李武林

(寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司，江蘇 寶應(yīng)225800)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，能源需求快速增長(zhǎng)，供需矛盾日益突出。增加能源的多元化供應(yīng)和確保能源安全已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要任務(wù)，開發(fā)利用可再生能源已成為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。作為可再生能源之一的風(fēng)力發(fā)電，由于資源潛力巨大，環(huán)境污染低，可永續(xù)利用，而且發(fā)電技術(shù)已基本成熟，經(jīng)濟(jì)性已接近常規(guī)能源，在我國(guó)得到了高度重視。我國(guó)具有豐富的風(fēng)能資源，全國(guó)陸地可利用風(fēng)能資源3億kW，加上近岸海域可利用風(fēng)能資源，共計(jì)約10億 kW，國(guó)家《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》提出了到2010年，全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)kW，到2020年，全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到3 000萬(wàn)kW的發(fā)展目標(biāo)。這一巨大市場(chǎng)，必將帶來(lái)風(fēng)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，催生了對(duì)風(fēng)力發(fā)電用電纜的需求。例如:用于機(jī)艙內(nèi)的軟電線、控制電纜、數(shù)據(jù)電纜;用于塔架內(nèi)的布電線、耐扭曲電力電纜等。由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的環(huán)境惡劣，風(fēng)機(jī)使用年限較長(zhǎng)，并且有些電纜還需隨風(fēng)機(jī)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電纜的性能要求很高。以前這些電纜主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)，已生產(chǎn)出耐低溫、耐紫外線、耐油、耐扭曲的風(fēng)力發(fā)電用電纜，但這些電纜的電壓等級(jí)大多為1.8/3 kV及以下，對(duì)于額定電壓12/20 kV、18/30 kV、20/35 kV中壓耐扭曲風(fēng)能電纜，主要還是依靠進(jìn)口，能夠研究開發(fā)并用于實(shí)際工程的企業(yè)還不多。本文主要介紹額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜的研制情況，就電纜的結(jié)構(gòu)、材料、工藝控制要點(diǎn)、試驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行了探討。

1 電纜使用場(chǎng)合及技術(shù)特性要求

額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜主要用于單機(jī)容量2 MW及以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，連接位于機(jī)艙后部中壓變壓器的高壓側(cè)和位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒底部的中壓開關(guān)柜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力在機(jī)艙內(nèi)經(jīng)過變壓器升壓后，電壓達(dá)到35 kV，并經(jīng)一根35 kV三相電纜傳送到塔筒底部開關(guān)柜，進(jìn)而接入國(guó)內(nèi)中壓電網(wǎng)。

此電纜在最上節(jié)塔筒內(nèi)部懸垂(大約20 m)，上端隨機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)，下端固定到塔筒上，所以此段電纜承受風(fēng)機(jī)機(jī)艙迎風(fēng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)。下部塔筒中，電纜固定到塔筒內(nèi)壁上為固定敷設(shè)。

電纜的主要技術(shù)特性要求:

(1)電纜的設(shè)計(jì)使用壽命為20年。

(2)電纜使用的環(huán)境溫度為－40～+50℃。

(3)導(dǎo)體長(zhǎng)期的最高工作溫度為90℃，瞬時(shí)短路電流引起最高短路溫度不超過250℃。

(4)電纜的最小彎曲半徑為電纜直徑的6倍。

(5)電纜能夠經(jīng)受IEC 60332-1-2單根垂直燃燒試驗(yàn)和IEC 60332-3 C類成束燃燒試驗(yàn)要求。

(6)電纜燃燒時(shí)釋出氣體的測(cè)定能符合IEC 60754-1、IEC 60754-2的要求。

(7)電纜必須具有耐油性能。

(8)電纜必須具有耐紫外線輻射性能。

(9)電纜外護(hù)套能夠經(jīng)受IEC 60811-1-4試驗(yàn)方法規(guī)定的－40℃、16 h的低溫性能試驗(yàn)要求。

(10)電纜必須經(jīng)受常溫下扭轉(zhuǎn)試驗(yàn):在室溫環(huán)境下，將10 m長(zhǎng)的電纜懸掛在可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪上，電纜下部固定，轉(zhuǎn)輪先順時(shí)針扭轉(zhuǎn)1 440°，再逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)相同角度，使電纜恢復(fù)到原始狀態(tài)，此后逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)1 440°，再順時(shí)針扭轉(zhuǎn)相同角度使電纜恢復(fù)到初始狀態(tài)，此為一個(gè)周期，共3 600個(gè)周期。電纜經(jīng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后，外觀應(yīng)無(wú)開裂現(xiàn)象，并且局部放電和電壓試驗(yàn)符合規(guī)定要求。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜主要參照國(guó)外產(chǎn)品樣本及用戶相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

