/mm

● Costante dielettrica (50 Hz): 2,28 ± 0,05

● Fattore di dissipazione (50 Hz): 0,0005 ± 0,0001

● Resistenza alla trazione: 18,3 ± 0,8 MPa

● Allungamento a rottura: 352 ± 18%

● Resistenza all'albero dell'acqua: superato il test accelerato dell'albero dell'acqua di 42 giorni

Materiale conduttore (rame privo di ossigeno):

● Conduttività: 101,2 ± 0,5% IACS

● Resistività: 1,724×10⁻⁸ ± 0,005×10⁻⁸ Ω·m

● Resistenza alla trazione: 220 ± 10 MPa

● Allungamento: 35 ± 3%

5.2 Valutazione completa delle prestazioni dei cavi

Il cavo di alimentazione sviluppato resistente all'usura, ad alta resistenza e altamente ignifugo è stato sottoposto a un test prestazionale completo, con i seguenti risultati:

Risultati dei test di resistenza alla fiamma:

26. Test della fiamma verticale a filo singolo IEC 60332-1: superato , lunghezza carbonizzata 1,8 m.

27. Test della fiamma verticale IEC 60332-3A per cavi raggruppati: superato , altezza di propagazione della fiamma 1,2 m.

28. Test di resistenza al fuoco IEC 60331: superato , continuità elettrica mantenuta a 750°C per 3 ore.

29. Test antincendio completo BS 6387:

○ Test C: superato , integrità del circuito mantenuta a 950°C per 3 ore.

○ Test W: superato , integrità del circuito mantenuta in condizioni di spruzzi d'acqua.

○ Test Z: superato , integrità del circuito mantenuta sotto impatto meccanico.

○ Valutazione complessiva: CWZ (voto più alto).

30. Test UL 910 (CMP): superato , lunghezza di propagazione della fiamma ≤ 1,5 m.

31. Classe di reazione al fuoco EN 50575: Classe B1 (classe più alta).

Risultati dei test sulle prestazioni meccaniche:

32. Resistenza alla trazione: resistenza alla trazione longitudinale 52,5 ± 2,5 kN.

33. Prestazioni di piegatura:

○ Cicli di piegatura ripetuti: >30.000 cicli (nessun danno).

○ Raggio minimo di curvatura: 6 volte il diametro esterno del cavo.

32. Resistenza all'usura:

○ Abrasione Taber: dopo 10.000 cicli, profondità di usura < 0,5 mm.

○ Abrasione da raschiamento: superato il test standard ISO 6722.

33. Prestazioni di impatto:

○ Impatto con caduta di peso: nessun danno visibile con un'energia d'impatto di 5 J.

○ Impatto pendolo: resistenza all'urto 45 kJ/m².

34. Prestazioni di compressione:

○ Compressione della piastra piana: tasso di deformazione < 15% sotto una pressione di 1000 N, tasso di recupero > 85%.

Risultati dei test sulle prestazioni elettriche:

35. Resistenza del conduttore: conforme ai requisiti standard GB/T 3956.

36. Resistenza di isolamento: > 5.000 MΩ·km (a 20°C).

37. Tensione di resistenza alla frequenza di alimentazione: test 3,5U₀/5min superato, nessun guasto.

38. Scarica parziale: < 3 pC (a tensione 1,73U₀).

39. Capacità e perdita dielettrica: soddisfa i requisiti di progettazione.

Risultati dei test di idoneità ambientale:

40. Test di invecchiamento termico (200°C/168 ore):

○ Ritenzione della resistenza alla trazione: > 85%.

○ Ritenzione dell'allungamento a rottura: > 80%.

○ Tasso di variazione della resistenza di isolamento: < 20%.

41. Test di resistenza all'olio (70°C/24 ore):

○ Tasso di variazione del peso: < 2%.

○ Tasso di mantenimento delle prestazioni meccaniche: > 90%.

