تطوير كابلات طاقة مقاومة للتآكل، وعالية القوة، ومقاومة للهب

تطوير كابلات طاقة مقاومة للتآكل، وعالية القوة، ومقاومة للهب

خلاصة

تبحث هذه الورقة بشكل منهجي في مبادئ التصميم واختيار المواد وعمليات التصنيع وطرق تقييم الأداء لكابلات الطاقة المقاومة للتآكل وعالية القوة والمقاومة للهب. من خلال تحليل القيود المفروضة على مواد الكابلات التقليدية ودمج أحدث التطورات في علم مواد البوليمر الحديثة، تم اقتراح مخطط تصميم كابل مبتكر يعتمد على هيكل مركب متعدد الطبقات. يستخدم المخطط مادة مركبة قائمة على مادة البولي يوريثين كطبقة غمد خارجية، وطبقة مثبطة للهب من مطاط السيليكون كطبقة وسيطة، وطبقة درع مضفرة من أسلاك الفولاذ المجلفنة كطبقة تقوية، وطبقة عازلة XLPE كطبقة عازلة كهربائية، وطبقة درع مركبة من رقائق الألومنيوم والنحاس. تشير نتائج البحث إلى أن الكابل المصمم يتفوق بشكل كبير على منتجات الكابلات التقليدية من حيث مقاومة التآكل، والقوة الميكانيكية، وتثبيط اللهب، والقدرة على التكيف البيئي. من خلال الاختبار المنهجي والتحقق، يلبي الكابل متطلبات أعلى المعايير الدولية لمثبطات اللهب مثل IEC 60332-3A وBS 6387 CWZ، بينما يُظهر أيضًا خصائص ميكانيكية ممتازة وموثوقية تشغيلية طويلة المدى. توفر هذه الدراسة الأسس النظرية والمراجع الفنية للبحث والتطوير لكابلات الطاقة عالية الأداء وتحمل أهمية كبيرة لتعزيز سلامة وموثوقية أنظمة الطاقة.

الكلمات المفتاحية: كابلات الكهرباء؛ مقاومة التآكل قوة عالية مثبطات اللهب المواد المركبة هيكل متعدد الطبقات معايير الاختبار

1. مقدمة

1.1 خلفية البحث وأهميته

مع التطور السريع لأنظمة الطاقة الحديثة، تتزايد متطلبات الأداء لكابلات الطاقة، باعتبارها ناقلات مهمة لنقل الطاقة الكهربائية، بشكل متزايد. ويتجلى هذا بشكل خاص في سيناريوهات التطبيق في ظل بيئات معقدة وقاسية، مثل التعدين والهندسة البحرية والنقل بالسكك الحديدية والأتمتة الصناعية. تفرض هذه المجالات متطلبات عالية للغاية على مقاومة التآكل والقوة الميكانيكية وتثبيط اللهب لكابلات الطاقة. غالبًا ما تظهر مواد الكابلات التقليدية، مثل PVC والمطاط العادي، عيوبًا في هذه البيئات القاسية، بما في ذلك عدم كفاية مقاومة التآكل، والقوة الميكانيكية المحدودة، وأداء مثبطات اللهب غير المُرضي. يمكن أن تؤدي هذه القيود إلى تقصير عمر خدمة الكابل وزيادة تكاليف الصيانة وحتى حوادث السلامة المحتملة.

إن تطوير كابلات الطاقة المقاومة للاهتراء والقوة العالية والمقاومة للهب لا يمكن أن يلبي المتطلبات الفنية لسيناريوهات تطبيق محددة فحسب، بل يعزز أيضًا السلامة العامة والموثوقية لأنظمة الطاقة. وفقًا للبيانات الإحصائية، تمثل أعطال الكابلات نسبة كبيرة من أعطال أنظمة الطاقة، مع ظهور الأعطال الناجمة عن الأضرار الميكانيكية والحرائق بشكل خاص. ولذلك، فإن تطوير كابلات الطاقة ذات الأداء الشامل الممتاز له أهمية عملية كبيرة لضمان استمرارية إمدادات الطاقة، وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة، وتحسين سلامة النظام.

مخطط مقارنة أداء الكابل

1.2 حالة البحث الحالية في الداخل والخارج

في السنوات الأخيرة، أجرى العلماء محليًا ودوليًا أبحاثًا مكثفة حول مواد الكابلات والتصميم الهيكلي. على الصعيد العالمي، لعبت البلدان والمناطق المتقدمة مثل الولايات المتحدة وأوروبا واليابان دورًا رائدًا في البحث والتطوير في مجال تقنيات الكابلات المتقدمة. أصبحت معايير تصنيف مثبطات اللهب، بما في ذلك CMP وCMR وCMG، التي أنشأتها شركة Underwriters Laboratories (UL)، بمثابة معايير صناعية. يحدد معيار CEN EN 50575 الذي نشرته اللجنة الأوروبية للمعايير متطلبات واضحة لأداء الكابلات ضد الحرائق. حققت اليابان تقدمًا ملحوظًا في مجال الكابلات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية والكابلات المتخصصة.

محليًا، وتماشيًا مع تنفيذ استراتيجية 'صنع في الصين 2025'، يتحسن المستوى التكنولوجي لصناعة الكابلات بشكل مستمر. في مجال المواد المثبطة للهب، تم اعتماد مركبات مثل ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم (ATH)، وهيدروكسيد المغنيسيوم (MH)، ومثبطات اللهب القائمة على الفوسفور على نطاق واسع. بالنسبة لمواد التسليح، فإن استخدام الألياف عالية الأداء مثل ألياف الأراميد والألياف الزجاجية وألياف الكربون أمر شائع بشكل متزايد. تتعمق الأبحاث بشكل مستمر حول المواد العازلة، بما في ذلك البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، ومطاط السيليكون، والبولي يوريثين.

ومع ذلك، لا تزال هناك فجوة في السوق بالنسبة لمنتجات الكابلات التي تتميز في نفس الوقت بمقاومة تآكل ممتازة، وقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة فائقة للهب. غالبًا ما تتفوق المنتجات الحالية في جانب واحد محدد من جوانب الأداء ولكنها تعجز عن توفير خصائص شاملة لتلبية متطلبات بيئات التشغيل القاسية. ولذلك، فإن إجراء بحث منهجي على كابلات الطاقة المقاومة للتآكل، وعالية القوة، وعالية المقاومة للهب يحمل قيمة نظرية وعملية كبيرة.

1.3 أهداف البحث ومحتوياته

الهدف الأساسي من هذا البحث هو تطوير كابل طاقة مقاوم للتآكل وعالي القوة ومقاوم للهب مع أداء شامل ممتاز. تشمل محتويات البحث المحددة ما يلي:

1. تحليل متطلبات الأداء لكل طبقة وظيفية من الكابل بشكل منهجي وتحديد مؤشرات الأداء الرئيسية؛

2. فحص المواد وتحسينها لكل طبقة وظيفية وتطوير مواد مركبة جديدة؛

3. تصميم هيكل مركب متعدد الطبقات معقول لتحقيق التحسين التآزري للأداء؛

4. تحسين معلمات عملية التصنيع لضمان جودة تصنيع الكابل.

5. إنشاء نظام اختبار أداء شامل لتقييم أداء الكابل بشكل كامل؛

6. تحليل موثوقية الكابل على المدى الطويل في بيئات التطبيقات المختلفة.

من خلال التنفيذ المنهجي لمحتويات البحث المذكورة أعلاه، من المتوقع الحصول على منتج كابلات طاقة يصل إلى مستوى متقدم عالميًا من حيث مقاومة التآكل، والقوة الميكانيكية، ومثبطات اللهب، وجوانب أخرى، مما يوفر الدعم الفني للتطبيقات في المجالات ذات الصلة.

%1. اختيار مواد الكابلات وتحليل الأداء

2.1 اختيار وتعديل مواد الغلاف الخارجي

الغلاف الخارجي هو الهيكل الواقي الخارجي للكابل، ويخضع مباشرة لتأثيرات ميكانيكية وكيميائية وفيزيائية من البيئة الخارجية. في حين أن أغلفة PVC التقليدية توفر تكلفة أقل، إلا أنها تعاني من ضعف مقاومة التآكل، ومقاومة غير كافية للطقس، وهشاشة درجات الحرارة المنخفضة. تختار هذه الدراسة مادة البولي يوريثين (PU) كمادة أساسية للغلاف الخارجي نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل ومرونتها ومقاومتها للتآكل الكيميائي.

مقاومة التآكل هي واحدة من أبرز مزايا PU؛ مقاومة التآكل هي 8-10 أضعاف مقاومة المطاط العادي و20-30 مرة مقاومة PVC. يستفيد هذا في المقام الأول من بنية فصل الطور الميكروي للقطاعات الصلبة والناعمة في السلسلة الجزيئية PU: توفر القطاعات الصلبة القوة ومقاومة التآكل، بينما توفر القطاعات الناعمة المرونة والمرونة. ومع ذلك، فإن PU النقي يُظهر تثبيطًا ضعيفًا للهب، مما يستلزم تعديلًا لتعزيز تصنيف مثبطات اللهب.

