一种基于MgSi协同调控的铝合金芯电力电缆及其制备方法与流程

本发明涉及电力传输电缆，尤其涉及一种基于mgsi协同调控的铝合金芯电力电缆及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着新能源发电、电动汽车充电基础设施、轨道交通以及新型电力系统建设的快速发展，电力电缆正朝着大容量、轻量化、高可靠性和长寿命方向发展。10kv和35kv作为配电网及区域输电网络的重要电压等级，广泛应用于城市配电系统、新能源发电并网工程、工业园区供电以及轨道交通供电网络等领域。作为电能传输的核心载体，电力电缆导体的导电性能、力学性能以及加工安装性能直接影响输电效率和运行可靠性。

2、目前，电力电缆导体主要采用铜导体，部分采用铝合金导体。铜导体虽然具有优异的导电性能，但存在成本高、质量大、资源消耗高及施工难度大的问题。相比之下，铝合金导体具有质量轻、资源丰富、成本低及安装便利等优点，在输配电领域得到越来越广泛的应用。

3、现有铝合金导体通常采用al-mg-si系可热处理强化铝合金，其强化主要来源于mg和si形成的mg2si析出相。通过控制mg2si析出相的数量、尺寸及分布状态，可有效改善导体的组织结构和力学性能。然而，mg和si元素既参与析出强化，又会影响导体中的电子迁移，因此导体导电率与强度之间始终存在一定的制约关系，如何在保持较高导电率的同时提高导体强度，并兼顾良好的断裂伸长率，是该类铝合金导体研究和应用中的关键技术问题。

4、目前，现有技术仍存在以下不足：

5、（1）mg和si元素含量及质量比控制不合理时，容易导致mg2si析出相粗化或分布不均，甚至形成粗大的第二相组织，不仅削弱析出强化效果，还会增加电子散射，导致导体导电率下降，同时影响导体的强度和塑性，难以实现导电性能与力学性能的合理匹配。

6、（2）现有导体制备工艺多采用常规时效及自然冷却工艺，对mg2si析出相的析出动力学及尺寸分布控制能力有限，难以形成细小、弥散且均匀分布的强化相，导致导体导电性能与力学性能难以实现进一步优化。

7、（3）随着新能源输电、海上风电、光伏发电以及柔性配电网络的发展，电力电缆长期处于复杂载荷、交变温度及振动环境下运行，对导体的导电性能、强度、断裂伸长率及长期服役稳定性提出了更高要求，而现有铝合金导体仍难以兼顾上述性能要求，难以满足复杂工况下的应用需求。

8、因此，亟需提供一种兼具高导电率高强度且塑性优良的铝合金芯电力电缆，以满足10kv和35kv电力电缆对导体综合性能及长期运行可靠性的要求。

技术实现思路

1、针对以上不足，本发明提供一种基于mgsi协同调控的铝合金芯电力电缆及其制备方法，解决了现有铝合金电缆中导电率与强度相互制约、难以实现综合性能优化匹配的技术问题。具体技术方案如下：

2、一种基于mgsi协同调控的铝合金芯电力电缆，所述电缆自内向外依次包括导体、半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、半导电外屏蔽层、金属屏蔽层、填充层、隔离层、铠装层以及外护套层。

3、所述导体采用铝合金制成，其化学成分按质量百分比计包括：si：0.40%～1.20%；mg：0.10%～0.20%；fe：≤0.08%；cu：0.01%～0.05%；余量为al及不可避免的杂质；其中mg/si质量比为0.15～0.50。

4、优选地，所述导体化学成分按质量百分比计包括：si：1.00%；mg：0.20%；fe：0.05%；cu：0.025%；余量为al及不可避免的杂质。

5、所述不可避免杂质中，mn含量≤0.03%，其他单一杂质（包括ti、cr、ni、pb、sn等）含量≤0.03%，杂质总含量≤0.15%。通过控制杂质元素含量，可减少夹杂物和偏析缺陷，改善组织均匀性，提高导体长期运行稳定性。

6、本发明通过限定mg/si质量比例，使合金元素能够形成适量mg2si强化相。当mg/si比例过低时，mg元素不足，mg2si析出强化效果减弱，导体强度提升有限；当mg/si比例过高时，过量mg固溶于铝基体中，增加电子散射作用，同时易导致析出相分布不均，影响导体导电性能。因此，通过合理控制mg/si比例，可为后续析出相调控提供稳定的成分基础。

7、电缆结构适配：针对10kv和35kv不同电压等级的使用要求，对电缆结构参数进行差异化设计：

8、（1）半导电内屏蔽层和半导电外屏蔽层

9、所述半导电内屏蔽层其电阻率≤800ω·m，半导电外屏蔽层其电阻率≤400ω·m；，用于均匀导体与绝缘层之间以及绝缘层与金属屏蔽层之间的电场分布，降低局部电场畸变并抑制局部放电。

