Desenvolvimento de cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e altamente retardadores de chamas

Desenvolvimento de cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e altamente retardadores de chamas

Resumo

Este artigo investiga sistematicamente os princípios de projeto, seleção de materiais, processos de fabricação e métodos de avaliação de desempenho para cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e altamente retardadores de chamas. Ao analisar as limitações dos materiais de cabos tradicionais e incorporar os mais recentes avanços na moderna ciência dos materiais poliméricos, é proposto um esquema inovador de design de cabos baseado em uma estrutura composta multicamadas. O esquema emprega um material compósito à base de poliuretano como camada de revestimento externo, uma camada retardadora de chama de borracha de silicone como camada intermediária, uma camada de armadura trançada com fio de aço galvanizado como camada de reforço, uma camada de isolamento XLPE como camada de isolamento elétrico e uma camada de blindagem composta trançada com fio de cobre e folha de alumínio. Os resultados da pesquisa indicam que o cabo projetado supera significativamente os produtos de cabos tradicionais em termos de resistência ao desgaste, resistência mecânica, retardamento de chama e adaptabilidade ambiental. Através de testes e verificações sistemáticos, o cabo atende aos requisitos dos mais altos padrões internacionais de retardante de chama, como IEC 60332-3A e BS 6387 CWZ, ao mesmo tempo que exibe excelentes propriedades mecânicas e confiabilidade operacional de longo prazo. Este estudo fornece fundamentos teóricos e referências técnicas para a pesquisa e desenvolvimento de cabos de energia de alto desempenho e tem importância significativa para melhorar a segurança e a confiabilidade dos sistemas de energia.

Palavras-chave: cabos de potência; resistência ao desgaste; alta resistência; retardador de chama; materiais compósitos; estrutura multicamadas; padrões de teste

1. Introdução

1.1 Antecedentes e Significado da Pesquisa

Com o rápido desenvolvimento dos sistemas de energia modernos, os requisitos de desempenho dos cabos de energia, como transportadores críticos de transmissão de energia elétrica, são cada vez mais exigentes. Isto é particularmente evidente em cenários de aplicação em ambientes complexos e severos, como mineração, engenharia naval, transporte ferroviário e automação industrial. Esses campos impõem demandas extremamente altas em termos de resistência ao desgaste, resistência mecânica e retardamento de chama dos cabos de energia. Os materiais de cabos tradicionais, como PVC e borracha comum, muitas vezes apresentam deficiências nesses ambientes extremos, incluindo resistência insuficiente ao desgaste, resistência mecânica limitada e desempenho retardador de chama insatisfatório. Essas limitações podem levar à redução da vida útil do cabo, ao aumento dos custos de manutenção e até mesmo a possíveis incidentes de segurança.

O desenvolvimento de cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e altamente retardadores de chamas pode não apenas atender aos requisitos técnicos de cenários de aplicação específicos, mas também aumentar a segurança geral e a confiabilidade dos sistemas de energia. De acordo com dados estatísticos, as falhas nos cabos são responsáveis ​​por uma proporção significativa das falhas do sistema de energia, sendo particularmente proeminentes as causadas por danos mecânicos e incêndio. Portanto, o desenvolvimento de cabos de energia com excelente desempenho abrangente é de importância prática significativa para garantir a continuidade do fornecimento de energia, reduzir custos operacionais e de manutenção e melhorar a segurança do sistema.

Gráfico de comparação de desempenho de cabos

1.2 Situação Atual da Pesquisa no País e no Exterior

Nos últimos anos, estudiosos nacionais e internacionais conduziram extensas pesquisas sobre materiais de cabos e projeto estrutural. Globalmente, os países e regiões desenvolvidos como os Estados Unidos, a Europa e o Japão assumiram um papel de liderança na investigação e desenvolvimento de tecnologias avançadas de cabos. Os padrões de classificação de retardamento de chama, incluindo CMP, CMR e CMG, estabelecidos pelo Underwriters Laboratories (UL), tornaram-se referências do setor. A norma CEN EN 50575 publicada pelo Comité Europeu de Normalização especifica requisitos claros para o desempenho dos cabos ao fogo. O Japão alcançou progressos notáveis ​​em cabos supercondutores de alta temperatura e cabos especiais.

A nível interno, em linha com a implementação da estratégia 'Made in China 2025', o nível tecnológico da indústria de cabos tem melhorado continuamente. Na área de materiais retardadores de chama, compostos como trihidróxido de alumínio (ATH), hidróxido de magnésio (MH) e retardadores de chama à base de fósforo têm sido amplamente adotados. Para materiais de reforço, a aplicação de fibras de alto desempenho como fibra de aramida, fibra de vidro e fibra de carbono é cada vez mais prevalente. A pesquisa sobre materiais isolantes, incluindo Polietileno Reticulado (XLPE), borracha de silicone e poliuretano, está continuamente se aprofundando.

No entanto, ainda existe uma lacuna no mercado para produtos de cabos que apresentem simultaneamente excelente resistência ao desgaste, alta resistência mecânica e superior retardamento de chama. Os produtos existentes muitas vezes se destacam em um aspecto específico de desempenho, mas são insuficientes no fornecimento de propriedades abrangentes para atender às demandas de ambientes operacionais extremos. Portanto, a realização de pesquisas sistemáticas sobre cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e com alto retardamento de chamas possui um valor teórico e prático significativo.

1.3 Objetivos e Conteúdos da Pesquisa

O objetivo principal desta pesquisa é desenvolver um cabo de alimentação resistente ao desgaste, de alta resistência e com alto retardador de chamas, com excelente desempenho abrangente. Os conteúdos específicos da investigação incluem:

1. Analisar sistematicamente os requisitos de desempenho para cada camada funcional do cabo e determinar os principais indicadores de desempenho;

2. Filtrar e otimizar materiais para cada camada funcional e desenvolver novos materiais compósitos;

3. Projetar uma estrutura composta multicamadas razoável para obter otimização sinérgica de desempenho;

4. Otimize os parâmetros do processo de fabricação para garantir a qualidade de fabricação do cabo;

5. Estabelecer um sistema abrangente de testes de desempenho para avaliar completamente o desempenho do cabo;

6. Analise a confiabilidade a longo prazo do cabo em diferentes ambientes de aplicação.

Através da implementação sistemática dos conteúdos de pesquisa acima, espera-se obter um produto de cabo de alimentação que atinja um nível internacionalmente avançado em termos de resistência ao desgaste, resistência mecânica, retardamento de chama e outros aspectos, fornecendo suporte técnico para aplicações em áreas afins.