تستخدم هذه الدراسة تقنية تعديل المركبات النانوية، حيث تدمج كلاً من ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم النانوي (nano-ATH) ومثبطات اللهب القائمة على الفوسفور بشكل تآزري في مصفوفة PU. Nano-ATH، بمساحة سطحه المحددة الكبيرة وقابلية التشتت الجيدة، يمتص حرارة كبيرة ويطلق بخار الماء أثناء الاحتراق، مما يوفر تأثيرات التبريد ومثبطات اللهب. تعمل مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور على تعزيز تكوين طبقة شار أثناء الاحتراق، وعزل الأكسجين والحرارة. إن التأثير التآزري لهذين الاثنين يحسن بشكل كبير أداء مثبطات اللهب للـ PU.

تشير نتائج اختبار أداء المادة المركبة PU المعدلة إلى أن قوة الشد تصل إلى 25 ميجاباسكال؛ الاستطالة عند الكسر تصل إلى 300%؛ مقاومة التآكل (تآكل تابر) تتحسن بنسبة 15% مقارنة بالبولي يوريثان النقي؛ يزيد مؤشر الأكسجين المحدود (LOI) من 18% إلى 28%، بما يتوافق مع معيار مثبطات اللهب UL 94 V-0.

2.2 فحص المواد المثبطة للهب وتحسينها

تعتبر الطبقة المقاومة للهب مكونًا هيكليًا مهمًا للسلامة من حرائق الكابلات. تختار هذه الدراسة مطاط السيليكون كمادة أساسية للطبقة المقاومة للهب بسبب مقاومته الممتازة لدرجات الحرارة العالية، وخصائص العزل الكهربائي، وأداء مثبطات اللهب. تحت درجات الحرارة العالية، يمكن لمطاط السيليكون أن يشكل طبقة واقية مستقرة من ثاني أكسيد السيليكون، مما يمنع انتشار اللهب بشكل فعال.

لزيادة تعزيز أداء مثبطات اللهب لمطاط السيليكون، تستخدم هذه الدراسة حشو معدني مركب من نوع Huntite/Hydromagnesite. يعتبر الهونتيت (CaMg₃(CO₃)₄) والهيدرومغناطيسيت (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) من مثبطات اللهب المعدنية الطبيعية التي تتحلل عند التسخين، وتطلق ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، مما يخفف الغازات القابلة للاحتراق ويخفض درجة الحرارة.

تظهر الأبحاث التجريبية أنه عندما تكون إضافة Huntite/Hydromagnesite 25 phr، فإن المادة المركبة من مطاط السيليكون تحقق الأداء الشامل الأمثل. عند هذا المستوى، تبلغ قوة الشد للمادة 5.68 ميجا باسكال، والاستطالة عند الكسر 147.7%، ويصل مؤشر الأكسجين الحدي إلى 30%. في الاختبار القياسي BS 6387، اجتازت هذه المادة اختبارات C وZ، مما يدل على الأداء الممتاز لمثبطات اللهب.

رسم تخطيطي لهيكل الكابل

2.3 تصميم وتطبيق مواد التسليح

الوظيفة الأساسية لطبقة التسليح هي تعزيز القوة الميكانيكية للكابل، وخاصة قوة الشد وقوة الضغط. تستخدم هذه الدراسة طبقة تجديل الأسلاك الفولاذية المجلفنة كهيكل معزز، مما يوفر المزايا التالية:

1. القوة العالية: قوة الشد للسلك الفولاذي يمكن أن تتجاوز 1000 ميجا باسكال، وهي أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمواد البوليمرية العادية.

2. مرونة جيدة: يسمح الهيكل المضفر للكابل بالحفاظ على خصائص انحناء معينة مع الحفاظ على قوته.

3. مقاومة التآكل: طلاء الزنك يمنع بشكل فعال تآكل الأسلاك الفولاذية، مما يزيد من عمر الخدمة.

4. تأثير التدريع الكهرومغناطيسي : توفر طبقة التضفير المعدنية أداءً ممتازًا في التدريع الكهرومغناطيسي.

تتضمن معلمات التصميم لطبقة تجديل الأسلاك الفولاذية قطر السلك، وكثافة التضفير، وزاوية التضفير. من خلال التحسين، حددت هذه الدراسة معلمات التضفير المثالية: قطر السلك 0.3 مم، وكثافة التضفير 85%، وزاوية التضفير 45 درجة. مع هذه المعلمات، يحقق الكابل قوة شد تبلغ 50 كيلو نيوتن ونصف قطر انحناء يبلغ ستة أضعاف القطر الخارجي للكابل.

علاوة على ذلك، قامت هذه الدراسة بدمج شريط تقوية من ألياف الأراميد في طبقة التعزيز لتعزيز مقاومة تأثير الكابل ومقاومة القطع. تمتلك ألياف الأراميد خصائص ممتازة مثل القوة العالية، والمعامل العالي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، مما يخلق تأثير تعزيز مكمل مع طبقة تجديل الأسلاك الفولاذية.

2.4 متطلبات الأداء للمواد العازلة

الطبقة العازلة هي الهيكل الأساسي الذي يضمن السلامة الكهربائية للكابل. تم اختيار مادة البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) في هذه الدراسة كمادة عازلة نظرًا لخصائصها الكهربائية الممتازة ومقاومتها للحرارة وأدائها الميكانيكي.

تتضمن متطلبات الأداء لـ XLPE بشكل أساسي ما يلي:

1.الخصائص الكهربائية: مقاومة الحجم ≥ 1×10⊃1;⁴ Ω·cm، قوة العزل الكهربائي ≥ 30 كيلو فولت/مم، ثابت العزل الكهربائي ≥ 2.3؛

2. الخصائص الحرارية: درجة حرارة التشغيل على المدى الطويل 90 درجة مئوية، درجة الحرارة الزائدة على المدى القصير 130 درجة مئوية، درجة حرارة الدائرة القصيرة 250 درجة مئوية؛

3. الخواص الميكانيكية: قوة الشد ≥ 15 ميجا باسكال، الاستطالة عند الكسر ≥ 300%؛

4. المقاومة البيئية: مقاومة ممتازة لأشجار المياه، ومقاومة جيدة للتآكل الكيميائي.

لتعزيز أداء XLPE بشكل أكبر، اعتمدت هذه الدراسة تقنيات التعديل التالية:

1. التعديل النانوي: إضافة السيليكا النانوية لتحسين مقاومة تشجير المياه للمادة والقوة الميكانيكية؛

2. تحسين نظام مضادات الأكسدة: اعتماد نظام مضاد للأكسدة مركب لتعزيز الاستقرار الحراري للمادة وموثوقية الخدمة على المدى الطويل.

3. تحسين عملية التشابك: استخدام عملية التشابك السيلاني للتحكم في درجة التشابك والتجانس.

تشير نتائج اختبار الأداء لمادة XLPE المعدلة إلى أن مقاومة الحجم تصل إلى 6.5×10⊃1;⁴ Ω·cm، وتصل قوة العزل الكهربائي إلى 35 كيلو فولت/مم، وتصل قوة الشد إلى 18 ميجا باسكال، وتصل الاستطالة عند الكسر إلى 350%، وتزداد درجة حرارة التشغيل على المدى الطويل إلى 105 درجة مئوية.

3. تصميم هيكل الكابل وعملية التصنيع

3.1 مبادئ تصميم الهيكل المركب متعدد الطبقات

يستخدم كابل الطاقة المقاوم للتآكل وعالي القوة ومقاوم للهب المصمم في هذه الدراسة هيكلًا مركبًا متعدد الطبقات، حيث تعمل كل طبقة وظيفية بشكل تآزري لتحقيق الأداء الشامل الأمثل. الهيكل العام للكابل، من الخارج إلى الداخل، هو كما يلي:

1. طبقة الغلاف الخارجية: سمك 2.0 مم، مادة مركبة من مادة البولي يوريثين، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة الطقس، ومقاومة التآكل الكيميائي؛

2. طبقة مثبطات اللهب: سمك 1.5 مم، مادة مركبة من مطاط السيليكون/الهنتيت، مما يوفر أداءً فائقًا لمثبطات اللهب ومقاومة درجات الحرارة العالية؛

3. طبقة الدرع: سمك 1.0 مم، طبقة تجديل الأسلاك الفولاذية المجلفنة، مما يوفر قوة ميكانيكية عالية ومقاومة للصدمات.；

4. طبقة الغلاف الداخلية: سمك 1.0 مم، مادة عازلة XLPE، توفر أداء عزل كهربائي ممتاز؛

5. طبقة الدرع: سمك 0.5 مم، غلاف من رقائق الألومنيوم + هيكل مركب لتضفير الأسلاك النحاسية، مما يوفر حماية كهرومغناطيسية وأداء مضاد للتداخل؛

6. الموصل: موصل نحاسي مجدول، مع تحديد مساحة المقطع العرضي على أساس متطلبات التطبيق؛

7. مادة الحشو : حشوة من الألياف المقاومة للهب، مما يضمن استدارة وثبات هيكل الكابل.

