采煤機(jī)電纜屏蔽結(jié)構(gòu)作用和關(guān)聯(lián)特性分析

金鑫

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 201401)

0 引言

采煤機(jī)等移動(dòng)裝備運(yùn)行在礦井采煤工作面和礦井巷道，電磁環(huán)境復(fù)雜，自動(dòng)化要求高[1]，隨著煤礦綠色開(kāi)采，智能化水平的不斷提高，全自動(dòng)的采煤裝備越來(lái)越要求配套電纜不僅具備優(yōu)良的傳輸電源的能力，更要兼具良好的移動(dòng)性能、抗干擾能力和使用壽命[2]。作為采煤機(jī)電纜的一個(gè)關(guān)鍵部件，屏蔽層不僅是電纜傳輸電能重要安全保障，更是遠(yuǎn)程控制可靠性的保證。電纜屏蔽性能不好就像缺少戰(zhàn)斗護(hù)甲，除了容易發(fā)生電磁兼容性故障，電纜的機(jī)械壽命也不高，而采用不同工藝的屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)于采煤機(jī)電纜的使用功能和性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文主要針對(duì)采煤機(jī)電纜不同屏蔽結(jié)構(gòu)的原理和作用分析屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)電纜使用性能和安全性能的影響。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外采煤機(jī)電纜標(biāo)準(zhǔn)主要包括英國(guó)BS 6708《礦山及采石場(chǎng)用軟電纜》、澳大利亞礦用電纜標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1802和AS/NZS 1803、美國(guó)礦用電纜標(biāo)準(zhǔn)ICSA S-75-381/NEMA WC 58、德國(guó)礦用電纜標(biāo)準(zhǔn)VDE 0250 PART 812, PART 813等，上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜屏蔽結(jié)構(gòu)做了基礎(chǔ)性規(guī)定，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于屏蔽結(jié)構(gòu)和特性方面總體區(qū)別不大，但也存在個(gè)別結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試方法上的差異，比如英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)屏蔽并聯(lián)地線的電阻要求對(duì)電纜屏蔽和漏電保護(hù)的作用；德國(guó)VDE標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)控制線芯導(dǎo)體和屏蔽層(兼做地線)同芯式布置且采用3+3平衡結(jié)構(gòu)與動(dòng)力線芯成纜，起到降低諧波電流的作用；澳大利亞AS/NZS標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)電纜半導(dǎo)電填充輔助屏蔽發(fā)揮漏電保護(hù)功能，并采用針刺試驗(yàn)進(jìn)行性能定量測(cè)試。國(guó)內(nèi)電纜企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，一方面借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，一方面自身對(duì)屏蔽結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了各種探索和創(chuàng)新，在對(duì)屏蔽結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性能的研究中，提到不同屏蔽結(jié)構(gòu)影響電纜的電氣、物理機(jī)械性能，比如任虹光[3]等闡述了采煤機(jī)電纜屏蔽覆蓋率和接地電阻的相互關(guān)系和計(jì)算方法；趙鶴鳴、彭立沙[4-5]等分析了電動(dòng)汽車高壓屏蔽線纜的屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽效能和機(jī)械壽命的影響。

2 電纜屏蔽層的結(jié)構(gòu)和基本作用

電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)有導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽和總屏蔽。導(dǎo)體屏蔽介于導(dǎo)體與絕緣之間的半導(dǎo)電層，又稱內(nèi)屏蔽；絕緣屏蔽包于絕緣外部，又稱外屏蔽；總屏蔽是纜芯成纜后再增加一層屏蔽層，每一層屏蔽都通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)電纜的性能發(fā)揮重要作用。

2.1 導(dǎo)體屏蔽

通常3.6/6 kV及以上電纜需要導(dǎo)體屏蔽，材料以半導(dǎo)電聚乙烯為主，導(dǎo)體屏蔽作用是均勻?qū)w表面電場(chǎng)，避免因?yàn)閷?dǎo)體表面不光滑,與絕緣層之間有間隙，在高電壓場(chǎng)合會(huì)引起電場(chǎng)集中和局部放電，降低絕緣壽命，采煤機(jī)電纜一般電壓為1.9/3.3 kV以下，采用導(dǎo)體屏蔽的情況較少。