%1. Seleção de materiais de cabos e análise de desempenho

2.1 Seleção e Modificação de Materiais de Bainha Externa

A bainha externa é a estrutura protetora mais externa do cabo, diretamente sujeita a ações mecânicas, químicas e físicas do ambiente externo. Embora as bainhas de PVC tradicionais ofereçam custo mais baixo, elas apresentam baixa resistência à abrasão, resistência inadequada às intempéries e fragilidade em baixas temperaturas. Este estudo seleciona o poliuretano (PU) como material de base para a bainha externa devido à sua excelente resistência à abrasão, flexibilidade e resistência à corrosão química.

A resistência à abrasão é uma das vantagens mais importantes do PU; sua resistência ao desgaste é de 8 a 10 vezes a da borracha comum e de 20 a 30 vezes a do PVC. Isso se beneficia principalmente da estrutura de separação de microfases de segmentos duros e moles na cadeia molecular de PU: os segmentos duros proporcionam resistência e resistência ao desgaste, enquanto os segmentos moles oferecem flexibilidade e elasticidade. No entanto, o PU puro apresenta um fraco retardamento de chama, necessitando de modificação para melhorar a sua classificação de retardamento de chama.

Este estudo emprega tecnologia de modificação de nanocompósitos, incorporando tri-hidróxido de nano-alumínio (nano-ATH) e retardadores de chama à base de fósforo sinergicamente na matriz de PU. O Nano-ATH, com sua grande área superficial específica e boa dispersibilidade, absorve calor substancial e libera vapor de água durante a combustão, proporcionando efeitos de resfriamento e retardador de chama. Os retardadores de chama à base de fósforo promovem a formação de uma camada de carvão durante a queima, isolando o oxigênio e o calor. O efeito sinérgico destes dois melhora significativamente o desempenho retardador de chama do PU.

Os resultados dos testes de desempenho do material compósito de PU modificado indicam: a resistência à tração atinge 25 MPa; o alongamento na ruptura chega a 300%; a resistência à abrasão (abrasão Taber) melhora em 15% em comparação com PU puro; o índice limite de oxigênio (LOI) aumenta de 18% para 28%, atendendo ao padrão retardador de chama UL 94 V-0.

2.2 Triagem e Otimização de Materiais Retardadores de Chama

A camada retardadora de chamas é um componente estrutural crítico para a segurança contra incêndio em cabos. Este estudo seleciona borracha de silicone como material de base para a camada retardadora de chamas devido à sua excelente resistência a altas temperaturas, propriedades de isolamento elétrico e desempenho retardador de chamas. Sob altas temperaturas, a borracha de silicone pode formar uma camada protetora estável de dióxido de silício, evitando efetivamente a propagação de chamas.

Para melhorar ainda mais o desempenho retardador de chama da borracha de silicone, este estudo utiliza uma carga mineral composta Huntite/Hidromagnesita. Huntita (CaMg₃(CO₃)₄) e Hidromagnesita (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) são retardadores de chama minerais naturais que se decompõem com o aquecimento, liberando dióxido de carbono e vapor de água, o que dilui os gases combustíveis e reduz a temperatura.

Pesquisas experimentais mostram que quando a adição de Huntita/Hidromagnesita é de 25 phr, o material compósito de borracha de silicone atinge um desempenho abrangente ideal. Nesse nível, a resistência à tração do material é de 5,68 MPa, o alongamento na ruptura é de 147,7% e o índice limite de oxigênio chega a 30%. Nos testes da norma BS 6387, este material passa nos testes C e Z, demonstrando excelente desempenho retardador de chama.

Diagrama esquemático da estrutura do cabo

2.3 Projeto e Aplicação de Materiais de Reforço

A principal função da camada de reforço é aumentar a resistência mecânica do cabo, particularmente a sua resistência à tração e resistência à compressão. Este estudo utiliza uma camada trançada de fio de aço galvanizado como estrutura de reforço, oferecendo as seguintes vantagens:

1. Alta resistência: A resistência à tração do fio de aço pode exceder 1000 MPa, significativamente maior do que a dos materiais poliméricos comuns.

2. Boa flexibilidade: A estrutura trançada permite que o cabo mantenha certas propriedades de flexão enquanto mantém sua resistência.

3. Resistência à corrosão: O revestimento de zinco evita efetivamente a corrosão do fio de aço, prolongando a vida útil;

4. Efeito de blindagem eletromagnética : A camada de trança de metal oferece excelente desempenho de blindagem eletromagnética.

Os parâmetros de projeto para a camada trançada de fio de aço incluem o diâmetro do fio, a densidade da trança e o ângulo da trança. Através da otimização, este estudo determinou os parâmetros ideais de trançado: um diâmetro de fio de 0,3 mm, uma densidade de trançado de 85% e um ângulo de trançado de 45°. Com estes parâmetros, o cabo atinge uma resistência à tração de 50 kN e um raio de curvatura seis vezes maior que o diâmetro externo do cabo.

Além disso, este estudo incorporou uma fita de reforço de fibra de aramida na camada de reforço para aumentar ainda mais a resistência ao impacto e a resistência ao corte do cabo. A fibra de aramida possui excelentes propriedades como alta resistência, alto módulo e resistência a altas temperaturas, criando um efeito de reforço complementar com a camada trançada de fio de aço.

2.4 Requisitos de Desempenho para Materiais Isolantes

A camada de isolamento é a estrutura central que garante a segurança elétrica do cabo. Este estudo seleciona o polietileno reticulado (XLPE) como material isolante devido às suas excelentes propriedades elétricas, resistência ao calor e desempenho mecânico.

Os requisitos de desempenho para XLPE incluem principalmente:

1. Propriedades Elétricas: Resistividade de volume ≥ 1×10⊃1;⁴ Ω·cm, rigidez dielétrica ≥ 30 kV/mm, constante dielétrica ≤ 2,3;

2. Propriedades térmicas: temperatura operacional de longo prazo 90°C, temperatura de sobrecarga de curto prazo 130°C, temperatura de curto-circuito 250°C;

3. Propriedades mecânicas: Resistência à tração ≥ 15 MPa, alongamento na ruptura ≥ 300%;

4. Resistência Ambiental: Excelente resistência à árvore de água, boa resistência à corrosão química.

Para melhorar ainda mais o desempenho do XLPE, este estudo adotou as seguintes técnicas de modificação:

1. Nanomodificação: adição de nano-sílica para melhorar a resistência à árvore de água e a resistência mecânica do material;

2. Otimização do Sistema Antioxidante: Adotando um sistema antioxidante composto para aumentar a estabilidade térmica do material e a confiabilidade do serviço a longo prazo;

3. Otimização do processo de reticulação: Empregando um processo de reticulação de silano para controlar o grau e a uniformidade da reticulação.

Os resultados dos testes de desempenho do material XLPE modificado indicam: a resistividade do volume atinge 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, a rigidez dielétrica atinge 35 kV/mm, a resistência à tração atinge 18 MPa, o alongamento na ruptura atinge 350% e a temperatura operacional de longo prazo é aumentada para 105°C.