يعتمد تصميم سمك كل طبقة وظيفية على التحليل الميكانيكي ومتطلبات الأداء. تتطلب سُمكًا طبقة الغلاف الخارجية كافيًا لتحمل التآكل الخارجي والتأثيرات الميكانيكية؛ تتطلب الطبقة المقاومة للهب سماكة مناسبة لضمان الحماية الفعالة من الحرائق؛ يتم تحديد سمك الطبقة المدرعة بناءً على متطلبات قوة الشد للكابل؛ ويتم تحديد سمك الطبقة العازلة وفقًا لجهد التشغيل ومتطلبات السلامة الكهربائية.

يعتمد مبدأ تصميم الهيكل المركب متعدد الطبقات على الفصل الوظيفي والتعزيز التآزري . تركز كل طبقة وظيفية على متطلبات أداء محددة. من خلال تصميم الواجهة الرشيد واختيار المواد، يتم تحقيق تعزيز تآزري للأداء. على سبيل المثال، يتم تشكيل رابطة بينية قوية بين طبقة الغلاف الخارجية وطبقة مثبطات اللهب من خلال الترابط الكيميائي والتشابك الفيزيائي ، مما يضمن عدم حدوث أي انفصال تحت الضغط الميكانيكي.

3.2 تصميم الموصل وتحسينه

الموصل هو المكون الأساسي للكابل لنقل الطاقة الكهربائية. تستخدم هذه الدراسة النحاس الخالي من الأكسجين عالي النقاء كمادة موصلة، مما يحقق موصلية بنسبة 101% IACS (المعيار الدولي للنحاس الملدن) ومقاومة منخفضة تصل إلى 1.7241×10⁻⁸ أوم·م.

يعتمد التصميم الهيكلي للموصل طريقة الجدائل المتعددة ، مما يوفر المزايا التالية:

1. مرونة ممتازة: إن تجديل الأسلاك الدقيقة المتعددة يوفر للكابل أداء ثني جيد، مما يجعله مناسبًا للتركيب في البيئات المعقدة؛

2. الموثوقية العالية: حتى لو انكسرت الأسلاك الفردية، فإن الأداء العام للتوصيل للكابل يظل غير متأثر.

تتضمن معلمات الجدال للموصل قطر السلك المفرد، ودرجة الجدال، واتجاه الجدال. من خلال التحسين، حددت هذه الدراسة معلمات الجدال المثالية: قطر سلك واحد يبلغ 0.3 مم ، ومسافة جدل تبلغ 12 ضعف قطر الموصل ، واتجاه الجدال الخارجي مضبوطًا على اليسار (اتجاه Z).

بالنسبة للموصلات ذات المقطع العرضي الكبير، تستخدم هذه الدراسة تقنية التشكيل بالضغط ، حيث يتم ضغط الموصلات الدائرية في مقاطع على شكل مروحة أو على شكل بلاط. وهذا يقلل من القطر الخارجي الإجمالي للكابل ويحسن استخدام المساحة. يساعد القولبة المضغوطة أيضًا على تقليل النتوءات والنتوءات على سطح الموصل، مما يعزز تجانس الطبقة العازلة.

يتم تحديد مساحة المقطع العرضي للموصل بناءً على للكابل متطلبات قدرة حمل التيار . طورت هذه الدراسة سلسلة من المنتجات بمساحات مقطعية تتراوح من 1.5 ملم⊃2; إلى 240 ملم⊃2; ، لتلبية احتياجات سيناريوهات التطبيق المختلفة.

3.3 تدفق عملية التصنيع

إن عملية تصنيع كابلات الطاقة المقاومة للتآكل، عالية القوة، ومثبطة للهب معقدة، وتتطلب تحكمًا دقيقًا في المعلمات في كل مرحلة. يتضمن تدفق العملية الرئيسي ما يلي:

1. تصنيع الموصلات:

○ سحب أسلاك قضبان النحاس: سحب قضيب نحاس قطره 8 مم من خلال ماكينة سحب الأسلاك لإنتاج أسلاك مفردة بالقطر المطلوب.；

○ التلدين بسلك واحد: إجراء التلدين في جو وقائي للتخلص من تصلب العمل وتحسين المرونة.

○ جدل الموصل: جدل أسلاك مفردة متعددة وفقًا لمعايير التصميم لتشكيل قلب الموصل.。

1. بثق العزل: ：

○ المعالجة المسبقة للمواد: تجفيف كريات XLPE لإزالة الرطوبة.

○ قولبة البثق: طلاء سطح الموصل بشكل موحد بمادة XLPE من خلال الطارد.

○ معالجة التشابك: استخدام عملية التشابك السيلاني لتنفيذ تفاعل التشابك في بيئة بخارية.

○ التبريد والتشكيل: التبريد عبر حوض تبريد مائي لتحديد شكل الطبقة العازلة.

2. تصنيع طبقة الدرع:

○ التغليف برقائق الألومنيوم: التغليف الحلزوني لشريط رقائق الألومنيوم على سطح الطبقة العازلة.

○ تجديل الأسلاك النحاسية: تجديل طبقة درع من الأسلاك النحاسية فوق طبقة رقائق الألومنيوم.

○ معالجة اللحام: لحام أطراف الطبقة المضفرة لضمان الاستمرارية الكهربائية.

3. عملية تشكيل الكابلات:

○ التجديل الأساسي: تجديل النوى المعزولة المتعددة وفقًا للهيكل المصمم.

○ معالجة الحشو: ملء الفجوات الموجودة في الهيكل المجدولة بمادة ألياف مقاومة للهب.

○ حماية التغليف: استخدام شريط قماش غير منسوج لحماية التغليف لمنع التلف.

4. تصنيع طبقة الدروع: ：

○ تجديل الأسلاك الفولاذية: استخدام آلة تجديل عالية السرعة لتضفير الأسلاك الفولاذية المجلفنة.

○ التحكم في الشد: التحكم بدقة في شد التضفير لضمان جودة التضفير.

○ معالجة النهاية: تأمين أطراف الطبقة المضفرة.

5. بثق طبقة مثبطات اللهب:

○ خلط المواد: خلط المادة الأساسية لمطاط السيليكون مع حشو Huntite بشكل كامل.

○ طلاء البثق: طلاء طبقة الدرع بمادة مقاومة للهب باستخدام الطارد.；

○ معالجة الفلكنة: إجراء تفاعل الفلكنة عند درجات حرارة عالية لتشكيل هيكل مترابط.。

6. بثق الغلاف الخارجي:

○ تحضير المواد: صهر مادة البولي يوريثان المركبة المعدلة.

○ قولبة البثق: بثق وتغليف مادة الغلاف الخارجي باستخدام الطارد.

○ التبريد والتشكيل: التبريد والتشكيل باستخدام نظام تبريد متعدد المراحل.

○ معالجة السطح: إجراء تنعيم السطح وطباعة علامات التعريف.

تتطلب عملية التصنيع بأكملها رقابة صارمة على المعلمات مثل درجة الحرارة والضغط والسرعة لضمان جودة كل طبقة وظيفية وقوة الروابط البينية. تستخدم العمليات الرئيسية تقنية الكشف عبر الإنترنت لمراقبة جودة المنتج في الوقت الفعلي.

3.4 التحكم في معلمات العملية الرئيسية

تؤثر معلمات العملية الرئيسية في تصنيع الكابلات بشكل مباشر على الأداء النهائي للمنتج. من خلال التحسين التجريبي، حددت هذه الدراسة معلمات العملية الحرجة التالية:

1. التحكم في درجة حرارة البثق: ：

○ البثق العازل XLPE : درجة حرارة البرميل 110-130 درجة مئوية، درجة حرارة الرأس 120-140 درجة مئوية، درجة حرارة القالب 130-150 درجة مئوية؛

○ قذف طبقة مثبطات اللهب من مطاط السيليكون : درجة حرارة البرميل 70-90 درجة مئوية، درجة حرارة الرأس 80-100 درجة مئوية، درجة حرارة القالب 90-110 درجة مئوية؛

○ بثق الغلاف الخارجي من مادة البولي يوريثين : درجة حرارة البرميل 180-200 درجة مئوية، درجة حرارة الرأس 190-210 درجة مئوية، درجة حرارة القالب 200-220 درجة مئوية.

1. التحكم في عملية التشابك:

○ تشابك السيلان : درجة حرارة التشابك 85-95 درجة مئوية، وقت التشابك 4-6 ساعات، ضغط البخار 0.3-0.5 ميجا باسكال؛

○ فلكنة مطاط السيليكون : درجة حرارة الفلكنة 160-180 درجة مئوية، وقت الفلكنة 10-15 دقيقة.

