مواد كابلات الجهد العالي للمركبات الكهربائية وعملية تحضيرها

يضطلع قطاع صناعة السيارات العاملة بالطاقة الجديدة بمهمة مزدوجة تتمثل في التحول الصناعي وتحسين البيئة وحمايتها، مما يدفع بقوة نحو تطوير صناعة كابلات الجهد العالي وملحقاتها الأخرى للسيارات الكهربائية. وقد استثمر مصنّعو الكابلات وهيئات الاعتماد جهودًا كبيرة في البحث والتطوير لكابلات الجهد العالي للسيارات الكهربائية. تتطلب كابلات الجهد العالي للسيارات الكهربائية أداءً عاليًا في جميع الجوانب، ويجب أن تستوفي معايير RoHSb، ومتطلبات معيار UL94V-0 لمقاومة اللهب، بالإضافة إلى خصائص الأداء العالي. تتناول هذه الورقة البحثية المواد المستخدمة وتقنيات تصنيع كابلات الجهد العالي للسيارات الكهربائية.

1. مادة كابل الجهد العالي
(1) مادة موصل الكابل
يوجد حاليًا مادتان رئيسيتان لطبقة موصل الكابلات: النحاس والألومنيوم. تعتقد بعض الشركات أن قلب الألومنيوم يُمكن أن يُخفض تكاليف الإنتاج بشكل كبير، وذلك بإضافة النحاس والحديد والمغنيسيوم والسيليكون وعناصر أخرى إلى الألومنيوم النقي، من خلال عمليات خاصة كالتصنيع والمعالجة الحرارية، لتحسين التوصيل الكهربائي، ومقاومة الانحناء، ومقاومة التآكل للكابل، بهدف تلبية متطلبات نفس سعة التحميل، وتحقيق نفس أداء موصلات قلب النحاس أو حتى أفضل. وبالتالي، يتم توفير تكاليف الإنتاج بشكل كبير. مع ذلك، لا تزال معظم الشركات تعتبر النحاس المادة الرئيسية لطبقة الموصل، أولًا لانخفاض مقاومته، وثانيًا لتفوقه على الألومنيوم في معظم خصائصه، مثل سعة نقل التيار العالية، وفقدان الجهد المنخفض، واستهلاك الطاقة المنخفض، والموثوقية العالية. في الوقت الحالي، يُستخدم عادةً في اختيار الموصلات المعيار الوطني السادس للموصلات المرنة (حيث يجب أن تتجاوز استطالة السلك النحاسي الواحد 25%، وأن يكون قطر السلك الأحادي أقل من 0.30 مم) لضمان مرونة ومتانة السلك النحاسي الأحادي. يوضح الجدول 1 المعايير التي يجب استيفاؤها لمواد الموصلات النحاسية شائعة الاستخدام.

(2) مواد الطبقة العازلة للكابلات
البيئة الداخلية للمركبات الكهربائية معقدة، وعند اختيار مواد العزل، يجب من جهة ضمان الاستخدام الآمن لطبقة العزل، ومن جهة أخرى اختيار مواد سهلة التصنيع وشائعة الاستخدام قدر الإمكان. حالياً، تُعد مادة البولي فينيل كلوريد (PVC) من مواد العزل الشائعة الاستخدام.البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، مطاط السيليكون، واللدائن الحرارية المرنة (TPE)، وما إلى ذلك، وتظهر خصائصها الرئيسية في الجدول 2.
ومن بينها، يحتوي PVC على الرصاص، لكن توجيه RoHS يحظر استخدام الرصاص والزئبق والكادميوم والكروم سداسي التكافؤ وثنائي فينيل الإيثر متعدد البروم (PBDE) وثنائي فينيل متعدد البروم (PBB) وغيرها من المواد الضارة، لذلك في السنوات الأخيرة تم استبدال PVC بمادة XLPE ومطاط السيليكون وTPE وغيرها من المواد الصديقة للبيئة.

(3) مادة طبقة حماية الكابل
تنقسم طبقة الحماية إلى جزأين: طبقة حماية شبه موصلة وطبقة حماية مضفرة. تُعد المقاومة الحجمية لمادة الحماية شبه الموصلة عند درجتي حرارة 20 درجة مئوية و90 درجة مئوية وبعد التقادم مؤشرًا تقنيًا هامًا لقياس مادة الحماية، وهو ما يحدد بشكل غير مباشر العمر الافتراضي لكابل الجهد العالي. تشمل مواد الحماية شبه الموصلة الشائعة مطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR) وكلوريد البولي فينيل (PVC) و...البولي إيثيلين (PE)المواد الأساسية. في حالة عدم وجود ميزة للمواد الخام وعدم إمكانية تحسين مستوى الجودة على المدى القصير، تركز مؤسسات البحث العلمي ومصنعو مواد الكابلات على البحث في تكنولوجيا المعالجة ونسبة تركيبة مادة الحماية، ويسعون إلى الابتكار في نسبة تركيب مادة الحماية لتحسين الأداء العام للكابل.

