防雷电缆的制作方法

本实用新型涉及电线电缆技术领域，尤其涉及一种防雷电缆。

背景技术：

当今的世界，正向着清洁的绿色能源方向在发展。太阳能、风能及其再生能源正在逐步替代传统的能源，特别是风能，其巨大的储量比地球上可开发利用的水能总量还要大，越来越被世界各国所重视。我们知道，风力发电机大都建在广阔的田野或浩瀚无际的大海上，风力越大，发电效率也越高。同时也给风机带来一个问题，它需要承受最严酷恶劣的气候条件。由于它所安装的地域比较偏远，且往往成为附近最高建筑物，显著增大了其遭到雷击的可能性，通常风力发电机不是“如果”，而是“何时”被雷电击中。

纵观整个电线电缆生产史，铜或铝材料生产的电缆，从小截面35mm²到大截面2000mm²，其导体结构均采用同心式正规绞合，其排列方式为1+6+12+18+24，也就是中心层7根铜(或铝)线，外层12根，再外层18根，最外层24根，加起来正规绞合导体根数一共61根。这种正规绞合结构的电缆，作为通电的载体是无可厚非的，而一旦受到雷击，电缆将出现“集肤效应”，这意味着导体表面附近的电流密度较大，而导体中心的电流密度较小，这将导致电缆被击穿，附件被损坏，机组将停止发电。

因此，对于风力发电机组，亟需一种具有优异阻燃性能的风力防雷电缆。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的上述缺点，提出了一种防雷电缆，所述电缆的铝合金导体结构包括内层、中层和外层，所述内层为6根铝合金单丝，所述中层为4根疏绕线，所述外层为11对对绞单丝绞合。其中，所述内层的6根铝合金单丝排列为呈圆形；所述中层的4根疏绕线缠绕在所述内层上，疏绕节距为75mm，疏绕方向为右向；所述外层的每对单丝的对绞节距为25.5mm，绞合方向为右向，11对对绞单丝在所述中层上的绞合节距为112mm，绞合方向为左向。

优选地，所述铝合金导体规格为70mm²，单丝直径为1.63mm。

优选地，所述铝合金导体材料以重量百分比计含有0.45～0.60％的铁，0.03～0.08％的硅，0.05～0.10％的锌，以及2～3％的稀土。

优选地，所述电缆还具有设于所述铝合金导体外表面的绝缘层，所述绝缘层材料以重量百分比含有：55％的硅烷交联聚乙烯，45％的阻燃料。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的防雷电缆可以在雷击条件下显著降低集肤效应的影响，从而保证风机系统的安全运行。本实用新型电缆的铝合金材料比重小，价格低廉。

附图说明

图1为常规电缆的结构示意图。

图2为本实用新型的防雷电缆的示意图。

图3为本实用新型的防雷电缆的截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明。以下实施例并不是对本实用新型的限制。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中。

考虑到高频短暂事件(例如雷击)出现的“集肤效应”，如图2所示，本实用新型的防雷电缆的导体结构包括内层1，中层2和外层3。其中，所述内层1的6根铝合金单丝排列为呈圆形，即6根铝合金单丝导体的圆心连接起来形成正六边形；所述中层2的4根疏绕线缠绕在所述内层上，疏绕节距为75mm，疏绕方向为右向；所述外层3的每对单丝的对绞节距为25.5mm，绞合方向为右向，11对对绞单丝在所述中层上的绞合节距为112mm，绞合方向为左向。导体规格(导体总截面积)为70mm²，导体材料为铝合金，导体根数为32根，单丝直径为1.63mm。

这种结构打破了原有传统的电缆导体结构，采用的是6根平行线外加4根疏绕线作为中心线，外层再加上11对(每对为两根单丝对绞)绞合导体。这种结构我们称之为“蚕丝结构”，它在很大程度上缓解了原电缆导体的集肤效应，保证了整根电缆的安全运行。

常规条件下，圆导体集肤效应的粗略计算如下：

$Y_{\mathrm{CS}}=\frac{11.18}{{R_{DC}}^2+8.8}---\left(1\right)$

其中，Y_CS：集肤效应值；R_DC：导体直流电阻。

计算1m长绞线中各层展开的长度，按并联电阻计算公式，计算绞线的直流电阻R的公式如下：

其中，材料的电阻率；S：组成单丝的截面积；L：展开单丝的长度。

传统70mm²电缆导体结构为1+6+12(如图1所示)，共19根单丝，每根单丝直径为2.14mm。而本实用新型采用的新结构导体，如图2～3所示，为6根平行线+4根疏绕+11对对绞单丝，一共32根单丝，每根单丝直径为1.63mm。

