Desarrollo de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y con alto retardo de llama

Desarrollo de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y con alto retardo de llama

Abstracto

Este artículo investiga sistemáticamente los principios de diseño, la selección de materiales, los procesos de fabricación y los métodos de evaluación del rendimiento de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y altamente retardantes de llama. Al analizar las limitaciones de los materiales de cables tradicionales e incorporar los últimos avances en la ciencia moderna de los materiales poliméricos, se propone un esquema de diseño de cables innovador basado en una estructura compuesta multicapa. El esquema emplea un material compuesto a base de poliuretano como capa de revestimiento exterior, una capa retardante de llama de caucho de silicona como capa intermedia, una capa de armadura trenzada de alambre de acero galvanizado como capa de refuerzo, una capa de aislamiento XLPE como capa de aislamiento eléctrico y una capa protectora compuesta trenzada de alambre de cobre y papel de aluminio. Los resultados de la investigación indican que el cable diseñado supera significativamente a los productos de cable tradicionales en términos de resistencia al desgaste, resistencia mecánica, retardo de llama y adaptabilidad ambiental. A través de pruebas y verificaciones sistemáticas, el cable cumple con los requisitos de los estándares internacionales más altos sobre retardantes de llama, como IEC 60332-3A y BS 6387 CWZ, al tiempo que exhibe excelentes propiedades mecánicas y confiabilidad operativa a largo plazo. Este estudio proporciona fundamentos teóricos y referencias técnicas para la investigación y el desarrollo de cables de alimentación de alto rendimiento y tiene una importancia significativa para mejorar la seguridad y confiabilidad de los sistemas de energía.

Palabras clave: cables de energía; resistencia al desgaste; alta resistencia; retardante de llama; materiales compuestos; estructura multicapa; estándares de prueba

1. Introducción

1.1 Antecedentes e importancia de la investigación

Con el rápido desarrollo de los sistemas eléctricos modernos, los requisitos de rendimiento de los cables eléctricos, como portadores críticos de la transmisión de energía eléctrica, son cada vez más exigentes. Esto es particularmente evidente en escenarios de aplicación en entornos complejos y hostiles, como minería, ingeniería marina, transporte ferroviario y automatización industrial. Estos campos imponen exigencias extremadamente altas en cuanto a resistencia al desgaste, resistencia mecánica y retardo de llama de los cables eléctricos. Los materiales de cables tradicionales, como el PVC y el caucho ordinario, a menudo presentan deficiencias en estos entornos extremos, incluida una resistencia al desgaste insuficiente, una resistencia mecánica limitada y un rendimiento retardante de llama insatisfactorio. Estas limitaciones pueden reducir la vida útil del cable, aumentar los costos de mantenimiento e incluso posibles incidentes de seguridad.

El desarrollo de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y altamente retardantes de llama no solo puede cumplir con los requisitos técnicos de escenarios de aplicación específicos, sino también mejorar la seguridad y confiabilidad generales de los sistemas de energía. Según los datos estadísticos, los fallos de los cables representan una proporción importante de los fallos del sistema eléctrico, siendo especialmente importantes los causados ​​por daños mecánicos e incendios. Por lo tanto, desarrollar cables de alimentación con un rendimiento integral excelente es de gran importancia práctica para garantizar la continuidad del suministro de energía, reducir los costos operativos y de mantenimiento y mejorar la seguridad del sistema.

Cuadro comparativo de rendimiento de cables

1.2 Estado actual de la investigación en el país y en el extranjero

En los últimos años, académicos tanto a nivel nacional como internacional han realizado extensas investigaciones sobre materiales de cables y diseño estructural. A nivel mundial, los países y regiones desarrollados como Estados Unidos, Europa y Japón han asumido un papel de liderazgo en la investigación y el desarrollo de tecnologías de cable avanzadas. Los estándares de clasificación de retardo de llama, incluidos CMP, CMR y CMG, establecidos por Underwriters Laboratories (UL), se han convertido en puntos de referencia de la industria. La norma CEN EN 50575 publicada por el Comité Europeo de Normalización especifica requisitos claros para la resistencia al fuego de los cables. Japón ha logrado avances notables en cables superconductores de alta temperatura y cables especiales.

A nivel nacional, en línea con la implementación de la estrategia 'Hecho en China 2025', el nivel tecnológico de la industria del cable ha mejorado continuamente. En el área de materiales retardantes de llama, se han adoptado ampliamente compuestos como el trihidróxido de aluminio (ATH), el hidróxido de magnesio (MH) y retardantes de llama a base de fósforo. Para los materiales de refuerzo, la aplicación de fibras de alto rendimiento como fibra de aramida, fibra de vidrio y fibra de carbono es cada vez más frecuente. La investigación sobre materiales aislantes, entre ellos el polietileno reticulado (XLPE), el caucho de silicona y el poliuretano, se profundiza continuamente.

Sin embargo, sigue existiendo un vacío en el mercado para productos de cables que exhiban simultáneamente una excelente resistencia al desgaste, alta resistencia mecánica y un retardo de llama superior. Los productos existentes a menudo sobresalen en un aspecto de rendimiento específico, pero no logran proporcionar propiedades integrales para satisfacer las demandas de entornos operativos extremos. Por lo tanto, realizar una investigación sistemática sobre cables eléctricos resistentes al desgaste, de alta resistencia y con alto retardante de llama tiene un valor teórico y práctico significativo.

1.3 Objetivos y contenidos de la investigación

El objetivo principal de esta investigación es desarrollar un cable de alimentación resistente al desgaste, de alta resistencia y altamente ignífugo con un excelente rendimiento integral. Los contenidos específicos de la investigación incluyen:

1.Analizar sistemáticamente los requisitos de rendimiento para cada capa funcional del cable y determinar indicadores clave de rendimiento;

2. Seleccionar y optimizar materiales para cada capa funcional y desarrollar nuevos materiales compuestos;

3. Diseñar una estructura compuesta multicapa razonable para lograr una optimización sinérgica del rendimiento;

4. Optimizar los parámetros del proceso de fabricación para garantizar la calidad de fabricación del cable;

5. Establecer un sistema integral de pruebas de desempeño para evaluar completamente el desempeño del cable;

6. Analizar la confiabilidad a largo plazo del cable en diferentes entornos de aplicación.

A través de la implementación sistemática de los contenidos de investigación anteriores, se espera obtener un producto de cable de alimentación que alcance un nivel avanzado internacionalmente en términos de resistencia al desgaste, resistencia mecánica, retardo de llama y otros aspectos, brindando soporte técnico para aplicaciones en campos relacionados.

%1. Selección de material de cable y análisis de rendimiento

2.1 Selección y modificación de materiales de la funda exterior

La funda exterior es la estructura protectora más externa del cable, sujeta directamente a acciones mecánicas, químicas y físicas del entorno externo. Si bien las fundas de PVC tradicionales ofrecen un costo más bajo, tienen poca resistencia a la abrasión, resistencia a la intemperie inadecuada y fragilidad a bajas temperaturas. Este estudio selecciona poliuretano (PU) como material base para la funda exterior debido a su excelente resistencia a la abrasión, flexibilidad y resistencia a la corrosión química.