2. التحكم في التوتر: ：

○ شد جدل الموصل : يتم التحكم في شد السلك المفرد بنسبة 10-15% من قوة الكسر؛

○ شد التضفير : يتم التحكم في شد تجديل الأسلاك الفولاذية بنسبة 20-25% من قوة الكسر؛

○ شد السحب : يتم الحفاظ على شد الشد موحدًا لمنع تشوه الكابل.

3. التحكم في التبريد:

○ تبريد الطبقة العازلة : اعتماد التبريد على مراحل: درجة حرارة الماء في المرحلة الأولى 60-70 درجة مئوية، المرحلة الثانية 40-50 درجة مئوية، المرحلة الثالثة 20-30 درجة مئوية؛

○ تبريد الغلاف الخارجي : توظيف مزيج من تبريد الهواء + تبريد الماء لضمان تبريد موحد.

4. معالجة الواجهة:

○ المعالجة السطحية : إجراء معالجة البلازما أو المعالجة الكيميائية على سطح كل طبقة وظيفية لتعزيز قوة الترابط بين الأسطح؛

○ اختيار المواد اللاصقة: اختيار المواد اللاصقة ذات التوافق الجيد مع المواد الأساسية لضمان ترابط قوي بين الأسطح. من خلال التحكم الدقيق في معلمات العملية الرئيسية هذه، يمكن ضمان استقرار الجودة لكل طبقة وظيفية من الكابل، ويمكن جعل الترابط بين الوجهين موثوقًا به، ويمكن للمنتج النهائي تحقيق أداء ممتاز.

4. اختبار الأداء وطرق التقييم

4.1 معايير اختبار تثبيط اللهب

مثبطات اللهب هي مؤشر سلامة أساسي لكابلات الطاقة. أنشأت هذه الدراسة نظامًا شاملاً لاختبار تثبيط اللهب استنادًا إلى المعايير الدولية، بما في ذلك في المقام الأول عناصر الاختبار التالية:

5. اختبار اللهب الرأسي بسلك واحد (IEC 60332-1):

○ طريقة الاختبار: يتم تعليق عينة كابل بطول 1.5 متر عموديًا، ويتم تطبيق لهب محدد (قوة 1 كيلو واط) على الطرف السفلي لمدة 60 ثانية.

○ معيار التأهيل: بعد انطفاء اللهب لا يتجاوز طول المتفحمة 2.5 متر، ولا ينتشر اللهب إلى الطرف العلوي للعينة.

6. اختبار اللهب الرأسي للكابلات المجمعة (IEC 60332-3):

○ طريقة الاختبار: يتم تجميع عدة كابلات وتثبيتها على حامل سلم عمودي، وتعريضها للهب محدد (قوة 20.5 كيلو واط) لمدة 40 دقيقة.

○ معيار التصنيف: بناءً على ارتفاع انتشار اللهب وطول المتفحم، يتم تصنيفه إلى أربع فئات (A، B، C، D)، مع كون الفئة A هي الأكثر صرامة.

الهدف لهذه الدراسة:

4.1 معايير اختبار تثبيط اللهب (تابع)

7. اختبار مقاومة الحريق (IEC 60331):

○ طريقة الاختبار: يتم تعريض الكابل للهب بدرجة حرارة 750 درجة مئوية لمدة 3 ساعات أثناء تطبيق الجهد المقنن الخاص به.

○ معيار التأهيل: يحافظ الكابل على الاستمرارية الكهربائية، ولا تقل مقاومة عزله عن القيمة المحددة.

○ متطلبات خاصة: بعد الاختبار، يجب أن يكون الكابل قادرًا على تحمل التأثير الميكانيكي المحدد.

8. اختبار الحريق الشامل (BS 6387):

○ اختبار C: التعرض للهب بدرجة حرارة 950 درجة مئوية لمدة 3 ساعات لتقييم مقاومة الكابل للحريق تحت لهب درجة الحرارة العالية؛

○ اختبار W: التعرض للهب بدرجة حرارة 650 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة يليه رذاذ الماء لمدة 30 دقيقة لمحاكاة الأداء في ظل ظروف رشاشات الحريق؛

○ اختبار Z: التعرض للهب بدرجة حرارة 950 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة أثناء تطبيق التأثير الميكانيكي لتقييم أداء الكابل عند تعرضه للتأثير أثناء الحريق؛

○ أعلى تصنيف: CWZ ، مما يشير إلى أن الكابل يمكنه اجتياز اختبارات C وW وZ في نفس الوقت.

9. اختبارات UL الأمريكية:

○ UL 910 (تصنيف CMP) : للكابلات المستخدمة في الجلسات العامة، والتي تتطلب أعلى تصنيف لتثبيط اللهب؛

○ UL 1666 (تصنيف CMR) : للكابلات الصاعدة العمودية بين الطوابق؛

○ UL 1581 (تصنيف CM/CMG) : للكابلات ذات الأغراض العامة؛

○ UL 1581 VW-1 : اختبار اللهب العمودي بمتطلبات صارمة.

10. اختبار المعايير الأوروبية (EN 50575):

○ الفئة B1 : أعلى تصنيف للحماية من الحرائق، ومناسب للمواقع ذات متطلبات السلامة من الحرائق العالية للغاية؛

○ الفئة B2 : درجة عالية من الحماية من الحرائق، ومناسبة للمباني الهامة؛

○ الفئة ج : تصنيف متوسط ​​للحماية من الحرائق، مناسب للمباني العامة؛

○ الفئة د : التصنيف الأساسي للحماية من الحرائق.

مخطط مقارنة معايير اختبار الكابلات

4.2طرق اختبار الأداء الميكانيكي

يعد الأداء الميكانيكي مؤشرًا حاسمًا لتقييم متانة وموثوقية الكابلات. أنشأت هذه الدراسة نظامًا شاملاً لاختبار الأداء الميكانيكي:

11. اختبار قوة الشد:

○ معيار الاختبار : GB/T 2951.11 / IEC 60811-1-1؛

○ طريقة الاختبار : يتم تثبيت عينة الكابل في آلة اختبار الشد وتمديدها بسرعة محددة حتى الكسر؛

○ معلمات الاختبار : سرعة الشد 50 مم/دقيقة، درجة حرارة الاختبار 23±2 درجة مئوية؛

○ مقاييس التقييم : قوة الشد القصوى، قوة الشد، الاستطالة عند الكسر.

12. اختبار أداء الانحناء:

○ اختبار الانحناء المتكرر : يتم ثني الكابل بشكل متكرر حول أسطوانة ذات قطر محدد، ويتم تسجيل عدد الانحناءات قبل الكسر؛

○ اختبار الانحناء أحادي الاتجاه : يقيم قدرة الكابل على الحفاظ على الأداء في حالة الانحناء الثابتة؛

○ اختبار الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء : يحدد أصغر نصف قطر يمكن ثني الكابل عنده بأمان.

13. اختبار مقاومة التآكل:

○ اختبار التآكل Taber : استخدام أداة التآكل الخطية Taber 5750 لتقييم مقاومة التآكل لسطح الكابل؛

○ اختبار التآكل : يتوافق مع معيار ISO 6722، ويحاكي ظروف تآكل الكابلات في المركبات;

○ اختبار خدش الكابل : يتوافق مع معيار IEC 60794-1-2، لتقييم مقاومة التآكل للطبقة الواقية للكابل.

14. اختبار أداء التأثير:

○ اختبار تأثير الوزن المسقط : يقيم قدرة الكابل على مقاومة التلف الناتج عن التحميل الناتج عن الصدمات؛；

○ اختبار تأثير البندول: يقيس قوة تأثير الكابل.

15. اختبار أداء الضغط:

○ اختبار ضغط اللوحة المسطحة : يقيم تشوه الكابل وقدرته على التعافي تحت الضغط؛

○ اختبار الانحناء ثلاثي النقاط : يقيس صلابة وقوة انحناء الكابل.

4.3 متطلبات اختبار الأداء الكهربائي

الأداء الكهربائي هو المتطلبات الوظيفية الأساسية لكابلات الطاقة. أنشأت هذه الدراسة نظامًا صارمًا لاختبار الأداء الكهربائي:

16. اختبار مقاومة الموصل:

○ معيار الاختبار: GB/T 3048.4 / IEC 60228؛

○ طريقة الاختبار: قياس مقاومة التيار المستمر للموصل باستخدام جسر مزدوج أو مقياس ميكروي؛

○ معيار القبول: مقاومة الموصل عند 20 درجة مئوية لا تتجاوز القيمة المحددة.

16. اختبار مقاومة العزل:

○ معيار الاختبار: GB/T 3048.5 / IEC 60229؛

○ طريقة الاختبار: تطبيق جهد 500 فولت تيار مستمر لقياس مقاومة العزل؛

○ معيار القبول: مقاومة العزل لا تقل عن القيمة المحددة (عادة ≥ 100 MΩ·كم).