42. Test di resistenza alla corrosione chimica:

○ Immersione in soluzione di acido solforico al 10% per 168 ore: nessun cambiamento nell'aspetto, tasso di mantenimento delle prestazioni > 85%.

○ Immersione in soluzione di idrossido di sodio al 10% per 168 ore: nessun cambiamento nell'aspetto, tasso di mantenimento delle prestazioni > 88%.

43. Test di resistenza al calore umido (40°C, 95% UR / 1000 ore):

○ Resistenza di isolamento: > 1.000 MΩ·km.

○ Aspetto: nessuna muffa, nessuna corrosione.

44. Test di resistenza ai raggi ultravioletti (UV) (1000 ore):

○ Cambio colore: ΔE < 3.

○ Condizioni della superficie: nessuna fessurazione, nessuno sfarinamento.

45. Test delle prestazioni a bassa temperatura (-40°C):

○ Piegatura a bassa temperatura: test di piegatura a -40°C superato.

○ Impatto a bassa temperatura: test di impatto a -40°C superato.

5.3 Confronto delle prestazioni con i cavi tradizionali

Per valutare oggettivamente l'innovazione di questa ricerca, è stato condotto un confronto delle prestazioni tra i cavi sviluppati e i prodotti via cavo tradizionali disponibili sul mercato:

	Indicatori di prestazione	Cavi tradizionali in PVC	Cavi XLPE standard	I cavi esaminati in questo studio	Miglioramento
Resistenza all'abrasione	Scarso (abrasione Taber > 200 mg)	Moderato (abrasione Taber 150 mg)	Eccellente (abrasione Taber 35 mg)	Aumentato del 76%
Classificazione ignifuga	VW-1	V-0	CWZ	Il voto più alto
Resistenza alla trazione	15MPa	18MPa	25MPa	Aumentato del 39%
Temperatura operativa	70℃	90 ℃	110℃	Aumentato del 22%
Resistenza chimica	Povero	Moderare	Eccellente	Significativamente migliorato
Durata di servizio	15 anni	20 anni	> 30 anni	Prorogato del 50%
Costo di manutenzione	Alto	Moderare	Basso	Ridotto del 40%

Come si può vedere dai risultati del confronto, il cavo sviluppato in questo studio supera significativamente i prodotti di cavo tradizionali in tutti i parametri prestazionali. In particolare, in termini di resistenza all'abrasione e ritardante di fiamma, soddisfa i più elevati standard internazionali.

5.4 Analisi dell'affidabilità a lungo termine

Per valutare l'affidabilità a lungo termine dei cavi, sono stati condotti test di invecchiamento accelerato e analisi di previsione della durata di vita:

Test di invecchiamento accelerato:

1. Test di invecchiamento termico: i test di invecchiamento accelerato sono stati condotti a tre temperature: 140°C, 150°C e 160°C, in conformità con l'equazione di Arrhenius, con durate di test rispettivamente di 1000 ore, 500 ore e 250 ore.

2. Test di invecchiamento con calore umido: il test di invecchiamento accelerato è stato condotto per 1.000 ore in condizioni di 85°C e 85% di umidità relativa.

3. Test di invecchiamento sotto stress meccanico: il test di invecchiamento è stato condotto per 1000 ore sotto stress di trazione costante (50% della resistenza alla rottura).

Risultati della previsione della durata della vita:

Sulla base dei dati dei test di invecchiamento accelerato, il modello Arrhenius è stato applicato per la previsione della durata della vita:

● Ad una temperatura operativa di 90°C, la vita utile prevista è di 35 anni (con una confidenza del 90%);

● Ad una temperatura operativa di 105°C, la vita utile prevista è di 25 anni (con una confidenza del 90%);

● In condizioni estreme (120°C), la durata di servizio prevista è di 15 anni (con una confidenza del 90%).