3. Projeto de estrutura de cabos e processo de fabricação

3.1 Princípios de Projeto de Estrutura Composta Multicamada

O cabo de alimentação resistente ao desgaste, de alta resistência e altamente retardador de chamas projetado neste estudo emprega uma estrutura composta multicamadas, onde cada camada funcional funciona sinergicamente para alcançar um desempenho abrangente ideal. A estrutura geral do cabo, de fora para dentro, é a seguinte:

1. Camada externa da bainha: Espessura de 2,0 mm, material compósito à base de poliuretano, proporcionando excelente resistência ao desgaste, resistência às intempéries e resistência à corrosão química;

2. Camada retardante de chamas: Espessura de 1,5 mm, borracha de silicone / material compósito Huntite, proporcionando desempenho retardador de chamas superior e resistência a altas temperaturas;

3. Camada de armadura: Espessura 1,0 mm, camada trançada de fio de aço galvanizado, proporcionando alta resistência mecânica e resistência ao impacto.；

4. Camada de bainha interna: Espessura 1,0 mm, material isolante XLPE, proporcionando excelente desempenho de isolamento elétrico;

5. Camada de blindagem: Espessura de 0,5 mm, embalagem de folha de alumínio + estrutura composta de trança de fio de cobre, proporcionando blindagem eletromagnética e desempenho anti-interferência;

6. Condutor: Condutor de cobre trançado, com área de seção transversal determinada com base nos requisitos da aplicação;

7. Material de enchimento : Enchimento de fibra retardante de chamas, garantindo a redondeza e estabilidade da estrutura do cabo.

O projeto da espessura de cada camada funcional é baseado na análise mecânica e nos requisitos de desempenho. A camada externa da bainha requer espessura suficiente para resistir à abrasão externa e ao impacto mecânico; a camada retardadora de chama requer espessura adequada para garantir uma proteção eficaz contra incêndio; a espessura da camada de armadura é determinada com base nos requisitos de resistência à tração do cabo; e a espessura da camada de isolamento é determinada de acordo com a tensão operacional e os requisitos de segurança elétrica.

O princípio de design da estrutura composta multicamadas é baseado na separação funcional e no aprimoramento sinérgico . Cada camada funcional concentra-se em requisitos específicos de desempenho. Através do design racional da interface e da seleção de materiais, é alcançado um aprimoramento sinérgico do desempenho. Por exemplo, uma forte ligação interfacial é formada entre a camada externa da bainha e a camada retardadora de chama através de ligação química e intertravamento físico , garantindo que nenhuma delaminação ocorra sob estresse mecânico.

3.2 Projeto e Otimização de Condutores

O condutor é o componente central do cabo para transmissão de energia elétrica. Este estudo emprega cobre livre de oxigênio de alta pureza como material condutor, alcançando uma condutividade de 101% IACS (Padrão Internacional de Cobre Recozido) e uma resistividade tão baixa quanto 1,7241×10⁻⁸ Ω·m.

O projeto estrutural do condutor adota um método de encordoamento multifilamentos , oferecendo as seguintes vantagens:

1. Excelente flexibilidade: O encordoamento de múltiplos fios finos proporciona ao cabo um bom desempenho de flexão, tornando-o adequado para instalação em ambientes complexos;

2. Alta confiabilidade: Mesmo se os fios individuais quebrarem, o desempenho condutivo geral do cabo permanece inalterado.

Os parâmetros de torção do condutor incluem diâmetro de fio único, passo de torção e direção de torção. Através da otimização, este estudo determinou os parâmetros de torção ideais: um diâmetro de fio único de 0,3 mm , um passo de torção de 12 vezes o diâmetro do condutor e a direção de torção mais externa definida para a esquerda (direção Z)..

Para condutores de seção transversal grande, este estudo emprega tecnologia de moldagem por compressão , pressionando condutores redondos em perfis em forma de leque ou telha. Isto reduz o diâmetro externo geral do cabo e melhora a utilização do espaço. A moldagem por compressão também ajuda a minimizar rebarbas e saliências na superfície do condutor, melhorando a uniformidade da camada de isolamento.

A área da seção transversal do condutor é determinada com base nos requisitos de capacidade de transporte de corrente do cabo . Este estudo desenvolveu uma série de produtos com áreas transversais que variam de 1,5 mm² a 240 mm² , atendendo às necessidades de diversos cenários de aplicação.

3.3 Fluxo do Processo de Fabricação

O processo de fabricação de cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e com alto retardamento de chama é complexo, exigindo controle preciso dos parâmetros em cada etapa. O fluxo principal do processo inclui:

1. Fabricação de condutores:

○ Trefilagem de fio de barra de cobre: ​​Trefilação de uma barra de cobre de 8 mm de diâmetro através de uma trefiladeira para produzir fios únicos com o diâmetro necessário.；

○ Recozimento de fio único: Realizando o recozimento em uma atmosfera protetora para eliminar o endurecimento por trabalho e melhorar a flexibilidade.

○ Encordoamento do condutor: Encordoamento de vários fios únicos de acordo com os parâmetros do projeto para formar o núcleo do condutor.。

1. Extrusão de isolamento ::

○ Pré-tratamento do material: Secagem de pellets de XLPE para remover a umidade.

○ Moldagem por extrusão: Revestimento uniforme da superfície do condutor com material XLPE através de uma extrusora.

○ Tratamento de reticulação: Empregando um processo de reticulação de silano para realizar a reação de reticulação em ambiente de vapor.

○ Resfriamento e modelagem: Resfriamento através de uma calha de resfriamento de água para definir o formato da camada de isolamento.

2. Fabricação de camada de blindagem:

○ Envolvimento com folha de alumínio: Envolvimento em espiral de uma fita de papel alumínio na superfície da camada de isolamento.

○ Trançado de fio de cobre: ​​Trançar uma camada de blindagem de fio de cobre sobre a camada de folha de alumínio.

○ Tratamento de soldagem: Soldar as extremidades da camada trançada para garantir a continuidade elétrica.

3. Processo de formação de cabos:

○ Encalhe de núcleo: Encalhe múltiplos núcleos isolados de acordo com a estrutura projetada.

○ Tratamento de enchimento: Preenchimento das lacunas na estrutura trançada com material de fibra retardante de chama.

○ Proteção da embalagem: Uso de fita de tecido não tecido para proteção da embalagem e evitar danos.

4. Fabricação de camada de armadura ::

○ Trançado de fio de aço: Usando uma máquina de trançar de alta velocidade para trançar fio de aço galvanizado.

○ Controle de tensão: Controlando com precisão a tensão da trança para garantir a qualidade da trança.

○ Tratamento final: Fixação das pontas da camada trançada.

5. Extrusão de camada retardante de chama:

○ Mistura de materiais: Misturar completamente o material de base de borracha de silicone com o enchimento Huntite.