La resistencia a la abrasión es una de las ventajas más destacadas del PU; su resistencia al desgaste es de 8 a 10 veces mayor que la del caucho común y de 20 a 30 veces mayor que la del PVC. Esto se beneficia principalmente de la estructura de separación de microfases de los segmentos duros y blandos en la cadena molecular del PU: los segmentos duros proporcionan fuerza y ​​resistencia al desgaste, mientras que los segmentos blandos ofrecen flexibilidad y elasticidad. Sin embargo, el PU puro presenta un retardo de llama deficiente, lo que requiere modificaciones para mejorar su clasificación de retardo de llama.

Este estudio emplea tecnología de modificación de nanocompuestos, incorporando trihidróxido de nanoaluminio (nano-ATH) y retardantes de llama a base de fósforo de forma sinérgica en la matriz de PU. Nano-ATH, con su gran superficie específica y buena dispersabilidad, absorbe una cantidad sustancial de calor y libera vapor de agua durante la combustión, lo que proporciona efectos refrescantes y retardantes de llama. Los retardantes de llama a base de fósforo promueven la formación de una capa de carbón durante la combustión, aislando el oxígeno y el calor. El efecto sinérgico de estos dos mejora significativamente el rendimiento retardante de llama del PU.

Los resultados de las pruebas de rendimiento del material compuesto de PU modificado indican: la resistencia a la tracción alcanza los 25 MPa; el alargamiento de rotura alcanza el 300%; la resistencia a la abrasión (abrasión Taber) mejora en un 15% en comparación con el PU puro; el índice límite de oxígeno (LOI) aumenta del 18% al 28%, cumpliendo con el estándar retardante de llama UL 94 V-0.

2.2 Detección y optimización de materiales retardantes de llama

La capa retardante de llama es un componente estructural crítico para la seguridad contra incendios de los cables. Este estudio selecciona caucho de silicona como material base para la capa retardante de llama debido a su excelente resistencia a altas temperaturas, propiedades de aislamiento eléctrico y rendimiento retardante de llama. A altas temperaturas, el caucho de silicona puede formar una capa protectora estable de dióxido de silicio, evitando eficazmente la propagación de las llamas.

Para mejorar aún más el rendimiento retardante de llama del caucho de silicona, este estudio utiliza un relleno mineral compuesto de Huntita/Hidromagnesita. La Huntita (CaMg₃(CO₃)₄) y la Hidromagnesita (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) son retardantes de llama minerales naturales que se descomponen al calentarse, liberando dióxido de carbono y vapor de agua, lo que diluye los gases combustibles y reduce la temperatura.

La investigación experimental muestra que cuando la adición de Huntita/Hidromagnesita es de 25 phr, el material compuesto de caucho de silicona logra un rendimiento integral óptimo. En este nivel, la resistencia a la tracción del material es de 5,68 MPa, el alargamiento de rotura es del 147,7% y el índice límite de oxígeno alcanza el 30%. En las pruebas estándar BS 6387, este material pasa las pruebas C y Z, lo que demuestra un excelente rendimiento retardante de llama.

Diagrama esquemático de la estructura del cable

2.3 Diseño y Aplicación de Materiales de Refuerzo

La función principal de la capa de refuerzo es mejorar la resistencia mecánica del cable, particularmente su resistencia a la tracción y a la compresión. Este estudio emplea una capa trenzada de alambre de acero galvanizado como estructura de refuerzo, ofreciendo las siguientes ventajas:

1. Alta resistencia: La resistencia a la tracción del alambre de acero puede exceder los 1000 MPa, significativamente mayor que la de los materiales poliméricos comunes.

2. Buena flexibilidad: La estructura trenzada permite que el cable mantenga ciertas propiedades de flexión conservando su resistencia.

3. Resistencia a la corrosión: El recubrimiento de zinc previene eficazmente la corrosión del alambre de acero, extendiendo la vida útil;

4. Efecto de blindaje electromagnético : la capa trenzada de metal proporciona un excelente rendimiento de blindaje electromagnético.

Los parámetros de diseño para la capa de trenzado de alambre de acero incluyen el diámetro del alambre, la densidad del trenzado y el ángulo del trenzado. Mediante optimización, este estudio ha determinado los parámetros óptimos de trenzado: un diámetro de alambre de 0,3 mm, una densidad de trenzado del 85% y un ángulo de trenzado de 45°. Con estos parámetros, el cable alcanza una resistencia a la tracción de 50 kN y un radio de curvatura de seis veces el diámetro exterior del cable.

Además, este estudio ha incorporado una cinta de refuerzo de fibra de aramida en la capa de refuerzo para mejorar aún más la resistencia al impacto y al corte del cable. La fibra de aramida posee excelentes propiedades como alta resistencia, alto módulo y resistencia a altas temperaturas, creando un efecto de refuerzo complementario con la capa trenzada de alambre de acero.

2.4 Requisitos de desempeño para materiales aislantes

La capa de aislamiento es la estructura central que garantiza la seguridad eléctrica del cable. Este estudio selecciona polietileno reticulado (XLPE) como material aislante debido a sus excelentes propiedades eléctricas, resistencia al calor y rendimiento mecánico.

Los requisitos de rendimiento para XLPE incluyen principalmente:

1.Propiedades eléctricas: Resistividad de volumen ≥ 1×10⊃1;⁴ Ω·cm, rigidez dieléctrica ≥ 30 kV/mm, constante dieléctrica ≤ 2,3;

2.Propiedades térmicas: temperatura de funcionamiento a largo plazo 90 °C, temperatura de sobrecarga a corto plazo 130 °C, temperatura de cortocircuito 250 °C;

3.Propiedades mecánicas: Resistencia a la tracción ≥ 15 MPa, alargamiento de rotura ≥ 300%;

4. Resistencia ambiental: Excelente resistencia al agua, buena resistencia a la corrosión química.

Para mejorar aún más el rendimiento de XLPE, este estudio adoptó las siguientes técnicas de modificación:

1. Nanomodificación: agregar nanosílice para mejorar la resistencia al agua y la resistencia mecánica del material;

2. Optimización del sistema antioxidante: adopción de un sistema antioxidante compuesto para mejorar la estabilidad térmica del material y la confiabilidad del servicio a largo plazo;

3. Optimización del proceso de reticulación: emplear un proceso de reticulación de silano para controlar el grado de reticulación y la uniformidad.

Los resultados de las pruebas de rendimiento del material XLPE modificado indican: la resistividad del volumen alcanza 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, la rigidez dieléctrica alcanza 35 kV/mm, la resistencia a la tracción alcanza 18 MPa, el alargamiento de rotura alcanza el 350 % y la temperatura de funcionamiento a largo plazo aumenta a 105 °C.