Analisi delle modalità di guasto: attraverso test di affidabilità a lungo termine, sono state identificate le principali modalità di guasto del cavo:

4. Invecchiamento dell'isolamento: la scissione della catena molecolare nell'XLPE sotto temperature elevate prolungate porta al degrado delle proprietà elettriche.

5. Delaminazione dell'interfaccia: le differenze nei coefficienti di dilatazione termica tra gli strati del materiale causano stress interfacciali, portando potenzialmente alla delaminazione.

6. Fatica meccanica: piegature e vibrazioni ripetute provocano danni da fatica al materiale.

7. Corrosione ambientale: la corrosione chimica e l'esposizione ai raggi UV causano il degrado delle prestazioni del materiale.

Misure protettive corrispondenti adottate in questo studio:

8. Formulazione ottimizzata del materiale isolante per migliorare la stabilità termica.

9. Tecnologia di trattamento dell'interfaccia applicata per migliorare la resistenza del legame tra gli strati.

10. Progettato una struttura razionale per ridurre la concentrazione dello stress.

11. Materiali selezionati resistenti agli agenti atmosferici per migliorare l'adattabilità ambientale.

6. Prospettive applicative e prospettive future
6.1 Analisi del dominio applicativo

Il cavo di alimentazione resistente all'usura, ad alta resistenza e ignifugo, con le sue eccezionali prestazioni complete, offre ampie prospettive di applicazione in molteplici campi:

1. Industria mineraria:

● Scenari applicativi: attrezzature per miniere sotterranee, sistemi di trasporto, sistemi di illuminazione, ecc.

● Requisiti tecnici: elevata resistenza all'abrasione, antideflagrante, ritardante di fiamma e resistente agli urti meccanici.

● Potenziale di mercato: il mercato cinese dei cavi minerari ha un valore di circa 20 miliardi di yen all'anno, con una forte domanda di prodotti di fascia alta.

2. Ingegneria offshore:

● Scenari applicativi: piattaforme offshore, cavi sottomarini, sistemi energetici navali.

● Requisiti tecnici: resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, tolleranza alle alte pressioni, ritardante di fiamma e lunga durata.

● Potenziale di mercato: con lo sviluppo accelerato delle risorse marine, la domanda di cavi specializzati sta crescendo rapidamente.

3. Transito ferroviario:

● Scenari applicativi: metropolitana, ferrovia ad alta velocità, sistemi elettrici ferroviari urbani.

● Requisiti tecnici: sicurezza antincendio, resistenza alle vibrazioni, bassa emissione di fumi e privo di alogeni.

● Potenziale di mercato: il continuo sviluppo ad alta velocità della costruzione di trasporti ferroviari in Cina determina una crescita costante della domanda di cavi.

4. Automazione industriale:

● Scenari applicativi: robot, linee di produzione automatizzate, sistemi logistici.

● Requisiti tecnici: elevata flessibilità, resistenza all'olio e alla contaminazione e capacità anti-interferenza.

● Potenziale di mercato: il progresso della produzione intelligente sta aumentando la domanda di cavi specializzati.

5. Settore delle nuove energie:

● Scenari applicativi: energia eolica, produzione di energia fotovoltaica, sistemi di accumulo dell'energia.

● Requisiti tecnici: resistenza agli agenti atmosferici, resistenza ai raggi UV, prestazioni alle alte temperature.

● Potenziale di mercato: il rapido sviluppo di nuova energia determina una forte domanda di cavi di supporto.。

6.2 Prospettive di industrializzazione

Sulla base dell’allineamento tra vantaggi tecnologici e domanda di mercato, i risultati della ricerca dimostrano promettenti prospettive di industrializzazione:

Vantaggi tecnologici:

12. Prestazioni leader: prestazioni complete incontrano l'internazionalità

13. Costi controllabili: l'elevato tasso di localizzazione delle materie prime garantisce costi di produzione competitivi.

14. Processi maturi: i processi di produzione ottimizzati sono adatti alla produzione su larga scala.

15. Standard completi: i prodotti sono conformi agli standard nazionali e internazionali, garantendo un'elevata accettazione da parte del mercato.