17. تحمل اختبار الجهد:

○ اختبار تحمل جهد تردد الطاقة: تطبيق جهد تردد طاقة محدد (على سبيل المثال، 3.5U₀) لمدة 5 دقائق دون انقطاع؛

○ اختبار تحمل الجهد الكهربي للتيار المستمر: تطبيق جهد تيار مستمر محدد لمدة 15 دقيقة، مع تيار تسرب ثابت لا يتجاوز القيمة المحددة.

18. اختبار التفريغ الجزئي:

○ معيار الاختبار: GB/T 3048.12 / IEC 60270؛

○ طريقة الاختبار: قياس حجم التفريغ الجزئي عند جهد 1.73U₀؛

○ معيار القبول: حجم التفريغ الجزئي لا يتجاوز 5 بيكو سي.

19. اختبار السعة وفقدان العزل الكهربائي:

○ طريقة الاختبار: قياس سعة عمل الكابل وظل فقدان العزل الكهربائي؛

○ مقاييس التقييم: قيمة السعة تلبي متطلبات التصميم، وقيمة ظل فقدان العزل الكهربائي منخفضة.

4.4 اختبار الملاءمة البيئية

تواجه الكابلات ظروفًا بيئية معقدة مختلفة في الاستخدام العملي. أنشأت هذه الدراسة نظامًا شاملاً لاختبار الملاءمة البيئية:

20. اختبار الشيخوخة الحرارية:

○ معيار الاختبار: GB/T 2951.12 / IEC 60811-1-2؛

○ طريقة الاختبار: يتم وضع عينات الكابلات في الفرن عند درجة حرارة محددة (على سبيل المثال، 200 درجة مئوية) لمدة محددة (على سبيل المثال، 168 ساعة)؛

○ مقاييس التقييم: معدل التغير في الخواص الميكانيكية والكهربائية قبل الاختبار وبعده.

21. اختبار مقاومة الزيت:

○ طريقة الاختبار: يتم غمر عينات الكابلات في الزيت عند درجة حرارة محددة (على سبيل المثال، 70 درجة مئوية) لمدة محددة (على سبيل المثال، 24 ساعة)؛

○ مقاييس التقييم: التغيرات في الوزن والخواص الميكانيكية والخواص الكهربائية قبل وبعد الاختبار.

22. اختبار مقاومة التآكل الكيميائي:

○ طريقة الاختبار: يتم غمر عينات الكابلات في المحاليل الكيميائية مثل الأحماض والقلويات لتقييم مقاومتها للتآكل؛

○ مقاييس التقييم: التغيرات في المظهر، والخواص الميكانيكية، والخواص الكهربائية.

23. اختبار مقاومة الحرارة الرطبة: ：

○ طريقة الاختبار: يتم وضع عينات الكابلات في بيئة ذات درجة حرارة عالية ورطوبة عالية (على سبيل المثال، 40 درجة مئوية، 95% رطوبة نسبية) لمدة محددة؛

○ مقاييس التقييم: التغيرات في مقاومة العزل ومظهره.

24. اختبار مقاومة الأشعة فوق البنفسجية:

○ معيار الاختبار: GB/T 16422.3؛

○ طريقة الاختبار: يتم وضع عينات الكابلات في غرفة التعتيق بالأشعة فوق البنفسجية ويتم تشعيعها لمدة محددة (على سبيل المثال، 1000 ساعة)؛

○ مقاييس التقييم: تغير اللون، تشقق السطح، التغيرات في الخواص الميكانيكية.

25. اختبار الأداء في درجات الحرارة المنخفضة:

○ طريقة الاختبار: يتم وضع عينات الكابلات في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة (على سبيل المثال، -40 درجة مئوية) وإخضاعها للانحناء والتأثير واختبارات أخرى؛

○ مقاييس التقييم: المرونة ومقاومة التأثير في درجات الحرارة المنخفضة.

5. النتائج التجريبية والتحليل

5.1 نتائج اختبار أداء المواد

ومن خلال الاختبار المنهجي للمواد لكل طبقة وظيفية، تم الحصول على بيانات الأداء التفصيلية:

مادة الغلاف الخارجي (البولي يوريثين المعدل):

● قوة الشد: 25.3 ± 1.2 ميجا باسكال

● الاستطالة عند الاستراحة: 305 ± 15%

● صلابة الشاطئ: 85 ± 2 أ

● تابر كشط (عجلة CS-10، 1000 جرام، 1000 دورة): 35 ± 3 مجم

● الحد من مؤشر الأوكسجين (LOI): 28.5 ± 0.5%

● تقييم UL 94: V-0

● نطاق درجة حرارة التشغيل: -40 درجة مئوية إلى +110 درجة مئوية

مادة الطبقة المقاومة للهب (مطاط السيليكون/مركب الهونتيت):

● قوة الشد: 5.68 ± 0.25 ميجا باسكال

● الاستطالة عند الاستراحة: 147.7 ± 8.5%

● الحد من مؤشر الأوكسجين (LOI): 30.2 ± 0.8%

● درجة حرارة التحلل الحراري (TGA، فقدان الوزن بنسبة 5%): 325 ± 10 درجة مئوية

● كثافة الدخان (غرفة الدخان NBS): 75 ± 5

● مؤشر السمية (CIT): 2.5 ± 0.3

المواد العازلة (XLPE المعدلة):

● مقاومة الحجم: 6.5×10⊃1;⁴ ± 0.5×10⊃1;⁴ Ω·cm

● قوة العزل الكهربائي: 35.2 ± 1.5 كيلو فولت/مم

● ثابت العزل الكهربائي (50 هرتز): 2.28 ± 0.05

● عامل التبديد (50 هرتز): 0.0005 ± 0.0001

● قوة الشد: 18.3 ± 0.8 ميجا باسكال

● الاستطالة عند الاستراحة: 352 ± 18%

● مقاومة تشجير المياه: اجتاز اختبار تشجير المياه المتسارع لمدة 42 يومًا

مادة الموصل (النحاس الخالي من الأكسجين):

● الموصلية: 101.2 ± 0.5% IACS

● المقاومة: 1.724×10⁻⁸ ± 0.005×10⁻⁸ Ω·m

● قوة الشد: 220 ± 10 ميجا باسكال

● الاستطالة: 35 ± 3%

5.2 التقييم الشامل لأداء الكابلات

تم إخضاع كابل الطاقة المطور المقاوم للتآكل، والقوة العالية، ومقاوم للهب العالي لاختبار أداء شامل، وكانت النتائج كما يلي:

نتائج اختبار تثبيط اللهب:

26. IEC 60332-1 اختبار اللهب الرأسي لسلك واحد: ناجح ، طول متفحم 1.8 متر.

27. اختبار اللهب العمودي IEC 60332-3A للكابلات المجمعة: ناجح ، ارتفاع انتشار اللهب 1.2 متر.

28. اختبار مقاومة الحريق IEC 60331: نجح في الحفاظ على استمرارية الكهرباء عند 750 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.

29. BS 6387 اختبار الحريق الشامل:

○ اختبار C: نجح ، وحافظ على سلامة الدائرة عند 950 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.

○ اختبار W: تم اجتيازه والمحافظة على سلامة الدائرة تحت ظروف رذاذ الماء.

○ اختبار Z: تم اجتيازه والمحافظة على سلامة الدائرة تحت التأثير الميكانيكي.

○ التقييم العام: CWZ (أعلى تقييم).

30. اختبار UL 910 (CMP): نجح ، طول انتشار اللهب ≥ 1.5 متر.

31. EN 50575 فئة أداء الحرائق: الفئة B1 (أعلى فئة).

نتائج اختبار الأداء الميكانيكي:

32. قوة الشد: قوة الشد الطولية 52.5 ± 2.5 كيلو نيوتن.

33. أداء الانحناء:

○ دورات الانحناء المتكررة: >30,000 دورة (بدون ضرر).

○ الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء: 6 أضعاف القطر الخارجي للكابل.

32. مقاومة التآكل:

○ تابر كشط: بعد 10000 دورة، عمق التآكل < 0.5 مم.

○ كشط التآكل: اجتاز اختبار ISO 6722 القياسي.

33. أداء التأثير:

○ تأثير انخفاض الوزن: لا يوجد ضرر مرئي تحت طاقة تأثير 5 J.

○ تأثير البندول: قوة التأثير 45 كيلوجول/م⊃2;.

34. أداء الضغط:

○ ضغط اللوحة المسطحة: معدل التشوه < 15% تحت ضغط 1000 نيوتن، معدل الاسترداد > 85%.

نتائج اختبار الأداء الكهربائي:

35. مقاومة الموصل: يتوافق مع متطلبات معيار GB/T 3956.

36. مقاومة العزل: > 5000 متر مكعب (عند 20 درجة مئوية).

37. جهد تحمل تردد الطاقة: اجتاز اختبار 3.5U₀/5min، بدون عطل.

38. التفريغ الجزئي: < 3 قطع مئوية (عند جهد 1.73U₀).