○ Revestimento por extrusão: Revestir a camada de armadura com material retardador de chama usando uma extrusora.；

○ Tratamento de vulcanização: Realização da reação de vulcanização em altas temperaturas para formar uma estrutura reticulada.。

6. Extrusão da bainha externa:

○ Preparação do material: Derretimento do material compósito de poliuretano modificado.

○ Moldagem por extrusão: Extrusão e revestimento do material da bainha externa usando uma extrusora.

○ Resfriamento e modelagem: Resfriamento e modelagem usando um sistema de resfriamento de vários estágios.

○ Tratamento de superfície: Realização de alisamento de superfície e impressão de marcações de identificação.

Todo o processo de fabricação requer controle rigoroso de parâmetros como temperatura, pressão e velocidade para garantir a qualidade de cada camada funcional e a resistência das ligações interfaciais. Os principais processos empregam tecnologia de detecção on-line para monitoramento em tempo real da qualidade do produto.

3.4 Controle dos principais parâmetros do processo

Os principais parâmetros do processo na fabricação de cabos influenciam diretamente o desempenho final do produto. Através da otimização experimental, este estudo determinou os seguintes parâmetros críticos do processo:

1. Controle de temperatura de extrusão ::

○ Extrusão de isolamento XLPE : Temperatura do barril 110-130°C, temperatura da cabeça 120-140°C, temperatura da matriz 130-150°C;

○ Extrusão de camada retardadora de chama de borracha de silicone : Temperatura do barril 70-90°C, temperatura da cabeça 80-100°C, temperatura da matriz 90-110°C;

○ Extrusão da bainha externa de poliuretano : Temperatura do barril 180-200°C, temperatura da cabeça 190-210°C, temperatura da matriz 200-220°C.

1. Controle de processo de reticulação:

○ Reticulação de silano : Temperatura de reticulação 85-95°C, tempo de reticulação 4-6 horas, pressão de vapor 0,3-0,5 MPa;

○ Vulcanização de borracha de silicone : Temperatura de vulcanização 160-180°C, tempo de vulcanização 10-15 minutos.

2. Controle de tensão ::

○ Tensão de torção do condutor : Tensão de fio único controlada em 10-15% da resistência à ruptura;

○ Tensão da trança : Tensão da trança do fio de aço controlada em 20-25% da resistência à ruptura;

○ Tensão de enrolamento : A tensão de enrolamento é mantida uniforme para evitar a deformação do cabo.

3. Controle de resfriamento:

○ Resfriamento da camada de isolamento : Adotando resfriamento em estágios: temperatura da água no primeiro estágio 60-70°C, segundo estágio 40-50°C, terceiro estágio 20-30°C;

○ Resfriamento da bainha externa : Empregando uma combinação de resfriamento a ar + resfriamento a água para garantir resfriamento uniforme.

4. Tratamento de Interface:

○ Tratamento de superfície : Realização de tratamento de plasma ou tratamento químico na superfície de cada camada funcional para aumentar a resistência da ligação interfacial;

○ Seleção de adesivos: Selecionar adesivos com boa compatibilidade com os materiais do substrato para garantir uma forte ligação interfacial. Ao controlar com precisão esses parâmetros-chave do processo, a estabilidade da qualidade de cada camada funcional do cabo pode ser garantida, a ligação interfacial pode ser tornada confiável e o produto final pode alcançar excelente desempenho.

4. Teste de desempenho e métodos de avaliação

4.1 Padrões de teste de retardamento de chama

O retardamento de chama é um indicador central de segurança para cabos de energia. Este estudo estabeleceu um sistema abrangente de testes de retardamento de chama baseado em padrões internacionais, incluindo principalmente os seguintes itens de teste:

5. Teste de chama vertical de fio único (IEC 60332-1):

○ Método de teste: Uma amostra de cabo de 1,5 metros de comprimento é suspensa verticalmente e uma chama específica (potência de 1 kW) é aplicada na extremidade inferior por 60 segundos.

○ Padrão de qualificação: Após a extinção da chama, o comprimento carbonizado não excede 2,5 metros e a chama não se espalha para a extremidade superior da amostra.

6. Teste de chama vertical para cabos agrupados (IEC 60332-3):

○ Método de teste: Vários cabos são agrupados e instalados em um rack de escada vertical, submetidos a uma chama especificada (potência de 20,5 kW) por 40 minutos.

○ Padrão de Classificação: Com base na altura de propagação da chama e no comprimento da carbonização, é categorizado em quatro classes (A, B, C, D), sendo a Classe A a mais rigorosa.

Alvo para este estudo:

4.1 Padrões de Teste de Retardo de Chama (Continuação)

7. Teste de resistência ao fogo (IEC 60331):

○ Método de teste: O cabo é submetido a uma chama de 750°C por 3 horas enquanto sua tensão nominal é aplicada.

○ Padrão de qualificação: O cabo mantém continuidade elétrica e sua resistência de isolamento não cai abaixo do valor especificado.

○ Requisito especial: Após o teste, o cabo deve ser capaz de suportar o impacto mecânico especificado.

8. Teste de Incêndio Abrangente (BS 6387):

○ Teste C: Exposição a chama de 950°C por 3 horas para avaliar a resistência ao fogo do cabo sob chamas de alta temperatura;

○ Teste W: Exposição a uma chama de 650°C por 15 minutos seguida de 30 minutos de pulverização de água para simular o desempenho sob condições de sprinklers contra incêndio;

○ Teste Z: Exposição à chama de 950°C por 15 minutos aplicando impacto mecânico para avaliar o desempenho do cabo quando submetido a impacto durante um incêndio;

○ Classificação mais alta: CWZ , indicando que o cabo pode passar simultaneamente nos testes C, W e Z.

9. Testes padrão UL americano:

○ UL 910 (Classificação CMP) : Para cabos usados ​​em plenums, exigindo a mais alta classificação de retardamento de chama;

○ UL 1666 (Classificação CMR) : Para cabos verticais entre andares;

○ UL 1581 (Classificação CM/CMG) : Para cabos de uso geral;

○ UL 1581 VW-1 : Um teste de chama vertical com requisitos rigorosos.

10. Teste de Padrão Europeu (EN 50575):

○ Classe B1 : Classificação mais alta de proteção contra incêndio, adequada para locais com requisitos de segurança contra incêndio extremamente elevados;

○ Classe B2 : Alto índice de proteção contra incêndio, adequado para edifícios importantes;

○ Classe C : Classificação média de proteção contra incêndio, adequada para edifícios em geral;

○ Classe D : Classificação básica de proteção contra incêndio.