2. عملية تحضير كابل الجهد العالي
(1) تقنية أسلاك الموصل
لقد تطورت عملية تصنيع الكابلات الأساسية على مدى فترة طويلة، ولذا توجد مواصفات قياسية خاصة بها في الصناعة والمؤسسات. في عملية سحب الأسلاك، وبناءً على طريقة فكّ التواء السلك الواحد، يمكن تقسيم معدات التجديل إلى آلة فكّ التواء التجديل، وآلة فكّ التواء التجديل، وآلة فكّ التواء/فكّ التواء التجديل. نظرًا لارتفاع درجة حرارة تبلور موصل النحاس، وطول مدة ودرجة حرارة التلدين، يُفضّل استخدام آلة فكّ التواء التجديل لإجراء السحب المستمر للأسلاك الأحادية، وذلك لتحسين استطالة السلك ومعدل كسره أثناء السحب. حاليًا، حلّ كابل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) محل كابل الورق الزيتي تمامًا في نطاق جهد يتراوح بين 1 و500 كيلوفولت. توجد عمليتان شائعتان لتشكيل موصلات XLPE: الضغط الدائري ولفّ الأسلاك. من جهة، يمنع قلب السلك تعرضه لدرجات الحرارة والضغط العاليين في الأنابيب المتشابكة، مما يحمي مادة التدريع والعزل من التلف الناتج عن تدفق الأسلاك المجدولة. ومن جهة أخرى، يمنع تسرب الماء على طول مسار الموصل، مما يضمن التشغيل الآمن للكابل. يتكون الموصل النحاسي نفسه من بنية مجدولة متحدة المركز، ويتم إنتاجه غالبًا باستخدام آلات التجديل التقليدية، مثل آلات التجديل ذات الإطار والشوكة. وبالمقارنة مع عملية الضغط الدائري، يضمن هذا الأسلوب تشكيلًا دائريًا للموصل.

(2) عملية إنتاج عزل كابلات XLPE
لإنتاج كابل XLPE عالي الجهد، تعتبر عملية الربط الجاف المعلق (CCV) وعملية الربط الجاف العمودي (VCV) عمليتين تشكيليتين.

(3) عملية البثق
في السابق، كان مصنّعو الكابلات يستخدمون عملية بثق ثانوية لإنتاج قلب عازل الكابل، حيث تتضمن الخطوة الأولى بثق طبقة عازلة ودرع موصل في آنٍ واحد، ثم يتم ربطها ولفّها على صينية الكابل، ووضعها لفترة من الزمن، ثم بثق طبقة العزل. خلال سبعينيات القرن الماضي، ظهرت عملية بثق ثلاثية الطبقات (1+2) في قلب السلك المعزول، مما يسمح بإتمام الحماية والعزل الداخلي والخارجي في عملية واحدة. تبدأ هذه العملية ببثق درع الموصل، وبعد مسافة قصيرة (2-5 أمتار)، يتم بثق طبقة العزل ودرع العزل فوق درع الموصل في الوقت نفسه. مع ذلك، تعاني الطريقتان الأوليان من عيوب كبيرة، لذا في أواخر تسعينيات القرن الماضي، قدّم مورّدو معدات إنتاج الكابلات عملية إنتاج بالبثق المشترك ثلاثي الطبقات، حيث يتم بثق درع الموصل والعزل ودرع العزل في آنٍ واحد. قبل بضع سنوات، أطلقت دول أجنبية أيضًا تصميمًا جديدًا لرأس أسطوانة الطارد ولوحة شبكية منحنية، وذلك من خلال موازنة ضغط تدفق تجويف رأس البرغي لتخفيف تراكم المواد، وتمديد وقت الإنتاج المستمر، كما أن استبدال التغيير المستمر لمواصفات تصميم الرأس يمكن أن يوفر بشكل كبير تكاليف وقت التوقف ويحسن الكفاءة.

3. الخاتمة
تتمتع مركبات الطاقة الجديدة بآفاق نمو واعدة وسوق ضخمة، مما يستدعي إنتاج سلسلة من كابلات الجهد العالي ذات قدرة تحمل عالية، ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة، وتأثير حماية كهرومغناطيسية فعال، ومقاومة للانحناء، ومرونة، وعمر تشغيلي طويل، وغيرها من الخصائص الممتازة، وذلك بهدف دخول السوق وكسب حصة سوقية. تتمتع مواد كابلات الجهد العالي للمركبات الكهربائية وعمليات تصنيعها بآفاق تطوير واسعة. ولا يمكن للمركبات الكهربائية تحسين كفاءة الإنتاج وضمان سلامة الاستخدام دون كابلات الجهد العالي.