3. Proceso de diseño y fabricación de estructuras de cables

3.1 Principios de diseño de una estructura compuesta multicapa

El cable de alimentación resistente al desgaste, de alta resistencia y altamente retardante de llama diseñado en este estudio emplea una estructura compuesta multicapa, donde cada capa funcional trabaja sinérgicamente para lograr un rendimiento integral óptimo. La estructura general del cable, de exterior a interior, es la siguiente:

1. Capa de revestimiento exterior: 2,0 mm de espesor, material compuesto a base de poliuretano, que proporciona excelente resistencia al desgaste, resistencia a la intemperie y resistencia a la corrosión química;

2. Capa retardante de llama: Espesor de 1,5 mm, material compuesto de caucho de silicona/Huntite, que proporciona un rendimiento retardante de llama superior y resistencia a altas temperaturas;

3. Capa de Armadura: Espesor 1,0 mm, capa de trenzado de alambre de acero galvanizado, que proporciona alta resistencia mecánica y resistencia al impacto.；

4. Capa de funda interior: 1,0 mm de espesor, material aislante XLPE, que proporciona un excelente rendimiento de aislamiento eléctrico;

5. Capa protectora: Espesor 0,5 mm, envoltura de papel de aluminio + estructura compuesta trenzada de alambre de cobre, que proporciona blindaje electromagnético y rendimiento antiinterferencias;

6. Conductor: Conductor de cobre trenzado, con el área de la sección transversal determinada según los requisitos de la aplicación;

7. Material de relleno : Relleno de fibra ignífuga, que garantiza la redondez y estabilidad de la estructura del cable.

El diseño del espesor de cada capa funcional se basa en análisis mecánicos y requisitos de rendimiento. La capa de funda exterior requiere un espesor suficiente para resistir la abrasión externa y el impacto mecánico; la capa ignífuga requiere un espesor adecuado para garantizar una protección eficaz contra incendios; el espesor de la capa de armadura se determina basándose en los requisitos de resistencia a la tracción del cable; y el espesor de la capa aislante se determina según la tensión de funcionamiento y los requisitos de seguridad eléctrica.

El principio de diseño de la estructura compuesta multicapa se basa en la separación funcional y la mejora sinérgica . Cada capa funcional se centra en requisitos de rendimiento específicos. A través del diseño racional de la interfaz y la selección de materiales, se logra una mejora sinérgica del rendimiento. Por ejemplo, se forma una fuerte unión interfacial entre la capa de funda exterior y la capa retardante de llama mediante unión química y entrelazamiento físico , lo que garantiza que no se produzca delaminación bajo tensión mecánica.

3.2 Diseño y optimización de conductores

El conductor es el componente central del cable para transmitir energía eléctrica. Este estudio emplea cobre libre de oxígeno de alta pureza como material conductor, logrando una conductividad del 101% IACS (Estándar Internacional de Cobre Recocido) y una resistividad tan baja como 1,7241×10⁻⁸ Ω·m.

El diseño estructural del conductor adopta un método de cableado de múltiples hilos , ofreciendo las siguientes ventajas:

1. Excelente flexibilidad: El trenzado de múltiples alambres finos proporciona al cable un buen rendimiento de flexión, lo que lo hace adecuado para instalación en entornos complejos;

2. Alta confiabilidad: Incluso si los cables individuales se rompen, el rendimiento conductivo general del cable no se ve afectado.

Los parámetros de trenzado del conductor incluyen el diámetro del hilo único, el paso de trenzado y la dirección de trenzado. Mediante optimización, este estudio ha determinado los parámetros de cableado óptimos: un diámetro de un solo cable de 0,3 mm , un paso de cableado de 12 veces el diámetro del conductor y la dirección de cableado más externa establecida hacia la izquierda (dirección Z)..

Para conductores de sección transversal grande, este estudio emplea tecnología de moldeo por compresión , presionando conductores redondos en perfiles en forma de abanico o de teja. Esto reduce el diámetro exterior total del cable y mejora la utilización del espacio. El moldeo por compresión también ayuda a minimizar las rebabas y protuberancias en la superficie del conductor, mejorando la uniformidad de la capa de aislamiento.

El área de la sección transversal del conductor se determina en función de los requisitos de capacidad de transporte de corriente del cable . Este estudio ha desarrollado una serie de productos con áreas de sección transversal que van desde 1,5 mm² hasta 240 mm² , satisfaciendo las necesidades de diversos escenarios de aplicación.

3.3 Flujo del proceso de fabricación

El proceso de fabricación de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y con alto retardante de llama es complejo y requiere un control preciso de los parámetros en cada etapa. El flujo de proceso principal incluye:

1. Fabricación de conductores:

○ Trefilado de varilla de cobre: ​​trefilado de una varilla de cobre de 8 mm de diámetro a través de una máquina trefiladora para producir alambres individuales del diámetro requerido.；

○ Recocido de un solo cable: realizar el recocido en una atmósfera protectora para eliminar el endurecimiento por trabajo y mejorar la flexibilidad.

○ Trenzado de conductores: trenzado de varios cables individuales de acuerdo con los parámetros de diseño para formar el núcleo del conductor.。

1. Extrusión de aislamiento ::

○ Pretratamiento del material: Secado de pellets de XLPE para eliminar la humedad.

○ Moldeo por extrusión: Recubrir uniformemente la superficie del conductor con material XLPE a través de una extrusora.

○ Tratamiento de reticulación: Emplear un proceso de reticulación de silano para llevar a cabo la reacción de reticulación en un ambiente de vapor.

○ Enfriamiento y conformación: Enfriamiento mediante un canal de enfriamiento de agua para establecer la forma de la capa aislante.

2. Fabricación de capas protectoras:

○ Envoltura con papel de aluminio: Envoltura en espiral de una cinta de papel de aluminio sobre la superficie de la capa aislante.

○ Trenzado de alambre de cobre: ​​Trenzar una capa protectora de alambre de cobre sobre la capa de papel de aluminio.

○ Tratamiento de soldadura: Soldar los extremos de la capa trenzada para asegurar la continuidad eléctrica.

3. Proceso de formación de cables:

○ Cableado de núcleos: Cableado de múltiples núcleos aislados según la estructura diseñada.

○ Tratamiento de relleno: Relleno de los huecos de la estructura trenzada con material de fibra ignífugo.

○ Protección de envoltura: use cinta de tela no tejida como protección de envoltura para evitar daños.

4. Fabricación de capas de armadura ::

○ Trenzado de alambre de acero: uso de una máquina trenzadora de alta velocidad para trenzar alambre de acero galvanizado.

○ Control de tensión: controlar con precisión la tensión del trenzado para garantizar la calidad del trenzado.

○ Tratamiento de extremos: Asegurar los extremos de la capa trenzada.

5. Extrusión de capa retardante de llama:

○ Mezcla de materiales: mezclar bien el material base de caucho de silicona con el relleno Huntite.

