李金輝，韓萬忠，許國(guó)雷，耿明闊

(河北東照線纜有限公司，河北饒陽053900)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，利用氣球搭載儀器升空，對(duì)氣象條件探測(cè)分析，其實(shí)用價(jià)值已經(jīng)逐步顯現(xiàn)出來。

在一些沒有氣象衛(wèi)星或其他高科技手段支持的國(guó)家，利用氣象氣球?qū)μ囟臻g區(qū)域的氣象條件進(jìn)行快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。針對(duì)國(guó)外客戶的要求，我公司專門開發(fā)了氣象氣球用電纜。

1 電纜的要求

國(guó)外客戶對(duì)電纜有如下要求:

(1)電纜導(dǎo)體由4根截面為6mm2的軟銅導(dǎo)體組成;

(2)電纜的外徑小于23mm，有防雷芯;

(3)電纜所承受的拉力≥18 000 N;

(4)氣球每隔兩天要收放一次;

(5)電纜的使用環(huán)境溫度為10～40℃;

(6)滿足上述條件后重量越輕越好。

2 電纜的工藝設(shè)計(jì)

電纜工藝設(shè)計(jì)要考慮如下因素:(1)電纜在隨氣球不斷收放時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致電纜斷芯，故電纜要盡量柔軟;(2)氣球在高空飄浮時(shí)，氣球的浮力和電纜的自重都會(huì)施加于電纜上，故電纜要承受很大的拉力。針對(duì)上述因素，分別對(duì)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、絕緣層、彎曲性能、防雷芯結(jié)構(gòu)、電纜的拉力進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣象氣球電纜結(jié)構(gòu)圖

2.1 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)體的選擇

電纜由于要進(jìn)行頻繁的收卷彎曲，所以導(dǎo)體要盡可能柔軟。我公司選用 6類導(dǎo)體，根據(jù)GB/T 3956—2008的要求，導(dǎo)體單絲直徑應(yīng)不大于0.21mm。實(shí)際生產(chǎn)和使用過程中若單絲直徑過小，電纜的柔軟性雖有所提高，但其拉力會(huì)相應(yīng)減小，經(jīng)考慮，最后選用的單絲直徑為0.2mm。

(2)導(dǎo)體根數(shù)的確定

由S=nπd2/4可推得 n=4S/(πd2)。式中:n為導(dǎo)體單絲根數(shù);d為導(dǎo)體單絲直徑。經(jīng)計(jì)算得n=191根。

(3)導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)

根據(jù)我公司實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，即使采用正規(guī)絞合的軟導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有時(shí)也會(huì)因電纜頻繁彎曲造成電纜局部突起、斷芯等情況，故在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上采用絞合加編織的方法來解決這個(gè)問題。具體方案是將191根單絲分成兩組，一組為127根進(jìn)行絞合，另一組為64根用于編織，將127根分成三組進(jìn)行束絞，束絞后再進(jìn)行復(fù)絞，將復(fù)絞后的導(dǎo)體置于編織機(jī)上進(jìn)行編織。此種工藝生產(chǎn)的導(dǎo)體，比直接束絞或單絞后再復(fù)絞的導(dǎo)體有著更高的韌性和導(dǎo)體形變的穩(wěn)定性。

(4)導(dǎo)體外徑的計(jì)算

按GB/T 12706.1附錄A表2中的計(jì)算法，單股41～43根的計(jì)算外徑為7.67×0.2=1.534mm，三股復(fù)絞后計(jì)算外徑為2.16×1.534=3.313mm，編織后計(jì)算外徑為3.313+4×0.2=4.1mm。編織后外徑實(shí)測(cè)值為3.9～4.0mm，20℃時(shí)導(dǎo)體直流電阻為2.98 Ω/km，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中20℃時(shí)導(dǎo)體直流電阻值≤3.3 Ω/km的要求。

2.2 絕緣設(shè)計(jì)

(1)絕緣材料的確定

電纜常用的絕緣材料有交聯(lián)聚乙烯、聚氯乙烯和橡膠混合物。交聯(lián)聚乙烯雖然電氣性能優(yōu)良，但硬度較高，不利于電纜的彎曲，橡膠受配方及原材料等的影響較大?？紤]到電纜的使用溫度為10～40℃且為出口產(chǎn)品，將電纜的絕緣材料選定為聚氯乙烯，但要求其成品擠出后斷裂伸長(zhǎng)率≥350%，拉力≥16 N/mm2，以保證電纜使用時(shí)的彈性和韌性。

(2)絕緣厚度的確定

客戶要求電纜的使用電壓為380 V。參照GB/T 9330.1—2008中絕緣厚度的規(guī)定，將絕緣厚度定為0.8mm，工藝控制厚度為0.8～1.0mm，實(shí)際生產(chǎn)中用歐勒激光測(cè)徑儀將絕緣外徑控制為5.80～5.95mm。

2.3 防雷芯的確定

(1)截面的確定

氣球升空遇到雷電天氣時(shí)，瞬間接地電流較大，參照GB 50217—2007中3.7.10要求，將防雷芯的截面積確定為與主線截面積相同。

(2)結(jié)構(gòu)的確定

如將防雷芯與主線一起成纜，成纜后的計(jì)算外徑為2.7×5.85=15.8mm，而若將防雷芯以同心導(dǎo)體的形式編織于成纜后的纜芯外，其計(jì)算外徑為2.42×5.85+0.1(聚酯繞包帶厚度)+0.6=14.9mm，既減小了電纜外徑又能束縛扎緊電纜，防止絕緣線芯的突起和斷裂。

2.4 電纜的彎曲性能

成纜的節(jié)徑比對(duì)電纜的彎曲性能有很大影響。取1 m不同節(jié)徑比的纜芯，兩端用膠布扎緊，在半徑150mm的圓筒上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同節(jié)徑比纜芯彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，節(jié)徑比很小時(shí)，電纜整體性能良好，但線芯之間不能相對(duì)滑移，彎曲時(shí)受力嚴(yán)重;節(jié)徑比過大，線芯之間能相對(duì)滑移，受力較小，但整體性能不好，長(zhǎng)時(shí)間使用，易引起絕緣線芯突起和斷芯。

2.5 電纜拉力設(shè)計(jì)

考慮到氣球升空較高，一般為1 500～3 000 m，電纜線芯本身不能承受過大拉力，護(hù)套擠出前在其下面疏繞了20根直徑3mm的芳綸繩，電纜的重量和氣球的浮力，都加載于芳綸繩上。芳綸繩疏繞時(shí)要注意兩點(diǎn):一是在纜芯表面要分布均勻;二是節(jié)徑比盡可能大，以便電纜受到拉力時(shí)保證芳綸繩首先受力。

3 結(jié)束語

經(jīng)過上述工藝的設(shè)計(jì)，電纜的最終外徑控制在20.6～21.0mm，達(dá)到了國(guó)外客戶的要求。經(jīng)過一年多的使用，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。該電纜的研制滿足了氣球所搭載的儀器對(duì)供電連續(xù)穩(wěn)定的要求，為氣球在氣象、偵測(cè)、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保證。

［1］GB/T 9330.1—2008 塑料絕緣控制電纜［S］.

［2］GB/T 12706.1—2008 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［3］GB/T 3956—2008 電纜的導(dǎo)體［S］.

［4］GB 50217—2007 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.