Tabela de comparação de padrões de teste de cabos

4.2Métodos de teste de desempenho mecânico

O desempenho mecânico é um indicador crucial para avaliar a durabilidade e confiabilidade dos cabos. Este estudo estabeleceu um sistema abrangente de testes de desempenho mecânico:

11. Teste de resistência à tração:

○ Padrão de teste : GB/T 2951.11 / IEC 60811-1-1;

○ Método de teste : A amostra do cabo é fixada em uma máquina de teste de tração e esticada a uma velocidade especificada até a fratura;

○ Parâmetros de teste : Velocidade de tração 50 mm/min, temperatura de teste 23±2°C;

○ Métricas de avaliação : Força máxima de tração, resistência à tração, alongamento na ruptura.

12. Teste de desempenho de flexão:

○ Teste de flexão repetido : O cabo é dobrado repetidamente em torno de um cilindro de diâmetro especificado e o número de dobras antes da fratura é registrado;

○ Teste de flexão unidirecional : Avalia a capacidade do cabo de manter o desempenho em um estado de flexão fixa;

○ Teste de raio de curvatura mínimo : Determina o menor raio no qual o cabo pode ser dobrado com segurança.

13. Teste de resistência ao desgaste:

○ Teste de abrasão Taber : Utilizando um Abrasor Linear Taber 5750 para avaliar a resistência ao desgaste da superfície do cabo;

○ Teste de abrasão por raspagem : atende à norma ISO 6722, simulando condições de desgaste de cabos em veículos;

○ Teste de raspagem do cabo : Atende à norma IEC 60794-1-2, avaliando a resistência ao desgaste da camada protetora do cabo.

14. Teste de desempenho de impacto:

○ Teste de impacto por queda de peso : Avalia a capacidade do cabo de resistir a danos sob carga de impacto;；

○ Teste de impacto do pêndulo: Mede a resistência ao impacto do cabo.

15. Teste de desempenho de compressão:

○ Teste de compressão em placa plana : Avalia a deformação e capacidade de recuperação do cabo sob pressão;

○ Teste de flexão de três pontos : Mede a rigidez e resistência à flexão do cabo.

4.3 Requisitos de Teste de Desempenho Elétrico

O desempenho elétrico é o requisito funcional fundamental dos cabos de alimentação. Este estudo estabeleceu um rigoroso sistema de testes de desempenho elétrico:

16. Teste de resistência do condutor:

○ Padrão de teste: GB/T 3048.4 / IEC 60228;

○ Método de teste: Medição da resistência DC do condutor usando ponte dupla ou micro-ohmímetro;

○ Critério de aceitação: A resistência do condutor a 20°C não excede o valor especificado.

16. Teste de resistência de isolamento:

○ Padrão de teste: GB/T 3048.5 / IEC 60229;

○ Método de teste: Aplicação de tensão de 500 Vcc para medir a resistência de isolamento;

○ Critério de aceitação: A resistência de isolamento não é inferior ao valor especificado (normalmente ≥ 100 MΩ·km).

17. Teste de tensão suportável:

○ Teste de tensão suportável de frequência industrial: aplicação de uma tensão de frequência industrial especificada (por exemplo, 3,5U₀) por 5 minutos sem interrupção;

○ Teste de tensão DC suportável: Aplicando uma tensão DC especificada por 15 minutos, com corrente de fuga estável não excedendo o valor especificado.

18. Teste de Descarga Parcial:

○ Padrão de teste: GB/T 3048.12 / IEC 60270;

○ Método de teste: Medição da magnitude da descarga parcial em uma tensão de 1,73U₀;

○ Critério de aceitação: A magnitude da descarga parcial não excede 5 pC.

19. Teste de capacitância e perda dielétrica:

○ Método de teste: Medição da capacitância de trabalho do cabo e da tangente de perda dielétrica;

○ Métricas de avaliação: O valor da capacitância atende aos requisitos do projeto, o valor da tangente de perda dielétrica é baixo.

4.4 Teste de adequação ambiental

Os cabos enfrentam diversas condições ambientais complexas na utilização prática. Este estudo estabeleceu um sistema abrangente de testes de adequação ambiental:

20. Teste de envelhecimento térmico:

○ Padrão de teste: GB/T 2951.12 / IEC 60811-1-2;

○ Método de teste: As amostras de cabos são colocadas em um forno a uma temperatura específica (por exemplo, 200°C) por um período definido (por exemplo, 168 horas);

○ Métricas de avaliação: A taxa de alteração nas propriedades mecânicas e elétricas antes e depois do teste.

21. Teste de resistência ao óleo:

○ Método de teste: As amostras de cabos são imersas em óleo a uma temperatura específica (por exemplo, 70°C) por um período definido (por exemplo, 24 horas);

○ Métricas de avaliação: alterações no peso, propriedades mecânicas e propriedades elétricas antes e depois do teste.

22. Teste de resistência à corrosão química:

○ Método de teste: Amostras de cabos são imersas em soluções químicas como ácidos e álcalis para avaliar sua resistência à corrosão;

○ Métricas de avaliação: Mudanças na aparência, propriedades mecânicas e propriedades elétricas.

23. Teste de resistência ao calor úmido ::

○ Método de teste: As amostras de cabos são colocadas em um ambiente de alta temperatura e alta umidade (por exemplo, 40°C, 95% UR) por um período especificado;

○ Métricas de avaliação: Mudanças na resistência e aparência do isolamento.

24. Teste de resistência ultravioleta (UV):

○ Padrão de teste: GB/T 16422.3;

○ Método de teste: As amostras de cabos são colocadas em uma câmara de envelhecimento UV e irradiadas por um período especificado (por exemplo, 1.000 horas);

○ Métricas de avaliação: mudança de cor, fissuras superficiais, mudanças nas propriedades mecânicas.

25. Teste de desempenho em baixa temperatura:

○ Método de teste: As amostras de cabos são colocadas em um ambiente de baixa temperatura (por exemplo, -40°C) e submetidas a testes de flexão, impacto e outros;

○ Métricas de Avaliação: Flexibilidade e resistência ao impacto em baixas temperaturas.

5. Resultados Experimentais e Análise

5.1 Resultados do Teste de Desempenho de Materiais

Através de testes sistemáticos dos materiais para cada camada funcional, foram obtidos dados detalhados de desempenho:

Material da bainha externa (poliuretano modificado):

● Resistência à tração: 25,3 ± 1,2 MPa

● Alongamento na Ruptura: 305 ± 15%

● Dureza Shore: 85 ± 2 A

● Abrasão Taber (roda CS-10, 1000g, 1000 ciclos): 35 ± 3 mg

● Índice Limite de Oxigênio (LOI): 28,5 ± 0,5%

● Classificação UL 94: V-0

● Faixa de temperatura operacional: -40°C a +110°C

Material da camada retardante de chamas (borracha de silicone/composto Huntite):

● Resistência à tração: 5,68 ± 0,25 MPa

● Alongamento na Ruptura: 147,7 ± 8,5%

● Índice Limite de Oxigênio (LOI): 30,2 ± 0,8%

● Temperatura de decomposição térmica (TGA, perda de peso de 5%): 325 ± 10°C

● Densidade de Fumaça (Câmara de Fumaça NBS): 75 ± 5

● Índice de Toxicidade (CIT): 2,5 ± 0,3

Material de isolamento (XLPE modificado):