以3×35/35規(guī)格為例，圖1為額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖。由于電纜的使用環(huán)境惡劣，使用年限要求很長(zhǎng)，且電纜隨風(fēng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)度達(dá)±1 440°，故對(duì)電纜結(jié)構(gòu)有特殊要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下問題。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

(1)結(jié)構(gòu)的柔軟性［1］。為了達(dá)到電纜結(jié)構(gòu)的柔軟性，選用DIN VDE 0295/IEC 60228標(biāo)準(zhǔn)要求的第5種鍍錫軟銅導(dǎo)體，并對(duì)絞合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保電纜的柔軟性能。

(2)電纜的使用環(huán)境。由于電纜的使用環(huán)境非常惡劣，所以對(duì)于絕緣、護(hù)套材料的選擇至關(guān)重要，必須要選擇能夠在各種惡劣環(huán)境中都能保持優(yōu)異性能的材料［1］。選用乙丙橡膠混合物絕緣材料和聚氨酯復(fù)合護(hù)套材料完全能夠達(dá)到使用要求。

(3)電纜的抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。由于電纜需要經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)期旋轉(zhuǎn)度達(dá)±1 440°的扭轉(zhuǎn)，因此電纜的各組成元件的抗扭強(qiáng)度十分重要?；诖苏J(rèn)識(shí)，重點(diǎn)在電纜的編織屏蔽層和內(nèi)外護(hù)層采取了特殊設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了電纜總體強(qiáng)度，完全滿足了電纜耐扭轉(zhuǎn)的需求。

2.2 材料的選用

(1)導(dǎo)體材料。導(dǎo)體材料選用優(yōu)質(zhì)退火無(wú)氧銅，根據(jù)使用條件，選用符合 DIN VDE 0295/IEC 60228標(biāo)準(zhǔn)要求的第5種鍍錫軟銅導(dǎo)體，導(dǎo)體表面鍍層應(yīng)均勻、光亮、無(wú)氧化和毛刺等。

(2)隔離層材料。隔離層材料采用半導(dǎo)電包帶，其主要性能要求見表1。

表1 半導(dǎo)電包帶主要性能

(3)內(nèi)、外屏蔽層材料。內(nèi)、外屏蔽層材料采用乙丙橡膠混合物半導(dǎo)電屏蔽料，其熱老化性能應(yīng)與相結(jié)合的絕緣層相當(dāng)。

(4)絕緣材料。絕緣材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡膠混合物，但抗張強(qiáng)度應(yīng)不小于6.5 MPa。乙丙橡膠混合物具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐熱老化性、優(yōu)異的耐寒性、卓越的電絕緣性能和耐臭氧、耐氣候性，并且無(wú)毒無(wú)臭，完全滿足電纜使用的需求。

(5)填充材料。根據(jù)使用環(huán)境和電纜正常運(yùn)行溫度，填充材料選擇對(duì)絕緣材料無(wú)影響(指不起化學(xué)反應(yīng))、價(jià)廉的非吸濕材料。

(6)編織屏蔽層材料。編織屏蔽層材料主要采用符合GB/T 4910的鍍錫銅絲，為防止扭轉(zhuǎn)時(shí)屏蔽層開裂采取特殊設(shè)計(jì)，提高其耐扭轉(zhuǎn)性能。