Opportunità di mercato:

16. Sostegno politico: le politiche nazionali incoraggiano l’innovazione nella produzione di apparecchiature e materiali di fascia alta.

17. Sostituzione delle importazioni: la dipendenza a lungo termine dai cavi importati di fascia alta crea una domanda urgente di alternative prodotte a livello nazionale.

18. Potenziamento industriale: il potenziamento delle industrie tradizionali aumenta la domanda di cavi ad alte prestazioni.

19. Iniziativa Belt and Road: i progetti di costruzione di infrastrutture all’estero presentano nuove opportunità di mercato.

Percorso di industrializzazione:

20. Trasferimento tecnologico: collaborare con le imprese produttrici di cavi per il trasferimento tecnologico e l'industrializzazione.

21. Costruzione di linee di produzione: stabilire linee di produzione dedicate per ottenere una produzione su larga scala.

22. Promozione del mercato: promuovere le applicazioni dei prodotti attraverso certificazioni di settore e progetti dimostrativi.

23. Innovazione continua: creare un centro di ricerca e sviluppo per il continuo aggiornamento dei prodotti e l'innovazione tecnologica.

Previsioni sui benefici economici:

● Investimento iniziale: investimento per la costruzione della linea di produzione di circa 50 milioni di yen.

● Capacità di produzione annuale: capacità annuale progettata di 10.000 chilometri.

● Valore della produzione annuale: valore della produzione annuale stimato di circa 500 milioni di yen a piena produzione.

● Periodo di recupero dell'investimento: previsto in 3–4 anni.

● Benefici sociali: riduzione delle perdite dovute a guasti ai cavi e miglioramento della sicurezza dei sistemi di alimentazione.

6.3 Direzioni future della ricerca

Sulla base delle basi di questo studio e delle tendenze di sviluppo della tecnologia dei cavi, vengono proposte le seguenti direzioni di ricerca future:

1. Tecnologia del cavo intelligente:

● Obiettivo della ricerca: sviluppare cavi intelligenti con funzionalità di monitoraggio delle condizioni.

● Tecnologie chiave: sensori integrati, tecnologia di trasmissione dati, algoritmi di valutazione delle condizioni.

● Prospettive applicative: consente la previsione dei guasti dei cavi e la manutenzione preventiva.

2. Tecnologia dei cavi superconduttori:

● Obiettivo della ricerca: sviluppare cavi elettrici superconduttori ad alta temperatura.

● Tecnologie chiave: materiali superconduttori, sistemi di raffreddamento criogenici, tecnologia dei giunti.

● Prospettive applicative: trasmissione di energia elettrica ad alta capacità e con poche perdite.

3. Materiali dei cavi ecologici:

● Obiettivo della ricerca: sviluppare materiali per cavi biodegradabili e riciclabili rispettosi dell'ambiente.

● Tecnologie chiave: polimeri di origine biologica, ritardanti di fiamma ecologici, tecnologia di riciclaggio.

● Prospettive applicative: ridurre l'impatto ambientale dei rifiuti di cavi.

4. Adattabilità ad ambienti estremi:

● Obiettivo della ricerca: sviluppare cavi adatti ad ambienti estremi (ad es. regioni polari, acque profonde, spazio).

● Tecnologie chiave: adattabilità alle temperature estreme, tolleranza alle alte pressioni, protezione dalle radiazioni.

● Prospettive applicative: sostenere la ricerca scientifica e progetti di ingegneria in ambienti estremi.

5. Cavi integrati multifunzionali:

● Obiettivo della ricerca: sviluppare cavi compositi che integrino trasmissione di potenza, trasmissione di segnali e funzioni di rilevamento.

● Tecnologie chiave: progettazione della compatibilità elettromagnetica, isolamento multicanale, ottimizzazione dell'integrazione funzionale.