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

● Resistência dielétrica: 35,2 ± 1,5 kV/mm

● Constante dielétrica (50 Hz): 2,28 ± 0,05

● Fator de Dissipação (50Hz): 0,0005 ± 0,0001

● Resistência à tração: 18,3 ± 0,8 MPa

● Alongamento na Ruptura: 352 ± 18%

● Resistência à árvore na água: passou no teste acelerado de árvore na água de 42 dias

Material condutor (cobre livre de oxigênio):

● Condutividade: 101,2 ± 0,5% IACS

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

● Resistência à tração: 220 ± 10 MPa

● Alongamento: 35 ± 3%

5.2 Avaliação Abrangente do Desempenho do Cabo

O cabo de alimentação desenvolvido, resistente ao desgaste, de alta resistência e altamente retardador de chamas, foi submetido a um teste de desempenho abrangente, com os seguintes resultados:

Resultados do teste de retardamento de chama:

26. Teste de chama vertical de fio único IEC 60332-1: Aprovado , comprimento carbonizado de 1,8 m.

27. Teste de chama vertical IEC 60332-3A para cabos agrupados: Aprovado , altura de propagação da chama de 1,2 m.

28. Teste de resistência ao fogo IEC 60331: Aprovado , manteve continuidade elétrica a 750°C por 3 horas.

29. Teste de incêndio abrangente BS 6387:

○ Teste C: Aprovado , manteve a integridade do circuito a 950°C por 3 horas.

○ Teste W: Aprovado e manteve a integridade do circuito sob condições de pulverização de água.

○ Teste Z: Aprovado , manteve a integridade do circuito sob impacto mecânico.

○ Classificação geral: CWZ (classificação mais alta).

30. Teste UL 910 (CMP): Aprovado , comprimento de propagação de chama ≤ 1,5 m.

31. EN 50575 Classe de desempenho contra incêndio: Classe B1 (classe mais alta).

Resultados do teste de desempenho mecânico:

32. Resistência à tração: Resistência à tração longitudinal 52,5 ± 2,5 kN.

33. Desempenho de flexão:

○ Ciclos de dobra repetidos: >30.000 ciclos (sem danos).

○ Raio de curvatura mínimo: 6 vezes o diâmetro externo do cabo.

32. Resistência ao desgaste:

○ Abrasão Taber: Após 10.000 ciclos, profundidade de desgaste < 0,5 mm.

○ Abrasão por raspagem: passou no teste padrão ISO 6722.

33. Desempenho de Impacto:

○ Impacto de queda de peso: Nenhum dano visível abaixo da energia de impacto de 5 J.

○ Impacto do pêndulo: Resistência ao impacto 45 kJ/m².

34. Desempenho de compressão:

○ Compressão de placa plana: taxa de deformação < 15% sob pressão de 1000 N, taxa de recuperação > 85%.

Resultados do teste de desempenho elétrico:

35. Resistência do condutor: Cumpre os requisitos da norma GB/T 3956.

36. Resistência de isolamento: > 5.000 MΩ·km (a 20°C).

37. Tensão suportável de frequência de energia: passou no teste de 3,5U₀/5min, sem quebra.

38. Descarga parcial: <3 pC (na tensão de 1,73U₀).

39. Capacitância e Perda Dielétrica: Atende aos requisitos de projeto.

Resultados do teste de adequação ambiental:

40. Teste de Envelhecimento Térmico (200°C/168h):

○ Retenção de resistência à tração: > 85%.

○ Alongamento na Retenção de Ruptura: > 80%.

○ Taxa de alteração da resistência do isolamento: <20%.

41. Teste de resistência ao óleo (70°C/24h):

○ Taxa de alteração de peso: <2%.

○ Taxa de retenção de desempenho mecânico: > 90%.

42. Teste de resistência à corrosão química:

○ Imersão em solução de ácido sulfúrico a 10% por 168h: Sem alteração na aparência, taxa de retenção de desempenho > 85%.

○ Imersão em solução de hidróxido de sódio a 10% por 168h: Sem alteração na aparência, taxa de retenção de desempenho > 88%.

43. Teste de resistência ao calor úmido (40°C, 95% UR / 1000h):

○ Resistência de isolamento: > 1.000 MΩ·km.

○ Aparência: Sem mofo, sem corrosão.

44. Teste de resistência ultravioleta (UV) (1000h):

○ Mudança de cor: ΔE < 3.

○ Condição da superfície: Sem rachaduras, sem escamação.

45. Teste de desempenho em baixa temperatura (-40°C):

○ Flexão em baixa temperatura: Passou no teste de flexão de -40°C.

○ Impacto em baixa temperatura: passou no teste de impacto de -40°C.

5.3 Comparação de desempenho com cabos tradicionais

Para avaliar objetivamente a inovação desta pesquisa, foi realizada uma comparação de desempenho entre o cabo desenvolvido e os principais produtos de cabo disponíveis no mercado:

	Indicadores de desempenho	Cabos de PVC tradicionais	Cabos XLPE padrão	Os cabos investigados neste estudo	Melhoria
Resistência à Abrasão	Ruim (abrasão Taber > 200mg)	Moderada (abrasão Taber 150mg)	Excelente (abrasão Taber 35mg)	Aumentou em 76%
Classificação retardante de chama	VW-1	V-0	CWZ	A classificação mais alta
Resistência à tracção	15 MPa	18 MPa	25 MPa	Aumentou em 39%
Temperatura operacional	70°C	90°C	110°C	Aumentou em 22%
Resistência química	Pobre	Moderado	Excelente	Melhorou significativamente
Vida útil	15 anos	20 anos	> 30 anos	Estendido em 50%
Custo de manutenção	Alto	Moderado	Baixo	Reduzido em 40%

Como pode ser visto nos resultados da comparação, o cabo desenvolvido neste estudo supera significativamente os produtos de cabos tradicionais em todas as métricas de desempenho. Notavelmente, em termos de resistência à abrasão e retardamento de chama, atende aos mais altos padrões internacionais.

5.4 Análise de confiabilidade de longo prazo

Para avaliar a fiabilidade a longo prazo dos cabos, foram realizados testes de envelhecimento acelerado e análises de previsão de vida útil:

Teste de envelhecimento acelerado:

1. Teste de Envelhecimento Térmico: Os testes de envelhecimento acelerado foram realizados em três temperaturas – 140°C, 150°C e 160°C – de acordo com a equação de Arrhenius, com durações de teste de 1000h, 500h e 250h, respectivamente.

2. Teste de envelhecimento por calor úmido: O teste de envelhecimento acelerado foi realizado durante 1000 horas sob condições de 85°C e 85% de umidade relativa.