10、其中：10kv电缆的半导电内屏蔽层和半导电外屏蔽层厚度均为0.7～1.0mm；35kv电缆的半导电内屏蔽层和半导电外屏蔽层厚度均为0.8～1.1mm。通过优化屏蔽层厚度，可满足不同电压等级下的电场均化要求，提高绝缘系统运行可靠性。

11、（2）交联聚乙烯绝缘层

12、所述绝缘层采用超净交联聚乙烯（xlpe）绝缘料经三层共挤工艺制备。

13、其中：10kv电缆的绝缘层厚度为4.2～5.0mm；35kv电缆的绝缘层厚度为10.0～11.0mm。上述结构既能满足长期工频耐压及冲击耐压要求，又有利于降低电缆外径和材料消耗，提高产品经济性。

14、（3）金属屏蔽层

15、所述金属屏蔽层采用铜带屏蔽结构或铜丝屏蔽结构。

16、其中铜带厚度为0.10～0.20mm。对于截面为50～185mm²的电缆规格，优选采用软铜带重叠绕包结构；对于240～630mm²的大截面电缆规格，优选采用铜丝疏绕，表面可采用反向绕包的铜丝或铜带扎紧，以提高短路电流承载能力、热稳定性能及电磁屏蔽性能。

17、（4）铠装层

18、所述铠装层采用双层钢带绕包铠装结构。

19、其中：钢带厚度为0.50～0.80mm；金属带铠装应螺旋绕包两层，绕包应圆整光滑，使外层金属带的中间部位在内层金属带间隙上方，每层金属带间隙率应不大于50%。铠装层能够有效提高电缆的抗压、抗冲击及抗机械损伤能力，满足直埋敷设、管沟敷设及复杂环境下的长期运行要求。

20、（5）护套层

21、所述护套层采用聚氯乙烯（pvc）护套料、聚乙烯（pe）护套料或无卤低烟阻燃护套料制成。

22、其中：pvc护套具有优良的机械性能和加工性能；pe护套具有优异的耐候性和耐环境应力开裂性能；无卤低烟阻燃护套具有良好的阻燃性能和环保性能。

23、根据不同敷设环境及安全等级要求选择相应护套材料，以满足电缆在城市配电网、新能源电站、轨道交通及工业供电系统中的应用需求。

24、本发明还提供所述电力电缆的制备方法，包括以下步骤：

25、步骤s1：原料配制及熔炼精炼

26、按导体的化学成分比例进行配料和原料清洁处理，将工业纯铝、al-20si中间合金、al-10mg中间合金、al-10fe中间合金及al-50cu中间合金加入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度控制在740～770℃；熔炼完成后采用在线旋转喷吹方式进行精炼除气处理，精炼气体为氮气或氩气，精炼时间10～18min，静置5～12min后扒渣，获得洁净铝合金熔体。

27、步骤s2：连铸连轧成杆

28、将精炼后的铝合金熔体输送至连铸连轧机组进行连续铸轧成形，铸轧温度控制在680～720℃；获得直径为9.5～15mm的铝合金铸杆。

29、步骤s3：均质化处理

30、将铝合金铸杆置于均质化炉中进行热处理，均质化温度为500～540℃，保温3～8h，随后空冷至室温，以消除成分偏析并促进组织均匀化。

31、步骤s4：冷变形加工

32、采用多道次冷轧和冷拉拔工艺对均质化后的铝合金杆进行加工，总变形量控制在85%～95%；冷拉拔速度控制在6～10m/min，最终获得设计规格的铝合金单丝，单丝直径公差控制在±0.01mm。

33、步骤s5：在线连续时效处理

34、将冷拉拔后的铝合金单丝连续通过时效炉进行在线连续时效处理，时效温度控制在180～260℃，保温时间30～180min，促进mg和si元素形成均匀分布的mg2si析出核心。

35、步骤s6：梯度冷却处理

36、在线时效后，导线依次通过一级冷却区、二级冷却区和自然冷却区进行梯度冷却；一级冷却速率为3～8℃/min，二级冷却速率为1～5℃/min，第三阶段自然冷却至室温，以控制mg2si析出相尺寸及分布状态，提高导体导电率和延伸率。

37、步骤s7：导体绞制紧压

38、将多根铝合金单丝采用紧压绞合工艺形成铝合金芯线，绞合节距为芯线直径的12～15倍，紧压系数不低于0.90；其中10kv电缆导体截面为70～500mm²，35kv电缆导体截面为70～630mm²。