● Prospettive applicative: semplificare il cablaggio del sistema e migliorare l'integrazione e l'affidabilità del sistema.

6. Applicazione dei nanomateriali nei cavi:

● Obiettivo della ricerca: esplorare gli effetti di miglioramento delle prestazioni dei nanomateriali sui cavi.

● Tecnologie chiave: tecnologia di dispersione dei nanomateriali, modifica dell'interfaccia, meccanismi di sinergia delle prestazioni.

● Prospettive applicative: sviluppare materiali per cavi nanocompositi ad alte prestazioni di prossima generazione.

7. Previsione della durata del cavo e gestione dello stato:

● Obiettivo della ricerca: stabilire un sistema di gestione della salute dell'intero ciclo di vita dei cavi.

● Tecnologie chiave: ricerca sui meccanismi di invecchiamento, previsione della vita rimanente, tecnologia di monitoraggio intelligente.

● Prospettive applicative: ottimizza la gestione delle risorse dei cavi e supporta il processo decisionale in materia di manutenzione.

8. Processi di produzione di cavi intelligenti:

● Obiettivo della ricerca: ottenere un controllo intelligente e l'ottimizzazione dei processi di produzione dei cavi.

● Tecnologie chiave: Internet of Things industriale, analisi di big data, algoritmi di controllo intelligenti.

● Prospettive applicative: migliorare l'efficienza produttiva e garantire una qualità costante del prodotto.

7. Conclusioni

Questo studio ha condotto sistematicamente lo sviluppo di cavi elettrici resistenti all'usura, ad alta resistenza e ignifughi, ottenendo i seguenti risultati chiave:

1. Innovazioni materiali:

● Sviluppato un materiale per guaina esterna in poliuretano modificato con nanocompositi, che migliora la resistenza all'usura del 76% rispetto ai materiali tradizionali, con un indice limite di ossigeno (LOI) del 28,5%, conforme allo standard di ritardo di fiamma UL 94 V-0.

● Sviluppato un materiale composito ignifugo gomma siliconica/huntite con un LOI del 30,2%, superando il test di resistenza al fuoco BS 6387 CWZ di massimo livello.

● Ottimizzata la formulazione del materiale isolante XLPE, ottenendo una resistività di volume di 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, una rigidità dielettrica di 35,2 kV/mm e aumentando la temperatura operativa a lungo termine a 105°C.

● Utilizzati conduttori in rame privo di ossigeno di elevata purezza con una conduttività del 101,2% IACS, garantendo prestazioni elettriche eccellenti.

2. Progettazione strutturale:

● Proposto un progetto strutturale composito multistrato, ottenendo un'ottimizzazione sinergica degli strati funzionali.

● Progettato una distribuzione ragionevole dello spessore e strutture di interfaccia per garantire le prestazioni complessive del cavo.

● Parametri di cordatura dei conduttori e processi di compattazione ottimizzati, che migliorano la flessibilità e l'efficienza spaziale del cavo.

3. Processi di produzione:

● Creazione di un processo di produzione completo, comprendente la produzione di conduttori, l'estrusione dell'isolamento, la fabbricazione dello strato schermante, il cablaggio, la produzione dello strato di armatura, l'estrusione dello strato ignifugo e l'estrusione della guaina esterna.

● Intervalli di controllo definiti per i parametri chiave del processo per garantire la coerenza della qualità del prodotto.

● Adottate tecnologie avanzate di rilevamento online per il monitoraggio in tempo reale del processo di produzione.

4. Test delle prestazioni:

● Creazione di un sistema completo di test delle prestazioni, che copre il ritardo di fiamma, le proprietà meccaniche, le prestazioni elettriche e l'adattabilità ambientale.

● I risultati dei test hanno confermato che i cavi sviluppati superano i più elevati standard internazionali, tra cui IEC 60332-3A, BS 6387 CWZ e UL 910 (CMP).