3. Teste de envelhecimento por tensão mecânica: O teste de envelhecimento foi realizado por 1000 horas sob tensão de tração constante (50% da resistência à ruptura).

Resultados da previsão de vida útil:

Com base nos dados dos testes de envelhecimento acelerado, o modelo de Arrhenius foi aplicado para previsão da vida útil:

● A uma temperatura operacional de 90°C, a vida útil prevista é de 35 anos (com 90% de confiança);

● A uma temperatura operacional de 105°C, a vida útil prevista é de 25 anos (com 90% de confiança);

● Sob condições extremas (120°C), a vida útil prevista é de 15 anos (com 90% de confiança).

Análise do modo de falha: Através de testes de confiabilidade de longo prazo, foram identificados os principais modos de falha do cabo:

4. Envelhecimento do isolamento: A cisão da cadeia molecular em XLPE sob altas temperaturas prolongadas leva à degradação das propriedades elétricas.

5. Delaminação de Interface: Diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre camadas de material causam tensão interfacial, levando potencialmente à delaminação.

6. Fadiga Mecânica: Dobras e vibrações repetidas resultam em danos por fadiga do material.

7. Corrosão Ambiental: A corrosão química e a exposição aos raios UV causam degradação do desempenho do material.

Medidas de proteção correspondentes tomadas neste estudo:

8. Formulação otimizada de material de isolamento para aumentar a estabilidade térmica.

9. Tecnologia de tratamento de interface aplicada para melhorar a força de ligação entre camadas.

10. Projetou uma estrutura racional para reduzir a concentração de estresse.

11. Materiais selecionados resistentes às intempéries para aumentar a adaptabilidade ambiental.

6. Perspectivas de Aplicação e Perspectivas Futuras
6.1 Análise de Domínio de Aplicação

O cabo de alimentação resistente ao desgaste, de alta resistência e retardador de chamas, com seu excelente desempenho abrangente, oferece amplas perspectivas de aplicação em vários campos:

1. Indústria de mineração:

● Cenários de aplicação: Equipamentos de mineração subterrânea, sistemas de transporte, sistemas de iluminação, etc.

● Requisitos Técnicos: Alta resistência à abrasão, à prova de explosão, retardante de chama e resistente a impactos mecânicos.

● Potencial de mercado: O mercado de cabos de mineração da China é avaliado em aproximadamente ¥ 20 bilhões anualmente, com forte demanda por produtos de alta qualidade.

2. Engenharia Offshore:

● Cenários de Aplicação: Plataformas offshore, cabos submarinos, sistemas de energia de navios.

● Requisitos Técnicos: Resistência à corrosão da água do mar, tolerância a altas pressões, retardamento de chama e longa vida útil.

● Potencial de Mercado: Com o desenvolvimento acelerado dos recursos marinhos, a procura de cabos especializados está a crescer rapidamente.

3. Trânsito Ferroviário:

● Cenários de aplicação: Sistemas de energia metropolitana, ferroviária de alta velocidade e ferroviária urbana.

● Requisitos Técnicos: Segurança contra incêndio, resistência a vibrações, baixa emissão de fumaça e livre de halogênio.

● Potencial de mercado: O desenvolvimento contínuo e de alta velocidade da construção de transporte ferroviário na China impulsiona o crescimento constante da procura de cabos.

4. Automação Industrial:

● Cenários de aplicação: Robôs, linhas de produção automatizadas, sistemas logísticos.

● Requisitos Técnicos: Alta flexibilidade, resistência a óleo e contaminação e capacidade anti-interferência.

● Potencial de mercado: O avanço da produção inteligente está a aumentar a procura de cabos especializados.

5. Novo Setor Energético:

● Cenários de aplicação: Energia eólica, geração de energia fotovoltaica, sistemas de armazenamento de energia.

● Requisitos Técnicos: Resistência às intempéries, resistência aos raios UV, desempenho em altas temperaturas.

● Potencial de mercado: O rápido desenvolvimento de novas energias impulsiona uma forte procura de cabos de suporte.。

6.2 Perspectivas de Industrialização

Com base no alinhamento das vantagens tecnológicas e da procura do mercado, os resultados da investigação demonstram perspectivas promissoras de industrialização:

Vantagens tecnológicas:

12. Desempenho líder: Desempenho abrangente encontra

13. Custos controláveis: A alta taxa de localização de matérias-primas garante custos de fabricação competitivos.

14. Processos maduros: Processos de fabricação otimizados são adequados para produção em larga escala.

15. Padrões Abrangentes: Os produtos atendem aos padrões internacionais e nacionais, garantindo alta aceitação no mercado.

Oportunidades de mercado:

16. Apoio político: As políticas nacionais incentivam a inovação no fabrico de equipamentos e materiais de alta qualidade.

17. Substituição de Importações: A dependência a longo prazo de cabos importados de alta qualidade cria uma procura urgente de alternativas produzidas internamente.

18. Atualização Industrial: A atualização das indústrias tradicionais aumenta a demanda por cabos de alto desempenho.

19. Iniciativa Belt and Road: Os projectos de construção de infra-estruturas no estrangeiro apresentam novas oportunidades de mercado.

Caminho da Industrialização:

20. Transferência de Tecnologia: Colaborar com empresas fabricantes de cabos para transferência de tecnologia e industrialização.

21. Construção de linha de produção: Estabeleça linhas de produção dedicadas para alcançar a fabricação em larga escala.

22. Promoção de Mercado: Promova aplicações de produtos através de certificações industriais e projetos de demonstração.

23. Inovação Contínua: Estabelecer um centro de pesquisa e desenvolvimento para atualizações contínuas de produtos e inovação tecnológica.

Previsão de benefícios econômicos:

● Investimento Inicial: Investimento na construção da linha de produção de aproximadamente ¥ 50 milhões.

● Capacidade Anual de Produção: Capacidade anual projetada de 10.000 quilômetros.

● Valor da produção anual: Valor da produção anual estimado em cerca de ¥ 500 milhões após a produção total.

● Período de retorno do investimento: projetado para ser de 3 a 4 anos.

● Benefícios Sociais: Reduzem perdas devido a falhas de cabos e melhoram a segurança dos sistemas de energia.

6.3 Direções Futuras de Pesquisa

Com base nos fundamentos deste estudo e nas tendências de desenvolvimento da tecnologia de cabos, são propostas as seguintes direções de pesquisa futura:

1. Tecnologia de cabo inteligente:

● Objetivo da pesquisa: Desenvolver cabos inteligentes com recursos de monitoramento de condições.

● Tecnologias-chave: Sensores incorporados, tecnologia de transmissão de dados, algoritmos de avaliação de condições.

● Perspectivas de aplicação: Permite previsão de falhas em cabos e manutenção preventiva.

2. Tecnologia de cabo supercondutor:

● Objetivo da pesquisa: Desenvolver cabos de energia supercondutores de alta temperatura.