○ Recubrimiento por extrusión: Recubrir la capa de armadura con el material retardante de llama usando una extrusora.；

○ Tratamiento de vulcanización: Realización de la reacción de vulcanización a altas temperaturas para formar una estructura reticulada.。

6. Extrusión de la funda exterior:

○ Preparación del material: Fusión del material compuesto de poliuretano modificado.

○ Moldeo por extrusión: extrusión y revestimiento del material de la funda exterior mediante una extrusora.

○ Enfriamiento y conformación: Enfriamiento y conformación mediante un sistema de enfriamiento de múltiples etapas.

○ Tratamiento superficial: Realización de alisado superficial e impresión de marcas de identificación.

Todo el proceso de fabricación requiere un control estricto de parámetros como temperatura, presión y velocidad para garantizar la calidad de cada capa funcional y la fuerza de los enlaces interfaciales. Los procesos clave emplean tecnología de detección en línea para monitorear en tiempo real la calidad del producto.

3.4 Control de parámetros clave del proceso

Los parámetros clave del proceso en la fabricación de cables influyen directamente en el rendimiento final del producto. Mediante optimización experimental, este estudio ha determinado los siguientes parámetros críticos del proceso:

1. Control de temperatura de extrusión ::

○ Extrusión de aislamiento XLPE : temperatura del barril 110-130 °C, temperatura del cabezal 120-140 °C, temperatura del troquel 130-150 °C;

○ Extrusión de capa retardante de llama de caucho de silicona : temperatura del barril 70-90 °C, temperatura del cabezal 80-100 °C, temperatura de la matriz 90-110 °C;

○ Extrusión de funda exterior de poliuretano : temperatura del barril 180-200 °C, temperatura del cabezal 190-210 °C, temperatura de la matriz 200-220 °C.

1. Control del proceso de reticulación:

○ Reticulación de silano : Temperatura de reticulación 85-95°C, tiempo de reticulación 4-6 horas, presión de vapor 0,3-0,5 MPa;

○ Vulcanización de caucho de silicona : Temperatura de vulcanización 160-180°C, tiempo de vulcanización 10-15 minutos.

2. Control de tensión ::

○ Tensión de trenzado del conductor : tensión de un solo cable controlada al 10-15% de la resistencia a la rotura;

○ Tensión del trenzado : tensión del trenzado de alambre de acero controlada al 20-25% de la resistencia a la rotura;

○ Tensión de tensado : la tensión de tensado se mantiene uniforme para evitar la deformación del cable.

3. Control de enfriamiento:

○ Enfriamiento de la capa de aislamiento : Adopción de enfriamiento por etapas: temperatura del agua de la primera etapa 60-70°C, segunda etapa 40-50°C, tercera etapa 20-30°C;

○ Enfriamiento de la funda exterior : emplea una combinación de enfriamiento por aire + enfriamiento por agua para garantizar un enfriamiento uniforme.

4. Tratamiento de interfaz:

○ Tratamiento de superficie : realizar un tratamiento con plasma o un tratamiento químico en la superficie de cada capa funcional para mejorar la fuerza de la unión interfacial;

○ Selección de adhesivo: seleccionar adhesivos con buena compatibilidad con los materiales del sustrato para garantizar una unión interfacial fuerte. Al controlar con precisión estos parámetros clave del proceso, se puede garantizar la estabilidad de la calidad de cada capa funcional del cable, la unión interfacial puede ser confiable y el producto final puede lograr un rendimiento excelente.

4. Métodos de evaluación y pruebas de rendimiento

4.1 Estándares de prueba de retardo de llama

La retardación de llama es un indicador de seguridad fundamental para los cables de alimentación. Este estudio ha establecido un sistema integral de prueba de retardo de llama basado en estándares internacionales, que incluye principalmente los siguientes elementos de prueba:

5. Prueba de llama vertical de un solo cable (IEC 60332-1):

○ Método de prueba: se suspende verticalmente una muestra de cable de 1,5 metros de largo y se aplica una llama específica (potencia de 1 kW) al extremo inferior durante 60 segundos.

○ Estándar de calificación: una vez que la llama se apaga, la longitud carbonizada no excede los 2,5 metros y la llama no se extiende hasta el extremo superior de la muestra.

6. Prueba de llama vertical para cables agrupados (IEC 60332-3):

○ Método de prueba: se agrupan e instalan varios cables en un bastidor de escalera vertical, sometidos a una llama específica (20,5 kW de potencia) durante 40 minutos.

○ Estándar de clasificación: según la altura de propagación de la llama y la longitud carbonizada, se clasifica en cuatro clases (A, B, C, D), siendo la Clase A la más estricta.

Objetivo de este estudio:

4.1 Estándares de prueba de retardo de llama (continuación)

7. Prueba de resistencia al fuego (IEC 60331):

○ Método de prueba: El cable se somete a una llama a 750 °C durante 3 horas mientras se aplica su voltaje nominal.

○ Estándar de calificación: el cable mantiene la continuidad eléctrica y su resistencia de aislamiento no cae por debajo del valor especificado.

○ Requisito especial: después de la prueba, el cable debe poder soportar el impacto mecánico especificado.

8. Prueba de fuego integral (BS 6387):

○ Prueba C: Exposición a una llama a 950°C durante 3 horas para evaluar la resistencia al fuego del cable bajo llamas a alta temperatura;

○ Prueba W: exposición a una llama a 650 °C durante 15 minutos seguido de 30 minutos de pulverización de agua para simular el rendimiento en condiciones de rociadores contra incendios;

○ Prueba Z: exposición a una llama a 950 °C durante 15 minutos mientras se aplica un impacto mecánico para evaluar el rendimiento del cable cuando se somete a un impacto durante un incendio;

○ Clasificación más alta: CWZ , lo que indica que el cable puede pasar simultáneamente las pruebas C, W y Z.

9. Pruebas estándar americanas UL:

○ UL 910 (Clasificación CMP) : para cables utilizados en plenos que requieren la clasificación de retardo de llama más alta;

○ UL 1666 (Clasificación CMR) : para cables verticales entre pisos;

○ UL 1581 (Clasificación CM/CMG) : para cables de uso general;

○ UL 1581 VW-1 : una prueba de llama vertical con requisitos estrictos.

10. Prueba de norma europea (EN 50575):

○ Clase B1 : Clasificación de protección contra incendios más alta, adecuada para lugares con requisitos de seguridad contra incendios extremadamente altos;

○ Clase B2 : Alto índice de protección contra incendios, adecuado para edificios importantes;

○ Clase C : Clasificación media de protección contra incendios, adecuada para edificios en general;

○ Clase D : Clasificación básica de protección contra incendios.