● Le prestazioni complessive del cavo superano notevolmente i prodotti tradizionali, con una durata di servizio stimata superiore a 35 anni.

5. Prospettive applicative:

● Il cavo dimostra un ampio potenziale di applicazione in campi quali l'estrazione mineraria, l'ingegneria offshore, il trasporto ferroviario, l'automazione industriale e le nuove energie.

● Prospettive di industrializzazione promettenti con elevata maturità tecnologica e forte competitività sul mercato.

● Proposte di direzioni di ricerca future per gettare le basi per continui progressi nella tecnologia dei cavi.

Punti salienti innovativi di questo studio:

24. Innovazione del sistema dei materiali: prima applicazione di riempitivi minerali compositi huntite/idromagnesite nei materiali dei cavi in ​​gomma siliconica, ottenendo una svolta nelle prestazioni ignifughe.

25. Innovazione della progettazione strutturale: introdotta una filosofia di progettazione composita multistrato di separazione funzionale e miglioramento sinergico, affrontando i limiti dei cavi tradizionali in termini di prestazioni complete.

26. Innovazione del processo di produzione: controllo ottimizzato dei parametri chiave del processo, consentendo una produzione stabile di cavi ad alte prestazioni.

27. Innovazione del sistema di test: stabilito un quadro completo di test delle prestazioni, fornendo una base scientifica per la valutazione della qualità dei prodotti via cavo.

Il cavo di alimentazione resistente all’usura, ad alta resistenza e ignifugo sviluppato in questo studio non solo colma un divario tecnologico nei prodotti di cavi domestici di fascia alta, ma riveste anche un’importanza significativa per migliorare la sicurezza e l’affidabilità dei sistemi di alimentazione. Con l’ avanzamento dell’industrializzazione e dell’espansione del mercato, si prevede che questo prodotto raggiungerà un’applicazione diffusa in molteplici campi, generando sostanziali vantaggi economici e sociali.

8. Riferimenti

[1] Uğraşkan, HC, Duman, FS, & Emik, S. (2023). Studio dell'effetto del riempitivo Huntit sul ritardo di fiamma e sulle proprietà meccaniche dei materiali a base di gomma siliconica nelle applicazioni di cavi. Il diario aperto di Nano , 8(2), 110-115.

[2] Zhang, X., Wang, Z., Ding, S., Wang, Z., & Xie, H. (2024). Fabbricazione di schiuma poliuretanica rigida a base di acido fitico modificato con polifosfato di ammonio ignifugo con proprietà meccaniche migliorate. Polimeri , 16(15), 2229.

[3] Wu, X., Zhang, X., Wu, J., Li, X., Jiang, H., Su, X., & Zou, M. (2022). Studio delle proprietà ritardanti di fiamma degli elastomeri compositi microcellulari ritardanti di fiamma/poliuretano ad alta resistenza. Polimeri , 14(23), 5055.

[4] Li, H., Hou, L., Liu, Y., Yao, Z., Liang, L., Tian, ​​D., ... & Niu, K. (2024). Isolamento termico bilanciato, proprietà ignifughe e meccaniche della schiuma PU costruita tramite modifica sinergica ternaria EG/APP/SA economicamente vantaggiosa. Polimeri , 16(3), 330.

[5] Wang, W., Yang, F., Lu, Y., Luo, Z., Li, F., Wu, Y., ... & Qin, C. (2023). Applicazione di idrossido di magnesio/difenossifosfato nel materiale del cavo ignifugo in gomma siliconica. Rivestimenti , 13(5), 934.

[6] Atay, GY, Loboichenko, V. e Wilk-Jakubowski, J. (2024). Studio della calcite e del minerale huntite/idromagnesite in co-presenza per quanto riguarda le proprietà ritardanti di fiamma e meccaniche dei compositi di legno. Cemento, Wapno, Beton , 45, 2-14.

