วัสดุสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและกระบวนการเตรียม

ยุคใหม่ของอุตสาหกรรมรถยนต์พลังงานใหม่แบกรับภารกิจสองประการ คือ การเปลี่ยนแปลงและยกระดับอุตสาหกรรม และการปกป้องสิ่งแวดล้อม ซึ่งผลักดันการพัฒนาอุตสาหกรรมสายเคเบิลแรงดันสูงและอุปกรณ์เสริมอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าอย่างมาก และผู้ผลิตสายเคเบิลและหน่วยงานรับรองได้ทุ่มเทพลังงานอย่างมากในการวิจัยและพัฒนาสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า สายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้ามีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสูงในทุกด้าน และต้องเป็นไปตามมาตรฐาน RoHSb มาตรฐานการหน่วงไฟ UL94V-0 และคุณสมบัติด้านความอ่อนนุ่ม บทความนี้จะนำเสนอวัสดุและเทคโนโลยีการผลิตสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

1. วัสดุของสายเคเบิลแรงดันสูง
(1) วัสดุตัวนำของสายเคเบิล
ปัจจุบัน วัสดุหลักที่ใช้ทำตัวนำในสายเคเบิลมีอยู่ 2 ชนิด คือ ทองแดงและอลูมิเนียม บริษัทบางแห่งคิดว่าการใช้แกนอลูมิเนียมจะช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก โดยการเติมทองแดง เหล็ก แมกนีเซียม ซิลิคอน และธาตุอื่นๆ ลงในวัสดุอลูมิเนียมบริสุทธิ์ ผ่านกระบวนการพิเศษ เช่น การสังเคราะห์และการอบชุบ เพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้า ความสามารถในการดัดงอ และความต้านทานการกัดกร่อนของสายเคเบิล เพื่อให้ได้คุณสมบัติที่เทียบเท่าหรือดีกว่าตัวนำแกนทองแดงในด้านความสามารถในการรับน้ำหนักเท่ากัน จึงช่วยประหยัดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม บริษัทส่วนใหญ่ยังคงเลือกใช้ทองแดงเป็นวัสดุหลักสำหรับตัวนำ เนื่องจากประการแรก ทองแดงมีความต้านทานต่ำ และประการที่สอง คุณสมบัติส่วนใหญ่ของทองแดงดีกว่าอลูมิเนียมในระดับเดียวกัน เช่น ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าสูง การสูญเสียแรงดันต่ำ การใช้พลังงานต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง ในปัจจุบัน การเลือกใช้ตัวนำไฟฟ้าโดยทั่วไปจะใช้มาตรฐานตัวนำอ่อนระดับ 6 ของประเทศ (การยืดตัวของเส้นลวดทองแดงเดี่ยวต้องมากกว่า 25% และเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดเดี่ยวต้องน้อยกว่า 0.30) เพื่อให้มั่นใจถึงความอ่อนนุ่มและความเหนียวของเส้นลวดทองแดงเดี่ยว ตารางที่ 1 แสดงมาตรฐานที่ต้องปฏิบัติตามสำหรับวัสดุตัวนำทองแดงที่ใช้กันทั่วไป

(2) วัสดุชั้นฉนวนของสายเคเบิล
สภาพแวดล้อมภายในของรถยนต์ไฟฟ้ามีความซับซ้อน ในการเลือกวัสดุฉนวนนั้น ในด้านหนึ่งต้องมั่นใจได้ถึงความปลอดภัยในการใช้งานชั้นฉนวน ในอีกด้านหนึ่ง ควรเลือกวัสดุที่ง่ายต่อการแปรรูปและใช้งานอย่างแพร่หลายให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปัจจุบัน วัสดุฉนวนที่ใช้กันทั่วไปคือ โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC)โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้าม (XLPE)เช่น ยางซิลิโคน เทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE) เป็นต้น และคุณสมบัติหลักของวัสดุเหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่ 2
ในบรรดาวัสดุเหล่านั้น PVC มีส่วนประกอบของตะกั่ว แต่ข้อกำหนด RoHS ห้ามการใช้ตะกั่ว ปรอท แคดเมียม โครเมียมเฮกซาวาเลนต์ โพลีโบรมีเนตไดฟีนิลอีเทอร์ (PBDE) และโพลีโบรมีเนตไบฟีนิล (PBB) และสารอันตรายอื่นๆ ดังนั้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา PVC จึงถูกแทนที่ด้วย XLPE ยางซิลิโคน TPE และวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอื่นๆ