Cuadro comparativo de estándares de prueba de cables

4.2Métodos de prueba de rendimiento mecánico

El rendimiento mecánico es un indicador crucial para evaluar la durabilidad y confiabilidad de los cables. Este estudio ha establecido un sistema integral de pruebas de rendimiento mecánico:

11. Prueba de resistencia a la tracción:

○ Estándar de prueba : GB/T 2951.11 / IEC 60811-1-1;

○ Método de prueba : la muestra de cable se sujeta en una máquina de prueba de tracción y se estira a una velocidad específica hasta que se fractura;

○ Parámetros de prueba : Velocidad de tracción 50 mm/min, temperatura de prueba 23±2°C;

○ Métricas de evaluación : Fuerza máxima de tracción, resistencia a la tracción, alargamiento de rotura.

12. Prueba de rendimiento de flexión:

○ Prueba de flexión repetida : el cable se dobla repetidamente alrededor de un cilindro de un diámetro específico y se registra el número de curvaturas antes de la fractura;

○ Prueba de flexión unidireccional : Evalúa la capacidad del cable para mantener el rendimiento en un estado fijo de flexión;

○ Prueba de radio de curvatura mínimo : determina el radio más pequeño en el que el cable se puede doblar de forma segura.

13. Prueba de resistencia al desgaste:

○ Prueba de abrasión Taber : uso de un abrasador lineal Taber 5750 para evaluar la resistencia al desgaste de la superficie del cable;

○ Prueba de abrasión por raspado : Cumple con la norma ISO 6722, simulando condiciones de desgaste de cables en vehículos.;

○ Prueba de raspado de cable : Cumple con la norma IEC 60794-1-2, evaluando la resistencia al desgaste de la capa protectora del cable.

14. Prueba de desempeño de impacto:

○ Prueba de impacto por caída de peso : Evalúa la capacidad del cable para resistir daños bajo carga de impacto;；

○ Prueba de impacto de péndulo: Mide la tenacidad al impacto del cable.

15. Prueba de rendimiento de compresión:

○ Prueba de compresión de placa plana : Evalúa la capacidad de deformación y recuperación del cable bajo presión;

○ Prueba de flexión de tres puntos : Mide la rigidez y resistencia a la flexión del cable.

4.3 Requisitos de prueba de rendimiento eléctrico

El rendimiento eléctrico es el requisito funcional fundamental de los cables de alimentación. Este estudio ha establecido un estricto sistema de pruebas de rendimiento eléctrico:

16. Prueba de resistencia del conductor:

○ Estándar de prueba: GB/T 3048.4 / IEC 60228;

○ Método de prueba: Medición de la resistencia CC del conductor utilizando un doble puente o un microóhmetro;

○ Criterio de aceptación: La resistencia del conductor a 20°C no supera el valor especificado.

16. Prueba de resistencia de aislamiento:

○ Estándar de prueba: GB/T 3048.5 / IEC 60229;

○ Método de prueba: Aplicar un voltaje de 500 V CC para medir la resistencia de aislamiento;

○ Criterio de aceptación: La resistencia de aislamiento no es inferior al valor especificado (normalmente ≥ 100 MΩ·km).

17. Prueba de tensión soportada:

○ Prueba de tensión soportada de frecuencia industrial: aplicación de una tensión de frecuencia industrial especificada (p. ej., 3,5 U₀) durante 5 minutos sin averías;

○ Prueba de tensión soportada de CC: aplicación de una tensión de CC especificada durante 15 minutos, con una corriente de fuga estable que no exceda el valor especificado.

18. Prueba de descarga parcial:

○ Estándar de prueba: GB/T 3048.12 / IEC 60270;

○ Método de prueba: Medición de la magnitud de la descarga parcial a un voltaje de 1,73U₀;

○ Criterio de aceptación: La magnitud de la descarga parcial no supera los 5 pC.

19. Prueba de capacitancia y pérdida dieléctrica:

○ Método de prueba: Medición de la capacitancia de trabajo del cable y la tangente de pérdida dieléctrica;

○ Métricas de evaluación: el valor de capacitancia cumple con los requisitos de diseño, el valor tangente de pérdida dieléctrica es bajo.

4.4 Pruebas de idoneidad ambiental

Los cables se enfrentan a diversas condiciones ambientales complejas en el uso práctico. Este estudio ha establecido un sistema integral de pruebas de idoneidad ambiental:

20. Prueba de envejecimiento térmico:

○ Estándar de prueba: GB/T 2951.12 / IEC 60811-1-2;

○ Método de prueba: las muestras de cable se colocan en un horno a una temperatura específica (p. ej., 200 °C) durante un período definido (p. ej., 168 horas);

○ Métricas de evaluación: la tasa de cambio en las propiedades mecánicas y eléctricas antes y después de las pruebas.

21. Prueba de resistencia al aceite:

○ Método de prueba: las muestras de cable se sumergen en aceite a una temperatura específica (p. ej., 70 °C) durante un período definido (p. ej., 24 horas);

○ Métricas de evaluación: cambios en peso, propiedades mecánicas y propiedades eléctricas antes y después de las pruebas.

22. Prueba de resistencia a la corrosión química:

○ Método de prueba: las muestras de cables se sumergen en soluciones químicas como ácidos y álcalis para evaluar su resistencia a la corrosión;

○ Métricas de evaluación: cambios en la apariencia, propiedades mecánicas y propiedades eléctricas.

23. Prueba de resistencia al calor húmedo: :

○ Método de prueba: las muestras de cable se colocan en un ambiente de alta temperatura y alta humedad (p. ej., 40 °C, 95 % HR) durante un período específico;

○ Métricas de Evaluación: Cambios en la resistencia y apariencia del aislamiento.

24. Prueba de resistencia ultravioleta (UV):

○ Estándar de prueba: GB/T 16422.3;

○ Método de prueba: las muestras de cable se colocan en una cámara de envejecimiento UV y se irradian durante un período específico (por ejemplo, 1000 horas);

○ Métricas de evaluación: Cambio de color, agrietamiento superficial, cambios en las propiedades mecánicas.

25. Prueba de rendimiento a baja temperatura:

○ Método de prueba: las muestras de cable se colocan en un ambiente de baja temperatura (p. ej., -40 °C) y se someten a pruebas de flexión, impacto y otras pruebas;

○ Métricas de Evaluación: Flexibilidad y resistencia al impacto a bajas temperaturas.

5. Resultados y análisis experimentales

5.1 Resultados de las pruebas de rendimiento del material

Mediante pruebas sistemáticas de los materiales para cada capa funcional, se obtuvieron datos detallados de rendimiento:

Material de la funda exterior (poliuretano modificado):

● Resistencia a la tracción: 25,3 ± 1,2 MPa

● Elongación de rotura: 305 ± 15%

● Dureza Shore: 85 ± 2 A

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

● Índice límite de oxígeno (LOI): 28,5 ± 0,5%

● Clasificación UL 94: V-0

● Rango de temperatura de funcionamiento: -40°C a +110°C

Material de capa retardante de llama (caucho de silicona/compuesto Huntite):

● Resistencia a la tracción: 5,68 ± 0,25 MPa

● Elongación de rotura: 147,7 ± 8,5%

● Índice límite de oxígeno (LOI): 30,2 ± 0,8%

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

● Densidad de humo (cámara de humo NBS): 75 ± 5

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

Material aislante (XLPE modificado):

● Resistividad de volumen: 6,5×10⊃1;⁴ ± 0,5×10⊃1;⁴ Ω·cm

● Rigidez dieléctrica: 35,2 ± 1,5 kV/mm

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

● Factor de disipación (50 Hz): 0,0005 ± 0,0001

● Resistencia a la tracción: 18,3 ± 0,8 MPa

● Elongación de rotura: 352 ± 18%

● Resistencia al cultivo acuático: Pasó la prueba acelerada de cultivo acuático de 42 días.

