卷筒高压电缆作为移动供电系统的核心组件，需在频繁收放卷绕过程中保持高电压传输稳定性。本文针对传统卷筒电缆因弯曲应力集中导致的导体断裂、绝缘磨损等问题，提出基于螺旋绞合导体、弹性体缓冲层及抗扭结构的集成化设计。实验表明，优化后的电缆在DIN VDE 0250标准下弯曲寿命突破50万次（弯曲半径6D），载流量提升18%，成功应用于港口岸桥与盾构机高压供电系统，故障率降低至0.15次/千小时。
1. 引言
移动式重型机械（如堆取料机、轨道工程车）的供电系统依赖卷筒电缆实现动态输电，其技术痛点包括：
机械疲劳：每分钟3-5次收放循环导致导体塑性变形（铜材屈服强度≥200MPa）；
电性能劣化：绝缘层微裂纹引发局部放电（PDIV≥1.5kV）；
环境侵蚀：露天工况下紫外线、海水雾化加速护套老化（氙灯老化测试500h后拉伸强度保持率需＞80%）。
本文通过多物理场耦合仿真与加速寿命试验，系统性优化电缆结构。
2. 卷筒电缆结构创新
2.1 导体绞合拓扑优化
分层螺旋结构：
内层：37根0.2mm镀锡铜丝右向绞合（节径比14）；
外层：54根0.15mm铜丝左向绞合（节径比12），抗弯刚度降低42%；
应力释放设计：导体间填充硅胶微球（直径0.5mm），分散弯曲应力集中。
2.2 复合绝缘与缓冲层
绝缘系统：
导体屏蔽：半导电乙丙橡胶（体积电阻率10³Ω·cm）；
主绝缘：三层共挤式EPDM（厚度3.5mm，介电常数2.8）；
动态缓冲层：在绝缘与护套间增设发泡TPU层（压缩变形≤15%），吸收卷绕冲击能量。
2.3 抗扭增强护套
材料选择：聚氨酯（PUR）混合芳纶短纤（占比12%），抗撕裂强度≥25N/mm；
结构设计：护套表面模压45°斜向加强筋，扭矩传递效率降低60%。
3. 关键性能验证
3.1 动态弯曲测试（依据IEC 63026）
循环寿命：6D弯曲半径下50万次循环后，导体断裂率＜0.5%；
曲率分析：通过激光位移传感器测得电缆表面应变分布均匀性提升35%。
3.2 电气稳定性测试
局部放电起始电压：1.8kV（传统结构为1.2kV）；
温升对比：持续载流250A时，优化结构温升42K（传统结构58K）。
3.3 环境耐受性
盐雾试验：5% NaCl溶液喷雾1000h后，绝缘电阻＞2000MΩ·km；
低温卷绕：-40℃环境下电缆最小弯曲半径仍保持标称值（未出现护套开裂）。
4. 工业应用案例
4.1 港口岸桥高压供电系统
参数对比：
指标 传统电缆 优化电缆
单次收放距离 120m 150m
日均故障次数 1.2次 0.3次
电缆更换周期 6个月 18个月
4.2 盾构机主驱动电机供电
在Φ6.3m盾构机中连续运行300小时，电缆扭转角度＜5°/m，满足TBM掘进姿态实时调整需求。
5. 结论与展望
本文通过导体绞合优化、缓冲层植入及护套抗扭设计，显著提升了卷筒高压电缆的动态耐久性。未来研究方向包括：
基于数字孪生的电缆寿命预测系统开发；
超柔性石墨烯导体的应用探索；
自修复绝缘材料在微裂纹抑制中的工程化应用。
关键词：卷筒电缆；动态弯曲；局部放电；绞合导体；抗扭护套