39. السعة وفقدان العزل الكهربائي: يلبي متطلبات التصميم.

نتائج اختبار الملاءمة البيئية:

40. اختبار الشيخوخة الحرارية (200 درجة مئوية / 168 ساعة):

○ الاحتفاظ بقوة الشد: > 85%.

○ الاستطالة عند احتفاظ الاستراحة: > 80%.

○ معدل تغير مقاومة العزل: < 20%.

41. اختبار مقاومة الزيت (70 درجة مئوية/24 ساعة):

○ معدل تغير الوزن: < 2%.

○ معدل الاحتفاظ بالأداء الميكانيكي: > 90%.

42. اختبار مقاومة التآكل الكيميائي:

○ الغمر في محلول حمض الكبريتيك 10% لمدة 168 ساعة: لا يوجد تغيير في المظهر، معدل الاحتفاظ بالأداء > 85%.

○ الغمر في محلول هيدروكسيد الصوديوم 10% لمدة 168 ساعة: لا يوجد تغيير في المظهر، معدل الاحتفاظ بالأداء > 88%.

43. اختبار مقاومة الحرارة الرطبة (40 درجة مئوية، 95% رطوبة نسبية / 1000 ساعة):

○ مقاومة العزل: > 1000 مΩ·كم.

○ المظهر: لا يوجد العفن الفطري ولا يتآكل.

44. اختبار مقاومة الأشعة فوق البنفسجية (1000 ساعة):

○ تغيير اللون: ΔE < 3.

○ حالة السطح: لا يوجد تشقق أو طباشير.

45. اختبار الأداء في درجات الحرارة المنخفضة (-40 درجة مئوية):

○ الانحناء عند درجة حرارة منخفضة: اجتاز اختبار الانحناء -40 درجة مئوية.

○ تأثير درجات الحرارة المنخفضة: اجتاز اختبار التأثير -40 درجة مئوية.

5.3 مقارنة الأداء مع الكابلات التقليدية

لتقييم موضوعي لابتكار هذا البحث، تم إجراء مقارنة الأداء بين الكابلات المطورة ومنتجات الكابلات السائدة المتوفرة في السوق:

	مؤشرات الأداء	الكابلات البلاستيكية التقليدية	كابلات XLPE القياسية	الكابلات التي تم التحقيق فيها في هذه الدراسة	تحسين
مقاومة التآكل	ضعيف (تابر كشط> 200 ملغ)	معتدل (تابر كشط 150 ملغ)	ممتاز (تابر كشط 35 ملغ)	زيادة بنسبة 76%
تصنيف مثبطات اللهب	فولكس فاجن-1	V-0	CWZ	أعلى تصنيف
قوة الشد	15 ميجا باسكال	18 ميجا باسكال	25 ميجا باسكال	زيادة بنسبة 39%
درجة حرارة التشغيل	70 درجة مئوية	90 درجة مئوية	110 درجة مئوية	زيادة بنسبة 22%
المقاومة الكيميائية	فقير	معتدل	ممتاز	تحسنت بشكل ملحوظ
خدمة الحياة	15 سنة	20 سنة	> 30 سنة	ممتد بنسبة 50%
تكلفة الصيانة	عالي	معتدل	قليل	تم التخفيض بنسبة 40%

وكما يتبين من نتائج المقارنة، فإن الكابل الذي تم تطويره في هذه الدراسة يتفوق بشكل كبير على منتجات الكابلات التقليدية في جميع مقاييس الأداء. ومن الجدير بالذكر أنه من حيث مقاومة التآكل وتثبيط اللهب، فإنه يلبي أعلى المعايير الدولية.

5.4 تحليل الموثوقية على المدى الطويل

لتقييم موثوقية الكابلات على المدى الطويل، تم إجراء اختبارات التقادم المتسارع وتحليلات التنبؤ بعمر الخدمة:

اختبار الشيخوخة المتسارعة:

1. اختبار التقادم الحراري: تم إجراء اختبارات التقادم المتسارع عند ثلاث درجات حرارة — 140 درجة مئوية، 150 درجة مئوية، و160 درجة مئوية — وفقًا لمعادلة Arrhenius، مع فترات اختبار تبلغ 1000 ساعة، و500 ساعة، و250 ساعة، على التوالي.

2. اختبار التقادم الحراري الرطب: تم ​​إجراء اختبار التقادم المتسارع لمدة 1000 ساعة تحت ظروف 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85%.

3. اختبار التقادم بالإجهاد الميكانيكي: تم إجراء اختبار التقادم لمدة 1000 ساعة تحت ضغط شد ثابت (50% من قوة الكسر).

نتائج التنبؤ بالعمر:

بناءً على البيانات المستمدة من اختبارات الشيخوخة المتسارعة، تم تطبيق نموذج أرهينيوس للتنبؤ بعمر الإنسان:

● عند درجة حرارة التشغيل 90 درجة مئوية، يكون عمر الخدمة المتوقع 35 عامًا (بثقة 90%)؛

● عند درجة حرارة التشغيل 105 درجة مئوية، يكون عمر الخدمة المتوقع 25 عامًا (بثقة 90%)؛

● في ظل الظروف القاسية (120 درجة مئوية)، يبلغ عمر الخدمة المتوقع 15 عامًا (بنسبة ثقة 90%).

تحليل وضع الفشل: من خلال اختبار الموثوقية على المدى الطويل، تم تحديد أوضاع الفشل الأساسية للكابل:

4. تقادم العزل: يؤدي انقسام السلسلة الجزيئية في XLPE تحت درجات حرارة عالية لفترة طويلة إلى تدهور الخواص الكهربائية.

5. تصفيح الواجهة: تؤدي الاختلافات في معاملات التمدد الحراري بين طبقات المواد إلى إجهاد السطح البيني، مما قد يؤدي إلى التصفيح.

6. التعب الميكانيكي: يؤدي الانحناء والاهتزاز المتكرر إلى تلف الكلال المادي.

7. التآكل البيئي: يتسبب التآكل الكيميائي والتعرض للأشعة فوق البنفسجية في تدهور أداء المواد.

التدابير الوقائية المقابلة المتخذة في هذه الدراسة:

8. صياغة المواد العازلة الأمثل لتعزيز الاستقرار الحراري.

9. تكنولوجيا معالجة الواجهة التطبيقية لتحسين قوة الترابط بين الطبقات.

10. تصميم هيكل عقلاني لتقليل تركيز التوتر.

11. مواد مختارة مقاومة للعوامل الجوية لتعزيز القدرة على التكيف البيئي.

6. آفاق التطبيق والتوقعات المستقبلية
6.1 تحليل مجال التطبيق

يتمتع كابل الطاقة المقاوم للتآكل والقوة العالية والمقاوم للهب، بأدائه الشامل المتميز، بآفاق تطبيق واسعة عبر مجالات متعددة:

1. صناعة التعدين:

● سيناريوهات التطبيق: معدات التعدين تحت الأرض، وأنظمة النقل، وأنظمة الإضاءة، وما إلى ذلك.

● المتطلبات الفنية: مقاومة عالية للتآكل، ومقاومة للانفجار، ومثبطات اللهب، ومقاومة للتأثيرات الميكانيكية.

● إمكانات السوق: تقدر قيمة سوق كابلات التعدين في الصين بحوالي 20 مليار ين سنويًا، مع وجود طلب قوي على المنتجات المتطورة.

2. الهندسة البحرية:

● سيناريوهات التطبيق: المنصات البحرية، والكابلات البحرية، وأنظمة طاقة السفن.

● المتطلبات الفنية: مقاومة التآكل لمياه البحر، وتحمل الضغط العالي، وتثبيط اللهب، وعمر الخدمة الطويل.

● إمكانات السوق: مع التطور المتسارع للموارد البحرية، يتزايد الطلب على الكابلات المتخصصة بسرعة.

3. النقل بالسكك الحديدية:

● سيناريوهات التطبيق: المترو، والسكك الحديدية عالية السرعة، وأنظمة الطاقة للسكك الحديدية في المناطق الحضرية.

● المتطلبات الفنية: السلامة من الحرائق، ومقاومة الاهتزاز، وانخفاض الدخان، وخالية من الهالوجين.

● إمكانات السوق: يؤدي التطوير المستمر عالي السرعة لبناء النقل بالسكك الحديدية في الصين إلى نمو مطرد في الطلب على الكابلات.

4. الأتمتة الصناعية:

● سيناريوهات التطبيق: الروبوتات، خطوط الإنتاج الآلي، الأنظمة اللوجستية.

● المتطلبات الفنية: مرونة عالية، ومقاومة للزيوت والتلوث، وقدرات مضادة للتدخل.

● إمكانات السوق: يؤدي تقدم التصنيع الذكي إلى زيادة الطلب على الكابلات المتخصصة.

5. قطاع الطاقة الجديدة:

● سيناريوهات التطبيق: طاقة الرياح، توليد الطاقة الكهروضوئية، أنظمة تخزين الطاقة.