Material conductor (cobre libre de oxígeno):

● Conductividad: 101,2 ± 0,5 % IACS

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

● Resistencia a la tracción: 220 ± 10 MPa

● Alargamiento: 35 ± 3%

5.2 Evaluación integral del rendimiento del cable

El cable de alimentación desarrollado, resistente al desgaste, de alta resistencia y altamente retardante de llama, se sometió a una prueba de rendimiento integral, con los siguientes resultados:

Resultados de la prueba de retardo de llama:

26. Prueba de llama vertical de un solo cable IEC 60332-1: Pasó , longitud carbonizada 1,8 m.

27. Prueba de llama vertical IEC 60332-3A para cables agrupados: aprobada , altura de propagación de la llama 1,2 m.

28. Prueba de resistencia al fuego IEC 60331: Pasó , mantuvo la continuidad eléctrica a 750 °C durante 3 horas.

29. Prueba de fuego integral BS 6387:

○ Prueba C: Pasó y mantuvo la integridad del circuito a 950 °C durante 3 horas.

○ Prueba W: Pasó y mantuvo la integridad del circuito en condiciones de pulverización de agua.

○ Prueba Z: Pasó y mantuvo la integridad del circuito bajo impacto mecánico.

○ Calificación general: CWZ (calificación más alta).

30. Prueba UL 910 (CMP): Pasada , longitud de propagación de la llama ≤ 1,5 m.

31. Clase de comportamiento frente al fuego EN 50575: Clase B1 (clase más alta).

Resultados de la prueba de rendimiento mecánico:

32. Resistencia a la tracción: Resistencia a la tracción longitudinal 52,5 ± 2,5 kN.

33. Rendimiento de flexión:

○ Ciclos de doblado repetidos: >30.000 ciclos (sin daños).

○ Radio de Curvatura Mínimo: 6 veces el diámetro exterior del cable.

32. Resistencia al desgaste:

○ Abrasión Taber: Después de 10.000 ciclos, profundidad de desgaste < 0,5 mm.

○ Abrasión por raspado: pasó la prueba estándar ISO 6722.

33. Desempeño de Impacto:

○ Impacto del peso por caída: No hay daños visibles con una energía de impacto de 5 J.

○ Impacto pendular: Resistencia al impacto 45 kJ/m².

34. Rendimiento de compresión:

○ Compresión de placa plana: tasa de deformación < 15 % bajo una presión de 1000 N, tasa de recuperación > 85 %.

Resultados de la prueba de rendimiento eléctrico:

35. Resistencia del conductor: Cumple con los requisitos del estándar GB/T 3956.

36. Resistencia de aislamiento: > 5.000 MΩ·km (a 20°C).

37. Tensión soportada de frecuencia industrial: Pasó la prueba de 3,5 U₀/5 min, sin averías.

38. Descarga parcial: < 3 pC (a voltaje de 1,73U₀).

39. Capacitancia y pérdida dieléctrica: Cumple con los requisitos de diseño.

Resultados de la prueba de idoneidad ambiental:

40. Prueba de envejecimiento térmico (200°C/168h):

○ Retención de resistencia a la tracción: > 85%.

○ Retención de alargamiento a la rotura: > 80%.

○ Tasa de cambio de resistencia de aislamiento: <20%.

41. Prueba de resistencia al aceite (70°C/24h):

○ Tasa de cambio de peso: <2%.

○ Tasa de retención del rendimiento mecánico: > 90 %.

42. Prueba de resistencia a la corrosión química:

○ Inmersión en solución de ácido sulfúrico al 10 % durante 168 h: sin cambios en la apariencia, tasa de retención del rendimiento > 85 %.

○ Inmersión en solución de hidróxido de sodio al 10 % durante 168 h: sin cambios en la apariencia, tasa de retención del rendimiento > 88 %.

43. Prueba de resistencia al calor húmedo (40°C, 95% RH / 1000h):

○ Resistencia de aislamiento: > 1.000 MΩ·km.

○ Apariencia: Sin moho ni corrosión.

44. Prueba de resistencia ultravioleta (UV) (1000 h):

○ Cambio de color: ΔE < 3.

○ Condición de la superficie: Sin grietas ni formación de tiza.

45. Prueba de rendimiento a baja temperatura (-40°C):

○ Doblado a baja temperatura: pasó la prueba de flexión a -40 °C.

○ Impacto a baja temperatura: pasó la prueba de impacto a -40 °C.

5.3 Comparación de rendimiento con cables tradicionales

Para evaluar objetivamente la innovación de esta investigación, se realizó una comparación de rendimiento entre el cable desarrollado y los productos de cable convencionales disponibles en el mercado:

	Indicadores de desempeño	Cables de PVC tradicionales	Cables XLPE estándar	Los cables investigados en este estudio.	Mejora
Resistencia a la abrasión	Pobre (abrasión Taber > 200 mg)	Moderado (abrasión Taber 150 mg)	Excelente (Taber abrasión 35 mg)	Aumentó en un 76%
Calificación retardante de llama	VW-1	V-0	CWZ	La calificación más alta
Resistencia a la tracción	15MPa	18MPa	25MPa	Aumentó en un 39%
Temperatura de funcionamiento	70 ℃	90℃	110℃	Aumentó en un 22%
Resistencia química	Pobre	Moderado	Excelente	Significativamente mejorado
Vida útil	15 años	20 años	> 30 años	Ampliado en un 50%
Costo de mantenimiento	Alto	Moderado	Bajo	Reducido en un 40%

Como se puede ver en los resultados de la comparación, el cable desarrollado en este estudio supera significativamente a los productos de cable tradicionales en todas las métricas de rendimiento. Cabe destacar que en términos de resistencia a la abrasión y retardo de llama, cumple con los más altos estándares internacionales.

5.4 Análisis de confiabilidad a largo plazo

Para evaluar la confiabilidad a largo plazo de los cables, se realizaron pruebas de envejecimiento acelerado y análisis de predicción de vida útil:

Prueba de envejecimiento acelerado:

1. Prueba de envejecimiento térmico: Se realizaron pruebas de envejecimiento acelerado a tres temperaturas (140 °C, 150 °C y 160 °C) de acuerdo con la ecuación de Arrhenius, con duraciones de prueba de 1000 h, 500 h y 250 h, respectivamente.