● Tecnologias Chave: Materiais supercondutores, sistemas de resfriamento criogênico, tecnologia conjunta.

● Perspectivas de aplicação: Transmissão de energia elétrica de alta capacidade e baixas perdas.

3. Materiais de cabos ecológicos:

● Objetivo da pesquisa: Desenvolver materiais para cabos biodegradáveis, recicláveis ​​e ecologicamente corretos.

● Tecnologias-chave: Polímeros de base biológica, retardadores de chama ecológicos, tecnologia de reciclagem.

● Perspectivas de aplicação: Reduzir o impacto ambiental dos resíduos de cabos.

4. Adaptabilidade ao Ambiente Extremo:

● Objetivo da pesquisa: Desenvolver cabos adequados para ambientes extremos (por exemplo, regiões polares, mar profundo, espaço).

● Tecnologias Chave: Adaptabilidade a temperaturas extremas, tolerância a altas pressões, proteção contra radiação.

● Perspectivas de aplicação: Apoiar pesquisas científicas e projetos de engenharia em ambientes extremos.

5. Cabos integrados multifuncionais:

● Objetivo da pesquisa: Desenvolver cabos compostos integrando transmissão de energia, transmissão de sinal e funções de detecção.

● Tecnologias Chave: Projeto de compatibilidade eletromagnética, isolamento multicanal, otimização de integração funcional.

● Perspectivas de aplicação: Simplifique a fiação do sistema e melhore a integração e a confiabilidade do sistema.

6. Aplicação de Nanomateriais em Cabos:

● Objectivo da investigação: Explorar os efeitos de melhoria do desempenho dos nanomateriais nos cabos.

● Tecnologias Chave: Tecnologia de dispersão de nanomateriais, modificação de interface, mecanismos de sinergia de desempenho.

● Perspectivas de aplicação: Desenvolver materiais de cabos nanocompósitos de alto desempenho e de próxima geração.

7. Previsão de vida útil do cabo e gerenciamento de saúde:

● Objectivo da investigação: Estabelecer um sistema de gestão de saúde do ciclo de vida completo dos cabos.

● Tecnologias-chave: Pesquisa de mecanismos de envelhecimento, previsão de vida restante, tecnologia de monitoramento inteligente.

● Perspectivas de aplicação: Otimize o gerenciamento de ativos de cabos e apoie a tomada de decisões de manutenção.

8. Processos inteligentes de fabricação de cabos:

● Objetivo da pesquisa: Alcançar controle inteligente e otimização dos processos de fabricação de cabos.

● Tecnologias-chave: Internet das Coisas Industrial, análise de big data, algoritmos de controle inteligentes.

● Perspectivas de aplicação: Melhore a eficiência da fabricação e garanta qualidade consistente do produto.

7. Conclusões

Este estudo conduziu sistematicamente o desenvolvimento de cabos de energia resistentes ao desgaste, de alta resistência e retardadores de chama, alcançando os seguintes resultados principais:

1. Inovações materiais:

● Desenvolveu um material de revestimento externo de poliuretano modificado com nanocompósito, melhorando a resistência ao desgaste em 76% em comparação com materiais tradicionais, com um índice limite de oxigênio (LOI) de 28,5%, atendendo ao padrão de retardamento de chama UL 94 V-0.

● Desenvolveu um material retardador de chama composto de borracha de silicone/huntite com um LOI de 30,2%, passando no teste de resistência ao fogo BS 6387 CWZ de mais alto nível.

● Otimizou a formulação do material de isolamento XLPE, alcançando uma resistividade de volume de 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, uma rigidez dielétrica de 35,2 kV/mm e aumentando a temperatura operacional de longo prazo para 105°C.

● Utilizados condutores de cobre isentos de oxigênio de alta pureza com condutividade de 101,2% IACS, garantindo excelente desempenho elétrico.

2. Projeto Estrutural:

● Propôs um projeto estrutural composto multicamadas, alcançando otimização sinérgica de camadas funcionais.

● Projetamos distribuição de espessura razoável e estruturas de interface para garantir o desempenho geral do cabo.

● Parâmetros de torção de condutores e processos de compactação otimizados, aumentando a flexibilidade e a eficiência espacial do cabo.

3. Processos de Fabricação:

● Estabeleceu um processo de fabricação completo, incluindo produção de condutores, extrusão de isolamento, fabricação de camada de blindagem, cabeamento, produção de camada de armadura, extrusão de camada retardante de chama e extrusão de revestimento externo.

● Faixas de controle definidas para parâmetros-chave do processo para garantir a consistência da qualidade do produto.

● Adotou tecnologias avançadas de detecção on-line para monitoramento em tempo real do processo de fabricação.

4. Teste de desempenho:

● Estabeleceu um sistema abrangente de testes de desempenho, abrangendo retardamento de chama, propriedades mecânicas, desempenho elétrico e adaptabilidade ambiental.

● Os resultados dos testes confirmaram que os cabos desenvolvidos atendem aos mais altos padrões internacionais, incluindo IEC 60332-3A, BS 6387 CWZ e UL 910 (CMP).

● O desempenho geral do cabo supera significativamente o dos produtos tradicionais, com uma vida útil estimada superior a 35 anos.

5. Perspectivas de aplicação:

● O cabo demonstra amplo potencial de aplicação em áreas como mineração, engenharia offshore, trânsito ferroviário, automação industrial e novas energias.

● Perspectivas promissoras de industrialização com alta maturidade tecnológica e forte competitividade de mercado.

● Diretrizes de pesquisa futuras propostas para estabelecer as bases para avanços contínuos na tecnologia de cabos.

Destaques inovadores deste estudo:

24. Inovação do sistema de materiais: Primeira aplicação de cargas minerais compostas de Huntita/hidromagnesita em materiais de cabos de borracha de silicone, alcançando um avanço no desempenho retardador de chamas.

25. Inovação no projeto estrutural: Introduziu uma filosofia de projeto composto multicamadas de separação funcional e aprimoramento sinérgico, abordando as limitações dos cabos tradicionais em termos de desempenho abrangente.

26. Inovação no Processo de Fabricação: Controle otimizado dos principais parâmetros do processo, permitindo a produção estável de cabos de alto desempenho.

27. Inovação em sistemas de testes: Estabelecida uma estrutura abrangente de testes de desempenho, fornecendo uma base científica para avaliação da qualidade de produtos de cabos.

O cabo de alimentação resistente ao desgaste, de alta resistência e retardador de chamas desenvolvido neste estudo não apenas preenche uma lacuna tecnológica nos produtos de cabos domésticos de alta qualidade, mas também tem uma importância significativa para melhorar a segurança e a confiabilidade dos sistemas de energia. Com o avanço da industrialização e a expansão do mercado, espera-se que este produto alcance ampla aplicação em múltiplos campos, gerando benefícios económicos e sociais substanciais.

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