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工業鋼鐵廠中的電纜選擇

美國鋼鐵生產有望掌控局面,隨著全球需求持續上升,這些關鍵參與者需要電線電纜以確保生產全速運轉。

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2018年5月21日及5月22日在印第安納州格林伍德舉行的Endress+Hauser過程培訓單元(PTU)。AquentStudios_7691_PlantPAx PTU

鋼鐵業面臨了一連串的挑戰——建設項目停滯、全球疫情、供應鏈中斷和市場波動——但對國內生產鋼材需求的增加正為美國製造商創造機會。

推動這一增長的鋼廠正在改進和發展其複雜的營運和工藝,以更高效地運行。這些發展包括新的電弧爐(EAF)技術,該技術使用廢料作為主要原材料來源,電力作為主要能源。這項技術使鋼廠能夠生產高強度鋼材,而無需引入新礦石或在現場製造原材料。相反,他們可以將產品回收製成高強度平軋鋼材,供汽車和基礎設施行業使用,同時遵循企業級可持續發展模式。

這些工廠高效運行的關鍵組件是選擇合適的低壓銅線和電纜,為煉鋼過程中的各個步驟提供動力。

在鋼廠安裝低壓銅線和電纜

中壓電纜連接變電站和變壓器。變壓器將其降壓為480、240、208、120和其他低壓電路。低壓銅線和電纜經地下敷設進入建築物的開關設備,在那裡將進一步降壓至電機控制中心和控制櫃,以控制設施內的每個工藝過程。這包括熔爐、熱軋和冷軋、冷卻床、冷卻塔、水處理、切割線、修邊等。 

低壓電纜可以通過導管和電纜橋架的組合安裝到達最終目的地。在鋼廠中,終端用戶傾向於盡可能多地將電纜保持在地下,以幫助保護電纜免受熱量和物理損壞。承包商可以輕鬆地在地下導管中從變壓器到各個工藝過程敷設100000英尺以上的單芯導體。當在頭頂和樓層之間敷設電纜時,多芯橋架電纜和屏蔽驅動電纜是首選解決方案。  

選擇低壓電纜的考慮因素

鋼廠使用的低壓電力電纜必須能夠承受持續暴露於高溫、水、磨損和環境磨損。此外,許多鋼廠在其工藝過程中需要多個變頻器,這為選擇電線和電纜增加了另一層複雜性。

溫度等級很重要

僅鋼廠的環境溫度平均就可達150°F。結合實際的加工溫度,電纜必須能夠承受這種高溫和波動的熱量。用於THHN/THWN-2等產品的熱塑性絕緣材料無法承受這種情況。長期暴露下,增塑劑會分解,使絕緣材料變脆,影響電纜的完整性。另一方面,用於XHHW-2、USE-2和RHW-2等產品的熱固性絕緣材料由交聯聚乙烯製成。這些化合物使用固化過程引起化學反應,使聚合物交聯。一旦固化,熱固性化合物保持其形狀,在施加熱量時不會重新熔化。這種優良的絕緣材料比熱塑性產品具有更高的緊急過載溫度和最大短路溫度。請參見圖表,直接比較熱塑性產品(THHN/THWN-2)與熱固性產品(XHHW-2)。

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製程中的多個變頻器

相比之下,水和其他溶液在鋼鐵製造過程的各個步驟中用於冷卻最終產品。鋼鐵廠通常會在現場設有自己的水處理廠,以移動大量水並在重新投入製程前進行淨化。

這些水冷卻和過濾應用可使用中壓驅動器,並採用多個由低壓變頻器(VFDs)驅動的250~350馬力電機。一個設施在單一工廠流程中可能擁有15、20台或更多低壓變頻器,這會因設施的規模和類型而有顯著差異。如果未正確實施合適的電纜和端接方法,這麼多驅動器彼此靠近可能會造成嚴重干擾,並增加整體系統受損的風險。 

首選電線電纜解決方案

考慮到這些因素,鋼廠規劃工程師偏好低壓熱固性XLPE導體、UL雙重認證托盤電纜、UL Type MC鎧裝電纜,以及變頻器屏蔽托盤電纜。

XLPE熱固性內導體

XLPE熱固性導體是由交聯聚乙烯製成,而非PVC尼龍。由於所涉及的化學特性,現代XLPE在發生火災或電暈放電時的毒性遠低於PVC,並且對化學品、臭氧和磨損具有更強的抗性。

熱固性產品的介電常數小於3.5,使電纜具有更強的抗漏電流能力,並提供大幅提高的絕緣電阻。這使電纜能夠在更長時間內承受更多電壓尖峰和湧入電流,同時有助於保護面臨高漏電流電氣干擾風險的關鍵電路。

XHHW-2、USE-2和RHW-2的最高和最低溫度額定值也分別高於和低於熱塑性替代品,有助於在露天安裝時保護電纜。這些熱固性電纜的抗壓強度是PVC的5倍,證明其更為耐用。

XLPE單芯導體可用於導管、電纜托盤、管道組及直埋安裝。

UL雙重認證托盤電纜

在許多工業應用中,終端用戶正轉向使用電纜托盤,以便於安裝並降低安裝成本。XLPE托盤電纜適用於安裝在電纜托盤、由承力線支撐的露天、線槽、通道、導管和管道中。

工程師可能會指定UL 1277認證的托盤電纜用於鋼鐵廠安裝。此UL認證要求托盤電纜使用認可的1kV額定導體,並通過成品電纜的更高電壓交流耐壓測試。成品電纜中的每根絕緣導體必須在指定電壓範圍內承受1分鐘而不發生擊穿,才適合1kV使用。