● المتطلبات الفنية: مقاومة الطقس، مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، أداء درجات الحرارة العالية.

● إمكانات السوق: يؤدي التطور السريع للطاقة الجديدة إلى زيادة الطلب على الكابلات الداعمة.。

6.2 آفاق التصنيع

استنادا إلى المواءمة بين المزايا التكنولوجية والطلب في السوق، تظهر نتائج البحث آفاق التصنيع الواعدة:

المزايا التكنولوجية:

12. الأداء الرائد: الأداء الشامل يلبي المعايير الدولية

13. التكاليف التي يمكن التحكم فيها: يضمن معدل التوطين العالي للمواد الخام تكاليف تصنيع تنافسية.

14. العمليات الناضجة: عمليات التصنيع المحسنة مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.

15. المعايير الشاملة: تتوافق المنتجات مع المعايير الدولية والمحلية، مما يضمن قبولًا عاليًا في السوق.

فرص السوق:

16. دعم السياسات: تشجع السياسات الوطنية الابتكار في تصنيع المعدات والمواد المتطورة.

17. استبدال الواردات: يؤدي الاعتماد على المدى الطويل على الكابلات المستوردة عالية الجودة إلى خلق طلب عاجل على البدائل المنتجة محليًا.

18. التطوير الصناعي: يؤدي تطوير الصناعات التقليدية إلى زيادة الطلب على الكابلات عالية الأداء.

19. مبادرة الحزام والطريق: تقدم مشاريع بناء البنية التحتية في الخارج فرصًا جديدة للسوق.

مسار التصنيع:

20. نقل التكنولوجيا: التعاون مع شركات تصنيع الكابلات لنقل التكنولوجيا والتصنيع.

21. إنشاء خطوط الإنتاج: إنشاء خطوط إنتاج مخصصة لتحقيق التصنيع على نطاق واسع.

22. الترويج للسوق: الترويج لتطبيقات المنتجات من خلال شهادات الصناعة والمشاريع التوضيحية.

23. الابتكار المستمر: إنشاء مركز للبحث والتطوير للترقيات المستمرة للمنتجات والابتكار التكنولوجي.

توقعات المنافع الاقتصادية:

● الاستثمار الأولي: استثمار بناء خط الإنتاج بحوالي 50 مليون ين.

● الطاقة الإنتاجية السنوية: الطاقة التصميمية السنوية 10,000 كيلومتر.

● قيمة الإنتاج السنوي: تبلغ قيمة الإنتاج السنوي المقدرة حوالي 500 مليون ين عند الإنتاج الكامل.

● فترة استرداد الاستثمار: من المتوقع أن تكون من 3 إلى 4 سنوات.

● الفوائد الاجتماعية: تقليل الخسائر الناجمة عن أعطال الكابلات وتعزيز سلامة أنظمة الطاقة.

6.3 اتجاهات البحث المستقبلية

استناداً إلى أسس هذه الدراسة واتجاهات التطوير في تكنولوجيا الكابلات، يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية التالية:

1. تكنولوجيا الكابلات الذكية:

● هدف البحث: تطوير الكابلات الذكية ذات إمكانيات مراقبة الحالة.

● التقنيات الرئيسية: أجهزة الاستشعار المدمجة، وتكنولوجيا نقل البيانات، وخوارزميات تقييم الحالة.

● آفاق التطبيق: تمكين التنبؤ بأخطاء الكابلات والصيانة الوقائية.

2. تكنولوجيا الكابلات فائقة التوصيل:

● هدف البحث: تطوير كابلات طاقة فائقة التوصيل تتحمل درجات الحرارة العالية.

● التقنيات الرئيسية: المواد فائقة التوصيل، وأنظمة التبريد المبردة، والتكنولوجيا المشتركة.

● آفاق التطبيق: نقل الطاقة الكهربائية بقدرة عالية ومنخفضة الخسارة.

3. مواد الكابلات الصديقة للبيئة:

● هدف البحث: تطوير مواد كابلات صديقة للبيئة قابلة للتحلل وإعادة التدوير.

● التقنيات الرئيسية: البوليمرات الحيوية، ومثبطات اللهب الصديقة للبيئة، وتكنولوجيا إعادة التدوير.

● آفاق التطبيق: تقليل التأثير البيئي لنفايات الكابلات.

4. القدرة على التكيف مع البيئة القصوى:

● هدف البحث: تطوير كابلات مناسبة للبيئات القاسية (مثل المناطق القطبية، وأعماق البحار، والفضاء).

● التقنيات الرئيسية: القدرة على التكيف مع درجات الحرارة القصوى، وتحمل الضغط العالي، والحماية من الإشعاع.

● آفاق التطبيق: دعم البحث العلمي والمشاريع الهندسية في البيئات القاسية.

5. الكابلات المتكاملة متعددة الوظائف:

● هدف البحث: تطوير كابلات مركبة تدمج وظائف نقل الطاقة ونقل الإشارات والاستشعار.

● التقنيات الرئيسية: تصميم التوافق الكهرومغناطيسي، والعزل متعدد القنوات، وتحسين التكامل الوظيفي.

● آفاق التطبيق: تبسيط أسلاك النظام وتحسين تكامل النظام وموثوقيته.

6. تطبيقات المواد النانوية في الكابلات:

● هدف البحث: استكشاف التأثيرات المعززة للأداء للمواد النانوية على الكابلات.

● التقنيات الرئيسية: تكنولوجيا تشتت المواد النانوية، تعديل الواجهة، آليات تضافر الأداء.

● آفاق التطبيق: تطوير الجيل التالي من مواد الكابلات النانوية عالية الأداء.

7. التنبؤ بحياة الكابل وإدارة الصحة:

● هدف البحث: إنشاء نظام كامل لإدارة صحة دورة حياة الكابلات.

● التقنيات الرئيسية: أبحاث آلية الشيخوخة، والتنبؤ بالحياة المتبقية، وتكنولوجيا المراقبة الذكية.

● آفاق التطبيق: تحسين إدارة أصول الكابلات ودعم اتخاذ قرارات الصيانة.

8. عمليات تصنيع الكابلات الذكية:

● هدف البحث: تحقيق التحكم الذكي والتحسين لعمليات تصنيع الكابلات.

● التقنيات الرئيسية: إنترنت الأشياء الصناعي، وتحليل البيانات الضخمة، وخوارزميات التحكم الذكية.

● آفاق التطبيق: تحسين كفاءة التصنيع وضمان جودة المنتج المتسقة.

7. الاستنتاجات

أجرت هذه الدراسة بشكل منهجي تطوير كابلات طاقة مقاومة للتآكل وعالية القوة ومثبطة للهب، وحققت النتائج الرئيسية التالية:

1. الابتكارات المادية:

● تم تطوير مادة الغلاف الخارجي من مادة البولي يوريثين المعدلة بمركب النانو، مما أدى إلى تحسين مقاومة التآكل بنسبة 76% مقارنة بالمواد التقليدية، مع مؤشر أكسجين محدد (LOI) يبلغ 28.5%، بما يتوافق مع معيار تثبيط اللهب UL 94 V-0.

● تم تطوير مادة مثبطة للهب من مطاط السيليكون/الهنتيت المركبة بنسبة LOI تبلغ 30.2%، واجتازت أعلى مستوى من اختبار مقاومة الحريق BS 6387 CWZ.

● تحسين تركيبة المواد العازلة XLPE، وتحقيق مقاومة حجمية تبلغ 6.5×10⊃1;⁴ أوم·سم، وقوة عازلة تبلغ 35.2 كيلو فولت/مم، ورفع درجة حرارة التشغيل على المدى الطويل إلى 105 درجة مئوية.

● تم استخدام موصلات نحاسية عالية النقاء وخالية من الأكسجين مع موصلية 101.2% IACS، مما يضمن أداءً كهربائيًا ممتازًا.

2. التصميم الهيكلي:

● تم اقتراح تصميم هيكلي مركب متعدد الطبقات، مما يحقق التحسين التآزري للطبقات الوظيفية.

● تم تصميم توزيع سمك معقول وهياكل واجهة لضمان الأداء العام للكابل.

● معلمات جدل الموصلات وعمليات الضغط المحسنة، مما يعزز مرونة الكابل والكفاءة المكانية.

3. عمليات التصنيع:

● إنشاء عملية تصنيع كاملة، بما في ذلك إنتاج الموصلات، وبثق العزل، وتصنيع طبقة التدريع، والكابلات، وإنتاج طبقة الدروع، وبثق الطبقة المقاومة للهب، وبثق الغلاف الخارجي.

● نطاقات التحكم المحددة لمعلمات العملية الرئيسية لضمان اتساق جودة المنتج.

● اعتماد تقنيات الكشف المتقدمة عبر الإنترنت لرصد عملية التصنيع في الوقت الحقيقي.

4. اختبار الأداء:

● إنشاء نظام شامل لاختبار الأداء، يغطي تثبيط اللهب، والخواص الميكانيكية، والأداء الكهربائي، والقدرة على التكيف البيئي.