(7)外屏蔽包帶層和編織屏蔽包帶層材料。外屏蔽包帶層和編織屏蔽包帶層材料采用半導(dǎo)電包帶，其主要性能要求見表1。

(8)纜芯包帶層材料。纜芯包帶層材料采用高阻燃玻璃布帶，該材料在200～600℃燃燒時(shí)能吸收大量的熱量，阻止火焰蔓延，保護(hù)絕緣層;被動(dòng)燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧量少，能見度好，大大降低了火災(zāi)的危險(xiǎn)程度，減少了環(huán)境污染;不吸水并能防止電纜在貯存、運(yùn)行過程中潮氣侵入絕緣層。其主要性能要求見表2。

表2 高阻燃玻璃布帶主要性能

(9)內(nèi)、外護(hù)套材料。根據(jù)使用環(huán)境和電纜正常運(yùn)行溫度，我們對(duì)內(nèi)、外護(hù)套采取了特殊設(shè)計(jì)，提高了復(fù)合護(hù)層的耐扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，內(nèi)護(hù)套材料采用低煙無(wú)鹵橡皮混合物，其性能應(yīng)符合EN 50264-1中 EI 101型護(hù)套料的規(guī)定;外護(hù)套材料采用聚醚型無(wú)鹵阻燃熱塑性聚氨酯，該種護(hù)套材料具有抗撕裂強(qiáng)度高、耐候性好、無(wú)鹵阻燃性能以及優(yōu)異的抗微生物性能、耐水性能、耐磨性能等，其典型性能見表3。

表3 無(wú)鹵阻燃熱塑性聚氨酯化合物典型性能

3 關(guān)鍵生產(chǎn)工藝控制

對(duì)于額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的生產(chǎn)工序?yàn)?導(dǎo)體絞合、內(nèi)外屏蔽和絕緣三層共擠、聚氨酯外護(hù)套擠出工序。以下對(duì)這幾道關(guān)鍵工序的生產(chǎn)工藝進(jìn)行逐一探討。

3.1 導(dǎo)體絞合工序

導(dǎo)體絞合工序?qū)τ陬~定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜來(lái)說(shuō)，是非常重要的。我公司風(fēng)力發(fā)電用電纜軟導(dǎo)體采用從德國(guó)NIEHOFF公司進(jìn)口的多頭拉絲機(jī)、鍍錫機(jī)和雙扭矩高速束線機(jī)制造，在試制過程中，發(fā)現(xiàn)如果按正常工藝來(lái)生產(chǎn)導(dǎo)電線芯，電纜的柔軟度和扭轉(zhuǎn)性能較差。為了解決此問題，調(diào)整了單絲直徑、每股根數(shù)、絞合股數(shù)和絞合節(jié)距，電纜的柔軟度和扭轉(zhuǎn)性能大大提高。

3.2 內(nèi)外屏蔽和絕緣三層共擠工序

我公司2006年從德國(guó)特勒斯特公司引進(jìn)了國(guó)際上最先進(jìn)的橡膠絕緣三層共擠連硫生產(chǎn)線，可將導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽同時(shí)一次完成擠包。相對(duì)于多次擠出工藝，三層共擠能保證絕緣和屏蔽的緊密無(wú)間隙結(jié)合，防止污染，從而避免電纜在高電場(chǎng)下的游離放電現(xiàn)象，有效降低了局部放電水平，絕緣性能更佳。

總結(jié)試制經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為有以下幾點(diǎn)對(duì)絕緣擠出質(zhì)量有重要影響，必須引起重視。

(1)擠出溫度的控制。中壓乙丙橡膠絕緣料的三元乙丙橡膠的乙烯含量高，所以其擠出溫度比普通乙丙膠稍高，通常應(yīng)控制在60～110℃，有時(shí)可以高至120℃。過低的擠出溫度會(huì)導(dǎo)致絕緣料表面不夠光滑細(xì)膩，溫度過高則會(huì)引起膠料焦燒。因此，擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)要求控溫精確恒定。

(2)交聯(lián)溫度的控制。中壓乙丙橡膠絕緣料使用過氧化物硫化體系，采用高壓蒸汽在連硫管中硫化。具體交聯(lián)溫度應(yīng)根據(jù)電纜的擠出速度和絕緣料的交聯(lián)度等性能測(cè)試結(jié)果確定，推薦硫化溫度為160～200℃。