這些600V/1kV額定電纜為需要較低電壓電纜但面臨潛在電壓尖峰風險的應用提供了具成本效益的替代方案。例如,1kV額定托盤電纜能夠承受更大的電氣逆境,電纜受擾動事件的影響較小,且恢復時間比彈性較差的系統更快。

UL雙重認證托盤電纜在新建工程中也提供了靈活性。隨著575V和690V馬達的出現,標準XHHW-2托盤電纜現在可因其1kV額定值而使用。此外,雙重認證托盤電纜的外徑比傳統1kV托盤電纜更小,使其在空間受限的安裝中更受青睞。

Service Wire Company的托盤電纜也依據國家電氣規範獲得TC-ER等級。允許在暴露於自由空氣的情況下,無需連續支撐即可轉接最長六英尺。這使電纜能夠從電纜托盤轉接到馬達,避免使用軟管導管。

必要時,可在鋼鐵廠安裝屏蔽托盤電纜。屏蔽層可螺旋或縱向應用於電纜芯上。屏蔽層作為法拉第籠,可減少電氣噪音對信號的影響,並減少可能干擾其他設備的電磁輻射。在這兩種方式中,螺旋應用屏蔽在工業應用中更為常見。

UL Type MC

UL Type MC鎧裝電纜為鋼鐵廠應用提供所需的保護和耐用性,無需電氣導管。可安裝於電纜托盤、架子、吊架,或作為導管和電線的經濟有效替代品,依國家電氣規範規定。金屬包覆鎧裝還能抗腐蝕,適用於暴露於潮濕環境的區域。 

Type MC電纜使用完整UL規格的裸線或絕緣接地線。與Type AC不同,鋁或鍍鋅鋼鎧裝不作為設備接地,從而減少對防短路套管的需求。

Service Wire專精於鍍鋅和鋁製互鎖型Type MC鎧裝電纜。互鎖鎧裝以螺旋方式纏繞於導體周圍,便於彎曲。電纜的s-lock設計使其在狹窄空間和難以到達的角落具有更高的靈活性和機動性,優於導管或連續波紋焊接鎧裝。

Type MC也可配備阻燃劑、防潮和耐化學腐蝕護套。此電纜結構適用於直埋、工業加工廠的電力電路,以及被指定為Class I–Division 2和Class II–Division 2的危險場所。

外套類型

聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)和低煙無鹵(LSZH)是三種最常見的護套類型,提供額外的保護層以防止濕氣、化學品、磨損和火焰。

PVC是最常見的護套材料,但其不具備所有嚴苛環境所需的特性。因此,建議工業應用選用CPE和LSZH護套。

CPE護套專為需要更高化學抗性和沖洗式需求的用途而設計。LSZH護套具阻燃性,產生較低煙霧且不含鹵素或有毒煙霧,燃燒時不會滴落(有助於防止火勢蔓延至其他表面),並在無直接火焰時自動熄滅。

交聯氯化聚乙烯和低煙無鹵護套採用熱固性聚合物,不同於標準CPE或PVC護套。雖然護套選擇取決於電纜安裝環境、化合物特性、電纜壽命及所需額定值,但熱固性護套更適合工業應用。

變頻器屏蔽托盤電纜

變頻器電纜可用於鋼廠內各種製程,從冷卻到水過濾及熱軋。例如,熱軋鋼生產會用大型滾輪移動產品,有時多達200 + 個滾輪,每個滾輪都配有一個由低壓驅動器供電的10馬力馬達。由於鋼廠內有如此多變頻器,規劃工程師必須找到能解決電磁干擾、共模雜散電流及其他常見影響這些驅動器壽命問題的解決方案。

唯一經過驗證的解決方案是採用電氣平衡、螺旋纏繞銅帶屏蔽電纜,並配備符合國家消防協會79標準的交聯聚乙烯(XLPE)絕緣。為獲得最佳性能,XHHW-2 600V/1kV或RHW-2 2kV額定電纜設計具有優異的介電特性,可抵抗運行條件下產生的電壓尖峰。

正確端接

雖然電纜選擇對減少高頻效應很重要,但系統的正確端接與接地極為關鍵。現場測試顯示,電纜的銅帶屏蔽必須在驅動器端與馬達端均360°端接至大地,以適應接地電位差。正確的端接方法對於創建電流的最低可能阻抗路徑並大幅減少導入軋機的EMI至關重要。

電纜銅帶屏蔽的端接套件可與端接連接器一起使用。建議的端接套件包括兩條鍍錫扁平銅編織接地帶,提供額外的低阻抗接地路徑。這些接地帶應沿銅帶屏蔽縱向安裝,剪裁至最短長度,並端接於馬達箱內側及驅動櫃後面板。

Service Wire Company提供一門關於變頻器電纜、端接方法及常見問題的綜合線上課程,有助於防止變頻器性能受損,可透過Service Wire Academy免費取得。

結論

鋼鐵廠是一個複雜的製程網絡。最輕微的故障都可能對整條生產線產生連鎖效應。合適的低壓銅線與電纜是這個重疊系統的必要組成部分,透過正確的知識與安裝,可協助提升任何工業廠房的穩定性與生產力。

已發佈 2022年8月17日

主題: Infrastructure Industrial Network Products

Steven Stanford
Steven Stanford
National Sales Manager, Industrial for Service Wire Company
Steven Stanford is the National Sales Manager – Industrial for Service Wire Company. He is responsible for managing the industrial focused markets across the US. This includes developing existing and new markets, growing business relationships with key and prospective customers, and ensuring short- and long-term success. Stanford has over 30 years wire and cable experience in various engineering sales and management roles, including a background in manufacturing and designing cables for domestic and international industries. A member of several prominent professional organizations, Stanford has a wealth of knowledge of industrial and variable frequency drive applications and requirements.
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