● أكدت نتائج الاختبار أن الكابلات المطورة اجتازت أعلى المعايير الدولية، بما في ذلك IEC 60332-3A، وBS 6387 CWZ، وUL 910 (CMP).

● يتفوق الأداء العام للكابل بشكل كبير على المنتجات التقليدية، مع عمر خدمة يقدر بأكثر من 35 عامًا.

5.آفاق التطبيق:

● يُظهر الكابل إمكانات تطبيقية واسعة النطاق في مجالات مثل التعدين والهندسة البحرية والنقل عبر السكك الحديدية والأتمتة الصناعية والطاقة الجديدة.

● آفاق التصنيع الواعدة مع النضج التكنولوجي العالي والقدرة التنافسية القوية في السوق.

● اتجاهات البحث المستقبلية المقترحة لوضع الأساس للتقدم المستمر في تكنولوجيا الكابلات.

أبرز النقاط المبتكرة في هذه الدراسة:

24. ابتكار نظام المواد: أول تطبيق لمواد الحشو المعدنية المركبة من نوع هانتيت/هيدروماجنسيت في مواد الكابلات المطاطية السيليكونية، مما يحقق اختراقًا في أداء مثبطات اللهب.

25. الابتكار في التصميم الهيكلي: تقديم فلسفة التصميم المركب متعدد الطبقات للفصل الوظيفي والتحسين التآزري، ومعالجة قيود الكابلات التقليدية في الأداء الشامل.

26. الابتكار في عمليات التصنيع: التحكم الأمثل في معلمات العملية الرئيسية، مما يتيح إنتاجًا مستقرًا للكابلات عالية الأداء.

27. ابتكار نظام الاختبار: تم إنشاء إطار شامل لاختبار الأداء، مما يوفر أساسًا علميًا لتقييم جودة منتجات الكابلات.

لا يسد كابل الطاقة المقاوم للتآكل وعالي القوة والمقاوم للهب الذي تم تطويره في هذه الدراسة فجوة تكنولوجية في منتجات الكابلات المحلية المتطورة فحسب، بل يحمل أيضًا أهمية كبيرة لتعزيز سلامة وموثوقية أنظمة الطاقة. ومع تقدم التصنيع وتوسيع السوق، من المتوقع أن يحقق هذا المنتج تطبيقًا واسع النطاق في مجالات متعددة، مما يولد فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة.

8. المراجع

[1] أوجراسكان، إتش سي، دومان، إف إس، وإيميك، إس. (2023). دراسة تأثير حشو هانتيت على تثبيط اللهب والخواص الميكانيكية للمواد القائمة على مطاط السيليكون في تطبيقات الكابلات. مجلة النانو المفتوحة , 8(2)، 110-115.

[2] تشانغ، إكس، وانغ، زد، دينغ، إس، وانغ، زد، و شيه، ه. (2024). تصنيع رغوة البولي يوريثين الصلبة المقاومة للهب من بولي فوسفات الأمونيوم المعدلة والمعتمدة على حمض الفيتيك مع خصائص ميكانيكية محسنة. البوليمرات ، 16(15)، 2229.

[3] وو، إكس، تشانغ، إكس، وو، جيه، لي، إكس، جيانغ، إتش، سو، إكس، وزو، إم (2022). دراسة خصائص مثبطات اللهب للخلايا المرنة عالية القوة من مثبطات اللهب/مركبات البولي يوريثين. البوليمرات ، 14(23)، 5055.

[4] لي، إتش، هو، إل.، ليو، واي، ياو، زي، ليانغ، إل.، تيان، دي، ... & نيو، ك. (2024). العزل الحراري المتوازن، ومثبطات اللهب، والخواص الميكانيكية لرغوة البولي يوريثان التي تم إنشاؤها من خلال التعديل التآزري الثلاثي EG/APP/SA الفعال من حيث التكلفة. البوليمرات , 16(3), 330.

[5] وانغ، دبليو، يانغ، إف، لو، واي، لوه، زي، لي، إف، وو، واي، ... & تشين، سي (2023). تطبيق هيدروكسيد المغنيسيوم / ثنائي فينوكسي الفوسفات في مادة الكابلات المقاومة للهب بمطاط السيليكون. الطلاءات , 13(5), 934.

[6] أتاي، جي واي، لوبوتشينكو، ف.، و ويلك جاكوبوفسكي، ج. (2024). دراسة معادن الكالسيت والهنتيت/الهيدروماجنسيت في التواجد المشترك فيما يتعلق بمثبطات اللهب والخواص الميكانيكية لمركبات الخشب. أسمنت، وابنو، بيتون ، 45، 2-14.

[7] ليو، إل.، تشو، إم.، فنغ، جيه، بينج، إتش.، شي، واي.، جاو، جيه، ... & سونغ، ب. (2024). مواد بوليمرية مقاومة للحريق وعالية القوة ممكّنة من الركام فوق الجزيئي. المجموع , 5(2), e494.

[8] وانغ، سي.، رين، بي.، ما، آر.، ولي، إكس. (2024). مثبطات اللهب التآزرية P/N ذات الأساس الحيوي لتحسين السلامة من الحرائق والخواص الميكانيكية لراتنجات الإيبوكسي. هندسة وعلوم البوليمرات , 64(5)، 1234-1245.

[9] تشنغ، بي، تشاو، إتش، لي، جيه، ليو، كيو، تشانغ، جيه، وو، دبليو (2024). مثبط لهب متعدد العناصر يحتوي على البورون وبنية الرابطة المزدوجة لتعزيز الخواص الميكانيكية ومثبطات اللهب لراتنجات الإيبوكسي. التقارير العلمية ، 14، 58709.

[10] ريبا، ج.، مورينو-إيغيلاز، م.، وبوغارا، س. (2023). تتبع المقاومة في مواد العزل البوليمرية لتطبيقات التنقل الكهربائي عالي الجهد التي تم تقييمها من خلال طرق الاختبار الحالية: احتياجات البحث المحددة. البوليمرات , 15(18), 3717.

[11] أويانغ، ي.، بور رحيمي، أيه إم، لوند، أ.، شو، إكس، جكورمبيس، ت.، هاغستراند، بي.-أو، ومولر، سي. (2021). خلائط ثلاثية مقاومة للزحف بدرجة الحرارة العالية تعتمد على البولي إيثيلين والبولي بروبيلين لعزل كابلات الطاقة البلاستيكية الحرارية. مجلة علوم البوليمرات , 59(18)، 1014-1025.

[12] Greijer، H.، Mirotta، N.، Treossi، E.، Valorosi، F.، Schütt، F.، Siebert، L.، ... & Hillborg، H. (2022). الموصلية القابلة للضبط في المجالات الكهربائية الشديدة في مركبات ZnO رباعية الأرجل والسيليكون لعزل كابلات الطاقة ذات الجهد العالي. التقارير العلمية ، 12، 9966.

[13] نذير، إم تي، خالد، أ.، وانغ، سي، كبير، آي، يوه، جي، وفونج، بي تي (2024). تعزيز مقاومة التفريغ السطحي للهب والكهرباء في العزل المركب بمطاط السيليكون من خلال هيدروكسيد الألومنيوم والطين والألياف الزجاجية المضافة. المركبات المتقدمة والمواد الهجينة ، 7، 874.

[14] اللجنة الكهروتقنية الدولية. (2018). IEC 60332-1: اختبارات كابلات الألياف الكهربائية والبصرية تحت ظروف الحريق - الجزء 1: اختبار انتشار اللهب العمودي لسلك أو كابل معزول واحد . جنيف: اللجنة الانتخابية المستقلة.

[15] اللجنة الكهروتقنية الدولية. (2018). IEC 60332-3: اختبارات كابلات الألياف الكهربائية والبصرية في ظل ظروف الحريق - الجزء 3: اختبار انتشار اللهب العمودي للأسلاك أو الكابلات المجمعة المثبتة رأسيًا . جنيف: اللجنة الانتخابية المستقلة.

[16] معهد المعايير البريطانية. (2013). BS 6387: مواصفات متطلبات الأداء للكابلات اللازمة للحفاظ على سلامة الدائرة في ظل ظروف الحريق . لندن: بي إس آي.

[17] مختبرات أندررايترز. (2019). UL 910: معيار اختبار السلامة لقيم انتشار اللهب وكثافة الدخان للكابلات الكهربائية وكابلات الألياف الضوئية المستخدمة في الأماكن التي تنقل الهواء البيئي . نورثبروك: ماي.

[18] اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي. (2014). EN 50575 كابلات الطاقة والتحكم والاتصالات - كابلات للتطبيقات العامة في أعمال البناء الخاضعة للتفاعل مع متطلبات الحريق . بروكسل: CEN.

[19] 卓金玉. (2015 ) . اسم: 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 1kV(Um=1.2kV) و35kV(Um=40.5kV) للكهرباء . اسم: 中国标准出版社.

[21] 国家质量监督检验检疫总局. (2019