2. Prueba de envejecimiento por calor húmedo: Se realizó una prueba de envejecimiento acelerado durante 1000 horas en condiciones de 85°C y 85% de humedad relativa.

3. Prueba de envejecimiento por tensión mecánica: La prueba de envejecimiento se realizó durante 1000 horas bajo tensión de tracción constante (50% de la resistencia a la rotura).

Resultados de la predicción de la vida útil:

A partir de los datos de las pruebas de envejecimiento acelerado, se aplicó el modelo de Arrhenius para predecir la esperanza de vida:

● A una temperatura de funcionamiento de 90°C, la vida útil prevista es de 35 años (con un 90% de confianza);

● A una temperatura de funcionamiento de 105°C, la vida útil prevista es de 25 años (con un 90% de confianza);

● En condiciones extremas (120 °C), la vida útil prevista es de 15 años (con un 90 % de confianza).

Análisis del modo de falla: A través de pruebas de confiabilidad a largo plazo, se identificaron los principales modos de falla del cable:

4. Envejecimiento del aislamiento: la escisión de la cadena molecular en XLPE bajo altas temperaturas prolongadas conduce a la degradación de las propiedades eléctricas.

5. Delaminación de la interfaz: las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre las capas de material causan tensión en la interfaz, lo que potencialmente conduce a la delaminación.

6. Fatiga mecánica: La flexión y vibración repetidas provocan daños por fatiga del material.

7. Corrosión ambiental: La corrosión química y la exposición a los rayos UV provocan una degradación del rendimiento del material.

Medidas de protección correspondientes tomadas en este estudio:

8. Formulación optimizada del material aislante para mejorar la estabilidad térmica.

9. Tecnología de tratamiento de interfaz aplicada para mejorar la fuerza de unión entre capas.

10. Diseñó una estructura racional para reducir la concentración de tensiones.

11. Materiales seleccionados resistentes a la intemperie para mejorar la adaptabilidad ambiental.

6. Perspectivas de aplicación y perspectivas futuras
6.1 Análisis del dominio de aplicación

El cable de alimentación ignífugo, resistente al desgaste y de alta resistencia, con su excelente rendimiento integral, ofrece amplias perspectivas de aplicación en múltiples campos:

1. Industria Minera:

● Escenarios de aplicación: equipos de minería subterránea, sistemas de transporte, sistemas de iluminación, etc.

● Requisitos Técnicos: Alta resistencia a la abrasión, a prueba de explosiones, retardante de llama y resistente al impacto mecánico.

● Potencial de mercado: el mercado de cables para minería de China está valorado en aproximadamente ¥20 mil millones al año, con una fuerte demanda de productos de alta gama.

2. Ingeniería costa afuera:

● Escenarios de aplicación: Plataformas marinas, cables submarinos, sistemas de energía para barcos.

● Requisitos técnicos: Resistencia a la corrosión del agua de mar, tolerancia a alta presión, retardo de llama y larga vida útil.

● Potencial de mercado: Con el desarrollo acelerado de los recursos marinos, la demanda de cables especializados está creciendo rápidamente.

3. Tránsito ferroviario:

● Escenarios de aplicación: Metro, tren de alta velocidad, sistemas eléctricos de ferrocarril urbano.

● Requisitos Técnicos: Seguridad contra incendios, resistencia a vibraciones, baja emisión de humos y libre de halógenos.

● Potencial de mercado: El continuo y rápido desarrollo de la construcción de transporte ferroviario en China impulsa un crecimiento constante de la demanda de cable.

4. Automatización Industrial:

● Escenarios de Aplicación: Robots, líneas de producción automatizadas, sistemas logísticos.

● Requisitos técnicos: alta flexibilidad, resistencia al aceite y la contaminación y capacidades antiinterferentes.

● Potencial de mercado: el avance de la fabricación inteligente está aumentando la demanda de cables especializados.

5. Nuevo Sector Energético:

● Escenarios de Aplicación: Energía eólica, generación de energía fotovoltaica, sistemas de almacenamiento de energía.

● Requisitos técnicos: resistencia a la intemperie, resistencia a los rayos UV, rendimiento a altas temperaturas.

● Potencial de mercado: el rápido desarrollo de nuevas energías impulsa una fuerte demanda de cables de soporte.。

6.2 Perspectivas de industrialización

Basándose en la alineación de las ventajas tecnológicas y la demanda del mercado, los resultados de la investigación demuestran perspectivas prometedoras de industrialización:

Ventajas Tecnológicas:

12. Desempeño líder: el desempeño integral cumple con los estándares internacionales.

13. Costos controlables: la alta tasa de localización de materias primas garantiza costos de fabricación competitivos.

14. Procesos maduros: Los procesos de fabricación optimizados son adecuados para la producción a gran escala.

15. Estándares integrales: los productos cumplen con los estándares nacionales e internacionales, lo que garantiza una alta aceptación en el mercado.

Oportunidades de mercado:

16. Apoyo a las políticas: Las políticas nacionales fomentan la innovación en la fabricación de equipos y materiales de alta gama.

17. Sustitución de importaciones: La dependencia a largo plazo de cables importados de alta gama crea una demanda urgente de alternativas producidas en el país.

18. Modernización industrial: La modernización de las industrias tradicionales aumenta la demanda de cables de alto rendimiento.

19. Iniciativa de la Franja y la Ruta: Los proyectos de construcción de infraestructura en el extranjero presentan nuevas oportunidades de mercado.

Vía de industrialización:

20. Transferencia de Tecnología: Colaborar con empresas fabricantes de cables para la transferencia de tecnología y la industrialización.

21. Construcción de líneas de producción: Establecer líneas de producción dedicadas para lograr una fabricación a gran escala.

22. Promoción de mercado: Promover las aplicaciones de productos a través de certificaciones industriales y proyectos de demostración.

23. Innovación continua: Establecer un centro de investigación y desarrollo para actualizaciones continuas de productos e innovación tecnológica.

Previsión de beneficios económicos:

● Inversión inicial: Inversión en la construcción de la línea de producción de aproximadamente ¥50 millones.

● Capacidad de Producción Anual: Capacidad anual diseñada de 10.000 kilómetros.

● Valor de producción anual: Valor de producción anual estimado de aproximadamente ¥500 millones en plena producción.

● Período de recuperación de la inversión: se prevé que sea de 3 a 4 años.

● Beneficios Sociales: Reducir pérdidas por fallas de cables y mejorar la seguridad de los sistemas eléctricos.

6.3 Direcciones de investigación futuras

Sobre la base de este estudio y las tendencias de desarrollo en la tecnología de cables, se proponen las siguientes direcciones de investigación futuras:

1. Tecnología de cable inteligente:

● Objetivo de la investigación: Desarrollar cables inteligentes con capacidades de monitoreo de condición.

● Tecnologías clave: sensores integrados, tecnología de transmisión de datos, algoritmos de evaluación de condición.

● Perspectivas de aplicación: Habilitar la predicción de fallas en los cables y el mantenimiento preventivo.