39、步骤s8：绝缘层及内外屏蔽层三层共挤

40、在处理后的铝合金芯线外采用三层共挤工艺同步挤包半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层和半导电外屏蔽层。

41、其中：10kv电缆半导电内屏蔽层和半导电外屏蔽层厚度均为0.7～1.0mm，绝缘层厚度为4.2～5.0mm；35kv电缆半导电内屏蔽层和半导电外屏蔽层厚度均为0.8～1.1mm，绝缘层厚度为10.0～11.0mm；挤出温度控制在120～150℃。

42、步骤s9：铜带屏蔽绕包

43、挤出完成后进行连续交联处理，交联温度控制190～320℃，保温20～40min；交联完成后经冷却定型，并在半导电外屏蔽层外设置金属屏蔽层。

44、所述金属屏蔽层采用软铜带屏蔽结构或铜丝屏蔽结构，铜带厚度为0.10～0.20mm。

45、步骤s10：成缆

46、将三条完成金属屏蔽的线芯绞合成缆，成缆节距比不大于18；同时在三芯间隙填充聚丙烯填充绳，并绕包无纺布固定，提高缆芯结构稳定性。

47、步骤s11：隔离层、铠装层及外护套制备

48、依次完成隔离层挤包、钢带铠装及外护套挤包；隔离层挤出温度为160～190℃；钢带厚度为0.50～0.80mm；外护套采用pvc护套料、pe护套料或无卤低烟阻燃护套料，护套厚度为2.9～5.1mm。

49、步骤s12：成品检验

50、对制得的电缆进行导体直流电阻、导电率、抗拉强度、断裂伸长率、工频耐压、局部放电、绝缘电阻、结构尺寸及火花试验检测，检测合格后得到成品电缆。

51、本发明通过在线连续时效与梯度冷却工艺对mg2si析出过程进行调控。导线经冷加工后进入连续时效炉进行在线连续时效处理，使mg和si原子发生扩散并形成均匀分布的mg2si析出核心，提高析出相形核数量，降低mg、si元素固溶残留。

52、在线连续时效完成后，导线依次经过一级冷却、二级冷却及自然冷却三个阶段进行梯度冷却处理，通过控制不同阶段的冷却速率调节mg2si析出相长大过程，抑制粗大析出相形成，使析出相保持细小弥散状态，提高组织均匀性。

53、通过上述成分设计与工艺调控，本发明形成如下协同作用机制：mg和si形成细小弥散的mg2si析出相，在线连续时效促进析出相均匀形核，梯度冷却进一步控制析出相尺寸及分布状态，减少mg、si元素固溶残留，降低电子散射作用，使导体在保持较高导电率的同时获得较高抗拉强度，并保持良好的断裂伸长率，实现导电性能与力学性能的协调优化。

54、本发明所得电缆导体导电率≥62.0%iacs，抗拉强度≥118mpa，断裂伸长率≥15%，同时具有优异的柔韧性、加工性能和长期运行稳定性，能够满足10kv和35kv电力系统的长期安全运行要求。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

56、1. 本发明通过优化mg/si质量比，实现导体成分设计优化，提高导体综合性能。其中，将si含量控制在0.40%～1.20%、mg含量控制在0.10%～0.20%，并将mg/si质量比控制在0.15～0.50范围内，使mg与si能够形成适量且稳定的mg2si强化相。当mg/si质量比处于上述范围时，可有效避免析出强化不足或粗大析出相形成，在保持较高导电率的同时提高导体抗拉强度，并保持良好的断裂伸长率和加工性能，为导体综合性能提升提供合理的成分基础。

57、2.本发明采用在线连续时效与梯度冷却工艺相结合，实现mg2si析出相的精准调控。其中，导线经冷加工后进行在线连续时效处理，可促进mg2si析出相均匀形核；随后采用梯度冷却工艺，对mg2si析出相的长大过程进行调控，抑制粗大析出相形成，使析出相保持细小、弥散且均匀分布。该工艺有利于降低mg、si元素固溶残留及电子散射作用，提高组织均匀性，实现导体导电性能与力学性能的协调优化，提高导体长期服役稳定性。

58、3.本发明采用适用于10kv和35kv电压等级的电力电缆结构设计，实现导体性能与电缆结构的良好匹配。其中，电缆采用半导电内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、半导电外屏蔽层、金属屏蔽层、铠装层及外护套层组成的多层复合结构，并针对不同电压等级优化绝缘厚度及屏蔽结构设计，可有效满足工频耐压、电场均化及机械防护要求，提高电缆在复杂运行环境下的安全性和可靠性。同时，本发明工艺成熟稳定，适合规模化工业生产。