2.2 絕緣屏蔽

絕緣屏蔽的主要作用包括：均勻絕緣外表面電場(chǎng)，保護(hù)絕緣不受損傷；屏蔽層接地或接檢漏繼電器，對(duì)電纜進(jìn)行漏電保護(hù)；降低回路和外部電磁干擾和諧波影響。

根據(jù)電纜電壓等級(jí)、敷設(shè)形式、用途不同，橡套類電纜絕緣屏蔽可采用非金屬屏蔽和金屬屏蔽。

1) 非金屬屏蔽主要用于0.66/1.14 kV及以下電纜，如MCP型采煤機(jī)橡套軟電纜可采用半導(dǎo)電帶繞包絕緣屏蔽，1.9/3.3 kV及以上非金屬屏蔽電纜采用擠包半導(dǎo)電屏蔽，主要考慮帶包屏蔽上的碳粉容易粘留于絕緣上，在井下環(huán)境難以清除，容易引起電纜端頭爬電(假擊穿),同時(shí)為方便電纜安裝敷設(shè)，擠包半導(dǎo)電屏蔽要求可剝離，MT 818.1—2009中規(guī)定半導(dǎo)電屏蔽層的剝離力為4～45 N。

2) 金屬屏蔽一般為銅絲加纖維編織或銅絲束繞結(jié)構(gòu)，金屬屏蔽并不單獨(dú)使用，一般是非金屬屏蔽外再加一層金屬屏蔽來(lái)提高屏蔽效能，同時(shí)避免金屬屏蔽層直接接觸絕緣層造成絕緣層損壞，金屬屏蔽既保證抗干擾能力又具備良好的拖曳彎曲性能。

2.3 總屏蔽

總屏蔽是對(duì)電磁兼容要求較高的電纜所需要具備的結(jié)構(gòu)，比如變頻裝置用電纜，在纜芯和外護(hù)套之間有軟結(jié)構(gòu)的金屬層作為總屏蔽，常用結(jié)構(gòu)有銅絲編織結(jié)構(gòu),銅絲束繞結(jié)構(gòu),銅絲編織+鋁塑復(fù)合帶?？偲帘魏徒^緣屏蔽共同起到防電磁干擾的作用，同時(shí)具備一定的強(qiáng)度和柔軟性，保證采煤機(jī)電纜可拖曳和抗彎曲性。

3 屏蔽結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)特性分析

屏蔽結(jié)構(gòu)影響電纜漏電保護(hù)、電磁屏蔽和機(jī)械壽命等可靠性和安全性。為了精確分析上述性能可以通過(guò)屏蔽結(jié)構(gòu)的過(guò)渡電阻、接地電阻、編織密度、屏蔽系數(shù)和抗拖曳曲繞試驗(yàn)等特性參數(shù)和試驗(yàn)方法進(jìn)行定量分析。

3.1 過(guò)渡電阻

采煤機(jī)電纜絕緣屏蔽過(guò)渡電阻是表征電纜絕緣被金屬刺破狀態(tài)下觸發(fā)礦用檢漏繼電器斷電保護(hù)作用的基本性能要求，采煤機(jī)電纜在煤礦井下移動(dòng)極易遭堅(jiān)硬金屬破壞導(dǎo)致漏電，當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，電纜過(guò)渡電阻越小，越快速度觸發(fā)檢漏繼電器斷電開(kāi)啟保護(hù)功能。試驗(yàn)對(duì)樣品斷路狀態(tài)的動(dòng)力線和地線施加一定的試驗(yàn)電壓，模擬電纜被針刺破，半導(dǎo)電屏蔽連通地線和動(dòng)力線回路，按照歐姆定律計(jì)算回路的直流電阻。一般要求絕緣半導(dǎo)電屏蔽層的過(guò)渡電阻不大于3 kΩ，在電纜漏電狀態(tài)下，形成有效的檢測(cè)回路，滿足煤礦供電系統(tǒng)檢漏繼電器觸發(fā)要求。