2. Tecnología de cables superconductores:

● Objetivo de la investigación: Desarrollar cables de alimentación superconductores de alta temperatura.

● Tecnologías clave: materiales superconductores, sistemas de refrigeración criogénica, tecnología de juntas.

● Perspectivas de Aplicación: Transmisión de energía eléctrica de alta capacidad y bajas pérdidas.

3. Materiales de cables ecológicos:

● Objetivo de la investigación: Desarrollar materiales para cables biodegradables y reciclables, respetuosos con el medio ambiente.

● Tecnologías clave: polímeros de origen biológico, retardantes de llama ecológicos, tecnología de reciclaje.

● Perspectivas de aplicación: Reducir el impacto ambiental de los residuos de cables.

4. Adaptabilidad al entorno extremo:

● Objetivo de la investigación: Desarrollar cables adecuados para entornos extremos (por ejemplo, regiones polares, aguas profundas, espacio).

● Tecnologías clave: adaptabilidad a temperaturas extremas, tolerancia a altas presiones, protección contra la radiación.

● Perspectivas de Aplicación: Apoyar proyectos de ingeniería e investigación científica en ambientes extremos.

5. Cables integrados multifuncionales:

● Objetivo de la investigación: Desarrollar cables compuestos que integren transmisión de energía, transmisión de señales y funciones de detección.

● Tecnologías clave: Diseño de compatibilidad electromagnética, aislamiento multicanal, optimización de la integración funcional.

● Perspectivas de aplicación: Simplifique el cableado del sistema y mejore la integración y confiabilidad del sistema.

6. Aplicación de Nanomateriales en Cables:

● Objetivo de la investigación: explorar los efectos de mejora del rendimiento de los nanomateriales en los cables.

● Tecnologías clave: tecnología de dispersión de nanomateriales, modificación de interfaces, mecanismos de sinergia de rendimiento.

● Perspectivas de aplicación: Desarrollar materiales para cables nanocompuestos de alto rendimiento y próxima generación.

7. Predicción de la vida del cable y gestión del estado:

● Objetivo de la investigación: Establecer un sistema de gestión del estado del ciclo de vida completo de los cables.

● Tecnologías clave: investigación del mecanismo de envejecimiento, predicción de vida restante, tecnología de monitoreo inteligente.

● Perspectivas de aplicación: Optimice la gestión de activos de cable y respalde la toma de decisiones de mantenimiento.

8. Procesos inteligentes de fabricación de cables:

● Objetivo de Investigación: Lograr el control inteligente y la optimización de los procesos de fabricación de cables.

● Tecnologías clave: Internet industrial de las cosas, análisis de big data, algoritmos de control inteligentes.

● Perspectivas de aplicación: Mejorar la eficiencia de fabricación y garantizar una calidad constante del producto.

7. Conclusiones

Este estudio llevó a cabo sistemáticamente el desarrollo de cables de alimentación resistentes al desgaste, de alta resistencia y retardantes de llama, logrando los siguientes resultados clave:

1. Innovaciones materiales:

● Desarrollé un material de cubierta exterior de poliuretano modificado con nanocompuestos, que mejora la resistencia al desgaste en un 76% en comparación con los materiales tradicionales, con un índice límite de oxígeno (LOI) del 28,5% y cumple con el estándar de retardo de llama UL 94 V-0.

● Desarrollé un material ignífugo compuesto de caucho de silicona/huntita con un LOI del 30,2 %, superando la prueba de resistencia al fuego de más alto nivel BS 6387 CWZ.

● Optimicé la formulación del material aislante XLPE, logrando una resistividad volumétrica de 6,5×10⊃1;⁴ Ω·cm, una rigidez dieléctrica de 35,2 kV/mm y elevando la temperatura de funcionamiento a largo plazo a 105°C.

● Se utilizaron conductores de cobre libres de oxígeno de alta pureza con una conductividad del 101,2 % IACS, lo que garantiza un excelente rendimiento eléctrico.

2. Diseño Estructural:

● Propuso un diseño estructural compuesto multicapa, logrando una optimización sinérgica de las capas funcionales.

● Diseñé estructuras de interfaz y distribución de espesor razonables para garantizar el rendimiento general del cable.

● Parámetros de cableado de conductores y procesos de compactación optimizados, mejorando la flexibilidad y eficiencia espacial del cable.

3. Procesos de Fabricación:

● Estableció un proceso de fabricación completo, que incluye producción de conductores, extrusión de aislamiento, fabricación de capas de blindaje, cableado, producción de capas de armadura, extrusión de capas retardantes de llama y extrusión de cubiertas exteriores.

● Rangos de control definidos para parámetros clave del proceso para garantizar la consistencia de la calidad del producto.

● Se adoptaron tecnologías avanzadas de detección en línea para el monitoreo en tiempo real del proceso de fabricación.

4. Pruebas de rendimiento:

● Estableció un sistema integral de pruebas de desempeño, que cubre retardo de llama, propiedades mecánicas, desempeño eléctrico y adaptabilidad ambiental.

● Los resultados de las pruebas confirmaron que los cables desarrollados superaron los más altos estándares internacionales, incluidos IEC 60332-3A, BS 6387 CWZ y ​​UL 910 (CMP).

● El rendimiento general del cable supera significativamente a los productos tradicionales, con una vida útil estimada superior a los 35 años.

5.Perspectivas de aplicación:

● El cable demuestra un amplio potencial de aplicación en campos como la minería, la ingeniería offshore, el tránsito ferroviario, la automatización industrial y las nuevas energías.

● Perspectivas prometedoras de industrialización con alta madurez tecnológica y fuerte competitividad en el mercado.

● Propuso direcciones de investigación futuras para sentar las bases de avances continuos en la tecnología del cable.

Aspectos destacados innovadores de este estudio:

24. Innovación en sistemas de materiales: primera aplicación de rellenos minerales compuestos dehuntita/hidromagnesita en materiales de cables de caucho de silicona, logrando un gran avance en el rendimiento retardante de llama.

25. Innovación en el diseño estructural: se introdujo una filosofía de diseño compuesto multicapa de separación funcional y mejora sinérgica, abordando las limitaciones de los cables tradicionales en cuanto a rendimiento integral.

26. Innovación en el proceso de fabricación: control optimizado de los parámetros clave del proceso, lo que permite una producción estable de cables de alto rendimiento.

27. Innovación en sistemas de pruebas: Estableció un marco integral de pruebas de rendimiento, que proporciona una base científica para la evaluación de la calidad de los productos de cable.

El cable de alimentación resistente al desgaste, de alta resistencia y retardante de llama desarrollado en este estudio no solo llena un vacío tecnológico en los productos de cable domésticos de alta gama, sino que también tiene una importancia significativa para mejorar la seguridad y confiabilidad de los sistemas de energía. Con el avance de la industrialización y la expansión del mercado, se espera que este producto alcance una aplicación generalizada en múltiples campos, generando importantes beneficios económicos y sociales.

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