传统电缆与本实用新型电缆的两种不同结构的绞入系数见表1：

表1

将表1中的数据代入公式(2)计算，就可知“蚕丝结构”直流电阻较常规绞合导体大。按公式1计算Y_CS值显著减小，从而降低集肤效应，保证了整个风机系统的安全运行。

另一方面，当雷击现象发生时，常规绞合导体的电流绝大多数集中在导体表面，而通过导体中心的电流极小，如图1所示。而对于本实用新型的“蚕丝结构”导体，电流分别分布在6根中心线附近、4根疏绕线附近以及11对对绞绞线附近，如图2所示。这种结构类似于大截面电缆中分割导体的原理(如2000mm²导体采用五分割模式)，将通过导体的电流分散，有效减少了导体表面的电流密度(即缓解了集肤效应)，避免电缆在雷击过程中被击穿，从而保证整个风机机组的正常运行。

本实用新型电缆采用的铝合金导体材料的成分含有0.45～0.60％的铁，0.03～0.08％的硅，0.05～0.10％的锌，以及2～3％的稀土。

传统电缆的导体有两种，纯铜和纯铝。纯铜性能好，但其价格高，且比重大，比一般纯铝电缆重3倍。因此风机的设计要求的承重量随之增大，纯铝电缆虽比重小，价格低，但性能较差，易腐蚀不易弯曲，抗拉强度低。所以长期以来除钢芯铝绞线外，所有与通电相关的电缆导体采用的都是铜。本实用新型使用的铝合金材料，不但性能可以与铜相媲美，而且比重小，且价格较铜低约50％。

铝合金导线的的工艺流程包括：铸锭——连铸连轧——拉丝——退火——绞制。

其中，铝锭：含铝量不低于99.7％；熔解温度：680±5℃；浇铸温度：720±5℃；精炼：加精炼剂，氮气搅拌，静止20分钟；退火：采用半退火；退火温度：300℃±10℃；保温时间：5小时。

传统的铝线电缆存在如下问题：

铝线的性能问题。原铝线的机械强度差，易于折断，长期使用铝线会脆化，不利于维修，而且铜线与铝线拧在一起，在潮湿的空气里会发生电化学腐蚀，造成接触电阻大，久而久之发生短路等现象，易发生火灾。另外铝线在机械式连接中，在压力作用下，长期运行后会发生不可回复的形变，即所谓的“蠕变”。“蠕变”发生后，原来的压紧力不够，接触点的压力减少使接触电阻迅速增大，电流流过后造成接头处过热，出现事故的风险增加，不安全系数大。

连接性能问题。过去的经验积累和认知中，铜铝连接一直是最为关键的问题。铜和铝是两种不同的金属，存在电位差，在潮湿的空气中会发生电化学腐蚀，增加接触电阻，使接头处发热，是系统安全运行的隐患。

上述两个至关重要的问题，过去一直未能很好的解决，所以铝线电缆也迟迟未能实现，没有得到社会更广泛的应用。

本实用新型的具有铝合金导体的电缆，彻底改变了原纯铝的性能，各项技术指标都接近或超过铜，见表2(铜、铝、铝合金的金属特性对比)。同时对铝合金电缆的终端处理施用了多种方法，如镀层、过渡垫片、涂抹抗氧化剂，解决了铜和铝的连接问题。

表2

如表3所示，本实用新型的铝合金电缆具有以下特性：

表3

以铝合金电缆代替铜电缆，能节约宝贵的铜资源，对我国的可持续发展具有深远的历史意义，同时也能带来巨大经济效益，主要体现在表4中的几个方面：

表4

另外，如图3所示，本实用新型的防雷电缆具有设于所述铝合金导体外表面的绝缘层4，所述绝缘层4的材料的配比为：硅烷交联聚乙烯55％，阻燃料45％。从而本实用新型的防雷电缆的阻燃性可以提高至FT-4。

一般电缆的结构为导体+绝缘+护套。防雷电缆因为仅起到防雷击的作用，且考虑到电缆的经济性，防雷电缆就省略了电缆护套，即导体外面直接是绝缘。因此，防雷电缆对绝缘提出了很高的要求，不仅要保证绝缘有良好的物理性能和电性能，而且要有良好的阻燃性能。普通材料很难同时满足这些条件，往往电性能达标的材料，物理性能不能达标，或者相反。特别是一般绝缘材料的阻燃等级通常只能达到UL标准的VW-1或FT-2等级。在设计风机时，考虑到风机将会频繁遭受“雷击”的现实性，需要把电缆的阻燃性能提高至FT-4。本实用新型经过反复试验，提出国电缆的绝缘材料的配比为硅烷交联聚乙烯55％，阻燃料45％，从而将电缆的阻燃性提高至FT-4。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。