3.2 屏蔽接地電阻

煤礦井下供電系統(tǒng)零線不接地，所以移動(dòng)裝備必須接地且對(duì)接地電阻有較高的要求，金屬屏蔽型采煤機(jī)電纜的金屬屏蔽層通常兼做地線，屏蔽層采用金屬與纖維編織屏蔽，比如采煤機(jī)金屬屏蔽型軟電纜( 型號(hào)為 MCPT或 MCPTJ) ，移動(dòng)金屬屏蔽監(jiān)視型橡套軟電纜MYPTJ型，此類電纜屏蔽層是采用鍍錫銅絲和纖維加強(qiáng)絲混合編織工藝加工。金屬屏蔽起到屏蔽兼地線作用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了并聯(lián)電阻的要求。根據(jù)工藝和導(dǎo)體特性，其電阻可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中:RS為單位長(zhǎng)度金屬屏蔽層在20 ℃時(shí)的直流電阻,Ω/m;ρ20為鍍錫銅絲20 ℃時(shí)的直流電阻率，取0.018 Ω·mm2/m；L為單位長(zhǎng)度金屬屏蔽層中每根鍍錫銅絲的實(shí)際長(zhǎng)度,m;S為金屬屏蔽層的截面積,mm2,單位長(zhǎng)度下，電纜屏蔽需要足夠大的截面以保證屏蔽接地電阻，截面積越大，屏蔽接地電阻越小。

屏蔽截面積S在電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中通常為標(biāo)稱截面，不易測(cè)量，可依據(jù)編織工藝換算成銅絲尺寸參數(shù)和覆蓋率工藝參數(shù)，可得

(2)

式中：D為電纜線芯屏蔽前直徑,mm；k為節(jié)徑比；F為編織單向覆蓋率；n為金屬屏蔽層中鍍錫銅絲總根數(shù);d為鍍錫銅絲的直徑,mm。

由式(2)分析得出，屏蔽電阻由屏蔽前直徑、編織銅絲根數(shù)、銅絲直徑、覆蓋率決定。

屏蔽與地線并聯(lián)電阻關(guān)系：

(3)

當(dāng)芯截面相等時(shí),則RA=RB=RC=RS，K和KN分別為動(dòng)力線芯和地線芯絞合系數(shù)?？偨拥仉娮铻?

(4)

依據(jù)上述公式計(jì)算的接地電阻經(jīng)過(guò)驗(yàn)證與實(shí)際檢測(cè)值相符合，當(dāng)金屬屏蔽層兼做地線芯時(shí)，可按實(shí)際工藝設(shè)計(jì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)，確保屏蔽層的直流電阻達(dá)到MT 818—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地線芯相應(yīng)截面導(dǎo)體直流電阻要求。

3.3 金屬屏蔽覆蓋率

屏蔽覆蓋率是從工藝角度對(duì)屏蔽效果進(jìn)行控制，覆蓋率越高，屏蔽效果越好。MT 818.1—2009《煤礦用電纜 移動(dòng)類電纜一般規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)給出了編織屏蔽的推薦結(jié)構(gòu)，要求編織工藝采用的錠數(shù)和每錠銅線數(shù)目應(yīng)確保按公式(5)、(6)計(jì)算的鍍錫銅線的覆蓋率F不小于80%。

(5)

P=(2F-F2)×100

(6)

式中:F為編織屏蔽單向覆蓋率；P為雙向編織覆蓋率，m為銅線錠數(shù)；n為每錠絞合股線數(shù)目；d為絞線計(jì)算寬度，并線時(shí)為銅單線的標(biāo)稱直徑,mm；D為編織層平均直徑,mm；L為編織節(jié)距,mm。

3.4 屏蔽系數(shù)