(3) วัสดุชั้นป้องกันสายเคเบิล
ชั้นป้องกันแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ ชั้นป้องกันแบบกึ่งตัวนำและชั้นป้องกันแบบถัก ค่าความต้านทานปริมาตรของวัสดุป้องกันแบบกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิ 20°C และ 90°C และหลังจากผ่านการทดสอบการเสื่อมสภาพแล้ว เป็นดัชนีทางเทคนิคที่สำคัญในการวัดวัสดุป้องกัน ซึ่งจะกำหนดอายุการใช้งานของสายเคเบิลแรงสูงโดยอ้อม วัสดุป้องกันแบบกึ่งตัวนำที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ยางเอทิลีนโพรพิลีน (EPR) โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) และโพลีเอทิลีน (PE)ในกรณีที่วัตถุดิบไม่มีข้อได้เปรียบและคุณภาพไม่สามารถปรับปรุงได้ในระยะสั้น สถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตวัสดุสำหรับสายเคเบิลจะมุ่งเน้นไปที่การวิจัยเทคโนโลยีการแปรรูปและอัตราส่วนสูตรของวัสดุหุ้มฉนวน และแสวงหานวัตกรรมในอัตราส่วนองค์ประกอบของวัสดุหุ้มฉนวนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของสายเคเบิล

2. กระบวนการเตรียมสายเคเบิลแรงดันสูง
(1) เทคโนโลยีเส้นลวดตัวนำ
กระบวนการพื้นฐานในการผลิตสายเคเบิลได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานาน ดังนั้นจึงมีข้อกำหนดมาตรฐานเฉพาะในอุตสาหกรรมและองค์กรต่างๆ ในกระบวนการดึงลวดนั้น ตามโหมดการคลายเกลียวของลวดเดี่ยว อุปกรณ์การตีเกลียวสามารถแบ่งออกเป็นเครื่องคลายเกลียวแบบดึงต่อเนื่อง เครื่องคลายเกลียวแบบดึงต่อเนื่อง และเครื่องคลายเกลียว/คลายเกลียวแบบดึงต่อเนื่อง เนื่องจากอุณหภูมิการตกผลึกของตัวนำทองแดงสูง อุณหภูมิและเวลาในการอบอ่อนจึงนานขึ้น จึงเหมาะสมที่จะใช้อุปกรณ์เครื่องคลายเกลียวแบบดึงต่อเนื่องเพื่อทำการดึงลวดเดี่ยวอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับปรุงอัตราการยืดตัวและการแตกหักของการดึงลวด ปัจจุบัน สายเคเบิลโพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้าม (XLPE) ได้เข้ามาแทนที่สายเคเบิลกระดาษน้ำมันอย่างสมบูรณ์แล้วในระดับแรงดันระหว่าง 1 ถึง 500 กิโลโวลต์ มีกระบวนการขึ้นรูปตัวนำทั่วไปสองวิธีสำหรับตัวนำ XLPE คือ การอัดแบบวงกลมและการบิดลวด ในด้านหนึ่ง แกนลวดสามารถหลีกเลี่ยงอุณหภูมิสูงและความดันสูงในท่อที่เชื่อมโยงกัน ซึ่งอาจทำให้วัสดุหุ้มฉนวนและวัสดุป้องกันถูกกดเข้าไปในช่องว่างของลวดตีเกลียวและก่อให้เกิดความเสียหาย ในอีกด้านหนึ่ง ยังสามารถป้องกันการซึมของน้ำตามทิศทางของตัวนำเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยของสายเคเบิล ตัวนำทองแดงเองมีโครงสร้างการตีเกลียวแบบศูนย์กลาง ซึ่งส่วนใหญ่ผลิตโดยเครื่องตีเกลียวแบบเฟรมทั่วไป เครื่องตีเกลียวแบบง่าม ฯลฯ เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการอัดแบบวงกลมแล้ว สามารถรับประกันได้ว่าการตีเกลียวตัวนำจะมีรูปทรงกลม