(3)中壓絕緣料使用過程中雜質(zhì)的控制。首先，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)設(shè)備的清潔至關(guān)重要，如果生產(chǎn)流水線同時(shí)生產(chǎn)其他規(guī)格的橡膠絕緣，那么生產(chǎn)中壓電纜前必須清理擠出機(jī)的各個(gè)部件，避免雜質(zhì)混入中壓乙丙絕緣料;其次，在中壓乙丙絕緣料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、領(lǐng)用過程中應(yīng)保持包裝完好和避免產(chǎn)品外包裝的污染，在材料使用時(shí)的拆包、倒料或吸料輸送工序中避免雜質(zhì)進(jìn)入都是很關(guān)鍵的，盡量避免用不潔工具或手加料。

三層共擠為中高壓電纜生產(chǎn)的最佳工藝，這一點(diǎn)已得到電纜行業(yè)和用戶的公認(rèn)，我公司三層共擠連硫生產(chǎn)線生產(chǎn)的20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜可滿足嚴(yán)格的局部放電指標(biāo)要求，電纜扭轉(zhuǎn)后1.73倍U0下的局部放電量均在10 pC以下，電氣性能可靠，可保證電纜較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。

3.3 聚氨酯外護(hù)套擠出工序

聚氨酯外護(hù)套的擠出過程中，有三點(diǎn)對(duì)擠出的質(zhì)量有重要影響:

(1)原材料的干燥問題。由于聚氨酯極性較強(qiáng)，具有很強(qiáng)的吸水性，在空氣中極易吸收水分而變潮，擠出時(shí)潮氣遇高溫而揮發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)毛孔、氣泡及外徑粗細(xì)不均等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響護(hù)套的力學(xué)性能，所以聚氨酯應(yīng)避免長(zhǎng)期暴露在空氣中，在擠出前應(yīng)進(jìn)行烘干處理。圖2為聚氨酯在90℃熱風(fēng)干燥和110℃時(shí)水分殘留曲線。我公司試制時(shí)的干燥溫度控制在90～110℃，干燥時(shí)間為75～120 min，試制出的護(hù)套表面未出現(xiàn)不良現(xiàn)象。

圖2 聚氨酯材料水分殘留曲線

(2)擠出溫度的控制。聚氨酯通常使用長(zhǎng)徑比24左右的單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行加工，加工時(shí)溫度應(yīng)保持穩(wěn)定。擠出機(jī)進(jìn)料口到機(jī)筒末端溫度從165℃逐漸升高至185℃左右，?？谔幍臏囟葢?yīng)比機(jī)筒末端低大約5℃。加工溫度不能過高，否則容易導(dǎo)致材料降解，電纜表面起泡，降低護(hù)套的機(jī)械性能。我公司經(jīng)過試制，典型加工溫度為1區(qū)(喂料段)175℃，2區(qū)(壓縮段)180℃，3區(qū)(計(jì)量段)180℃，噴嘴175℃。

(3)擠出模具的選擇。電纜護(hù)套擠出模具有擠壓式和擠管式，采用擠壓式模具試制時(shí)電纜可以達(dá)到很高的圓整度，也容易形成霧面效果，但調(diào)試很麻煩，相比較而言擠管式模具加工更容易。

4 結(jié)束語(yǔ)

2010年1月，寶勝研發(fā)的20/35 kV 3×35/35規(guī)格風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜通過了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的全性能測(cè)試，對(duì)于用戶主要關(guān)心的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后電纜的外觀、局部放電、電壓試驗(yàn)，寶勝、國(guó)家檢測(cè)中心、用戶等三方進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)見證試驗(yàn)。經(jīng)3 600個(gè)周期扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后，局部放電、電壓試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求;對(duì)試驗(yàn)后電纜進(jìn)行了解剖，導(dǎo)體無(wú)斷裂現(xiàn)象，絕緣、編織屏蔽、纜芯、電纜表面無(wú)開裂現(xiàn)象。

額定電壓20/35 kV風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜的研制成功，解決了國(guó)內(nèi)中壓風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲電力電纜主要依賴進(jìn)口的難題，對(duì)于解決國(guó)內(nèi)大功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備成本過高有著顯著的積極作用。隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，必將得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

［1］韓惠福.一種新型風(fēng)力電纜的研制［J］.電氣制造，2009，(6):28.