屏蔽系數(shù)是反映電纜屏蔽結(jié)構(gòu)抗干擾能力的重要特性，其通過(guò)對(duì)比測(cè)試屏蔽與非屏蔽結(jié)構(gòu)感應(yīng)電壓，定量分析屏蔽對(duì)電磁干擾的抑制作用，屏蔽系數(shù)與屏蔽效果成反比，即系數(shù)值越小，其屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效果越好[6]。采煤機(jī)電纜工作環(huán)境下，環(huán)境諧波電流或電纜動(dòng)力線芯導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁通會(huì)對(duì)鄰近線芯產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其中影響最大的是采煤機(jī)電纜的控制線芯，控制線芯傳輸控制信號(hào)以控制采煤機(jī)及其功能部件運(yùn)行狀態(tài)，屏蔽結(jié)構(gòu)不合理或材料不滿足屏蔽要求，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)造成控制失效或采煤裝備誤動(dòng)作。因此在變頻環(huán)境下需要對(duì)采煤機(jī)電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，比如采用控制線芯束繞式金屬屏蔽和成纜后束繞金屬總屏蔽組合結(jié)構(gòu)，而具體屏蔽效果可通過(guò)屏蔽系數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試分析，目前沒(méi)有國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)屏蔽系數(shù)值做具體規(guī)定，企業(yè)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和用戶需求，在變頻環(huán)境下的采煤機(jī)電纜控制線芯屏蔽系數(shù)控制在不大于0.8的范圍內(nèi)。屏蔽系數(shù)試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1。

圖1 屏蔽系數(shù)試驗(yàn)原理圖

3.5 采煤機(jī)電纜機(jī)械壽命

采煤機(jī)電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)影響采煤機(jī)電纜的柔軟度和機(jī)械壽命，柔軟度和機(jī)械壽命可通過(guò)彎曲性能試驗(yàn)和拖曳曲繞性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，MT 818.1—2009標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)拖曳類電纜曲繞性能研究，指出拖鏈?zhǔn)讲擅簷C(jī)電纜及拖曳類電纜至少應(yīng)滿足9 000次彎曲性能試驗(yàn)或9 000次拖曳曲繞試驗(yàn)[7]。

4 屏蔽結(jié)構(gòu)、屏蔽系數(shù)及彎曲、拖曳性能相互影響

采煤機(jī)電纜的屏蔽層會(huì)增大電纜外徑，降低電纜柔軟度，影響彎曲壽命，通常要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上兼顧耐彎曲性能和抗干擾性，屏蔽要求滿足柔軟性和高覆蓋率。針對(duì)常見(jiàn)屏蔽形式進(jìn)行抗彎曲性能和屏蔽系數(shù)綜合比較,試驗(yàn)如下：

選擇電纜樣品分別為無(wú)屏蔽、非金屬屏蔽、金屬屏蔽、編織總屏蔽、束繞總屏蔽、控制線芯屏蔽的6類采煤機(jī)電纜，規(guī)格均為動(dòng)力線芯35 mm2，控制線芯4 mm2，試驗(yàn)比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采煤機(jī)電纜屏蔽結(jié)構(gòu)、屏蔽系數(shù)及彎曲、拖曳性能比較

經(jīng)比較分析，采煤機(jī)電纜屏蔽層覆蓋率越高，屏蔽層數(shù)越多，屏蔽效果越好(屏蔽系數(shù)越小)，金屬屏蔽層會(huì)影響采煤機(jī)電纜的柔軟度，隨屏蔽層數(shù)或厚度增加，電纜最小彎曲半徑應(yīng)相應(yīng)增大，其中束繞型屏蔽的柔軟性要好于編織總屏蔽，適合應(yīng)用于彎曲半徑較小、電磁兼容性更高的場(chǎng)合，常規(guī)變頻電纜大多采用的鋁塑復(fù)合帶加編織屏蔽的總屏蔽結(jié)構(gòu)雖然屏蔽效果好但因?yàn)殇X塑復(fù)合帶反復(fù)彎曲易發(fā)生斷裂，不適合用在反復(fù)拖曳或彎曲的采煤機(jī)電纜中。

5 結(jié)論

采煤機(jī)電纜屏蔽技術(shù)保證了采煤機(jī)電纜兼具較好的電磁兼容和較高的機(jī)械壽命，屏蔽技術(shù)的發(fā)展是采煤機(jī)電纜滿足采煤裝備智能化發(fā)展的一個(gè)重要保證，電纜接地電阻、屏蔽覆蓋率、屏蔽系數(shù)、拖曳曲繞試驗(yàn)等屏蔽關(guān)聯(lián)特性的綜合運(yùn)用能有效測(cè)量采煤機(jī)電纜電磁兼容性、安全性、使用壽命，兼具上述特性的屏蔽型采煤機(jī)電纜可應(yīng)用于更大功率和智能化采煤裝備，對(duì)智能化采煤、采煤效率的提高，保證采煤工作面的安全性具有重要意義。