(2) กระบวนการผลิตฉนวนสายเคเบิล XLPE
ในการผลิตสายเคเบิล XLPE แรงดันสูง กระบวนการขึ้นรูปสองแบบ ได้แก่ การเชื่อมโยงข้ามแบบแห้งรูปโค้ง (CCV) และการเชื่อมโยงข้ามแบบแห้งแนวตั้ง (VCV)

(3) กระบวนการอัดรีด
ก่อนหน้านี้ ผู้ผลิตสายเคเบิลใช้กระบวนการอัดรีดรองเพื่อผลิตแกนฉนวนสายเคเบิล โดยขั้นตอนแรกจะทำการอัดรีดตัวนำและชั้นฉนวนไปพร้อมกัน จากนั้นจึงทำการเชื่อมโยงและม้วนลงในรางสายเคเบิล ทิ้งไว้ระยะหนึ่ง แล้วจึงทำการอัดรีดฉนวนอีกครั้ง ในช่วงทศวรรษ 1970 กระบวนการอัดรีดสามชั้นแบบ 1+2 ได้ปรากฏขึ้นในแกนสายไฟหุ้มฉนวน ทำให้สามารถทำการป้องกันภายในและภายนอก รวมถึงการหุ้มฉนวนได้ในกระบวนการเดียว กระบวนการนี้จะทำการอัดรีดตัวนำก่อน หลังจากระยะทางสั้นๆ (2-5 เมตร) แล้วจึงทำการอัดรีดฉนวนและฉนวนหุ้มบนตัวนำไปพร้อมกัน อย่างไรก็ตาม วิธีการสองวิธีแรกมีข้อเสียมากมาย ดังนั้นในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ผู้ผลิตอุปกรณ์การผลิตสายเคเบิลจึงได้นำกระบวนการผลิตแบบอัดรีดร่วมสามชั้นมาใช้ ซึ่งทำการอัดรีดตัวนำ ฉนวน และฉนวนหุ้มไปพร้อมกัน เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ประเทศต่าง ๆ ได้เปิดตัวหัวฉีดและแผ่นตะแกรงโค้งแบบใหม่สำหรับเครื่องอัดรีด โดยการปรับสมดุลแรงดันการไหลในช่องหัวฉีดเพื่อลดการสะสมของวัสดุ ยืดเวลาการผลิตต่อเนื่อง และทดแทนการเปลี่ยนขนาดหัวฉีดแบบไม่หยุด ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายจากการหยุดทำงานและเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก

3. บทสรุป
รถยนต์พลังงานใหม่มีแนวโน้มการพัฒนาที่ดีและมีตลาดขนาดใหญ่ จึงจำเป็นต้องมีผลิตภัณฑ์สายเคเบิลแรงดันสูงที่มีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น รับน้ำหนักได้สูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทนต่อการดัดงอ มีความยืดหยุ่น อายุการใช้งานยาวนาน และอื่นๆ เพื่อนำมาผลิตและครองตลาด วัสดุสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและกระบวนการผลิตมีแนวโน้มการพัฒนาที่กว้างขวาง รถยนต์ไฟฟ้าไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและรับประกันความปลอดภัยในการใช้งานได้หากปราศจากสายเคเบิลแรงดันสูง