[7] Liu, L., Zhu, M., Feng, J., Peng, H., Shi, Y., Gao, J., ... & Song, P. (2024). Materiali polimerici ignifughi e ad alta resistenza abilitati da aggregati supramolecolari. Aggregato , 5(2), e494.

[8] Wang, C., Ren, B., Ma, R. e Li, X. (2024). Un ritardante di fiamma sinergico reattivo P/N di origine biologica per migliorare la sicurezza antincendio e le proprietà meccaniche della resina epossidica. Ingegneria e scienza dei polimeri , 64(5), 1234-1245.

[9] Zheng, P., Zhao, H., Li, J., Liu, Q., Zhang, J., & Wu, W. (2024). Un ritardante di fiamma multielemento contenente boro e struttura a doppio legame per migliorare le proprietà meccaniche e il ritardo di fiamma delle resine epossidiche. Rapporti scientifici , 14, 58709.

[10] Riba, J., Moreno-Eguilaz, M., & Bogarra, S. (2023). Resistenza al tracciamento nei materiali isolanti polimerici per applicazioni di mobilità elettrica ad alta tensione valutate mediante metodi di prova esistenti: esigenze di ricerca identificate. Polimeri , 15(18), 3717.

[11] Ouyang, Y., Pourrahimi, AM, Lund, A., Xu, X., Gkourmpis, T., Hagstrand, P.-O., & Müller, C. (2021). Miscele ternarie resistenti al creep alle alte temperature a base di polietilene e polipropilene per isolamento termoplastico di cavi di alimentazione. Giornale di scienza dei polimeri , 59(18), 1014-1025.

[12] Greijer, H., Mirotta, N., Treossi, E., Valorosi, F., Schütt, F., Siebert, L., ... & Hillborg, H. (2022). Conduttività regolabile a campi elettrici estremi nei compositi tetrapodi-silicone ZnO per l'isolamento di cavi di alimentazione ad alta tensione. Rapporti scientifici , 12, 9966.

[13] Nazir, MT, Khalid, A., Wang, C., Kabir, I., Yeoh, G., & Phung, BT (2024). Miglioramento della resistenza alla fiamma e alle scariche elettriche superficiali nell'isolamento composito in gomma siliconica tramite additivi di idrossido di alluminio, argilla e fibra di vetro. Compositi avanzati e materiali ibridi , 7, 874.

[14] Commissione elettrotecnica internazionale. (2018). IEC 60332-1: Prove su cavi elettrici e in fibra ottica in condizioni di incendio - Parte 1: Prova per la propagazione verticale della fiamma per un singolo filo o cavo isolato . Ginevra: CEI.

[15] Commissione elettrotecnica internazionale. (2018). IEC 60332-3: Prove su cavi elettrici e in fibra ottica in condizioni di incendio - Parte 3: Prova per la propagazione verticale della fiamma di fili o cavi raggruppati verticalmente . Ginevra: CEI.

[16] Istituzione britannica per gli standard. (2013). BS 6387: Specifiche per i requisiti prestazionali per i cavi necessari per mantenere l'integrità del circuito in condizioni di incendio . Londra: BSI.

[17] Underwriters Laboratories. (2019). UL 910: standard per i test di sicurezza relativi ai valori di propagazione della fiamma e di densità del fumo per cavi elettrici e in fibra ottica utilizzati negli spazi che trasportano aria ambientale . Northbrook: UL.

[18] Comitato europeo di normalizzazione. (2014). EN 50575: Cavi di energia, controllo e comunicazione - Cavi per applicazioni generali in opere edili soggette a requisiti di reazione al fuoco . Bruxelles: CEN.

[19] 卓金玉. (2015 ) . 北京: 中国电力出版社.

[20] 国家质量监督检验检疫总局. (2018). GB/T 12706-2020 alimentatore da 1 kV (Um=1,2 kV) a 35 kV (Um=40,5 kV) . 北京: 中国标准出版社.

[21] 国家质量监督检验检疫总局. (2019