丁福增， 王 亮， 楊尚芳， 曾憲景

(1.深圳永貴技術(shù)有限公司， 深圳 518118；2.吉昂功能材料(東莞)有限公司， 東莞 523940)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是新能源重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一。電纜作為風(fēng)機(jī)中的組成單元，起著輸送“養(yǎng)料”的作用，而風(fēng)機(jī)中電氣連接用的單芯絕緣線是保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件之一。

單芯絕緣線纜的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)主要在于絕緣材料的選擇和絕緣層的加工工藝。目前，市場(chǎng)上用于風(fēng)能電纜的材料主要有耐寒聚氯乙烯(PVC)、乙丙橡膠、硅橡膠、烯烴類(lèi)(TPO)、熱塑性硫化橡膠(TPV)、熱塑性彈性體(TPE)等[1-2]。為了滿足極端惡劣環(huán)境的使用要求，綜合成本及性能要求，本工作選用耐寒PVC材料，開(kāi)發(fā)了可以固定敷設(shè)在-40～+90 ℃環(huán)境的一系列阻燃柔性風(fēng)能聚氯乙烯絕緣單芯線纜。該線纜主要用于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)艙內(nèi)部及箱變內(nèi)部的柔性電氣連接。

1 產(chǎn)品主要性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品主要性能要求

風(fēng)機(jī)用PVC絕緣單芯線除了須符合常規(guī)電纜的電氣性能(耐電壓、導(dǎo)體電阻和絕緣電阻等)要求、環(huán)保(符合RoHS和REACH)要求、無(wú)鉛要求外，使用環(huán)境的特殊性還要求風(fēng)機(jī)用PVC絕緣單芯線纜應(yīng)具有耐寒、阻燃、柔軟等性能，應(yīng)易于彎曲，便于安裝，使用壽命不低于20 a；要求風(fēng)機(jī)用PVC絕緣單芯線纜應(yīng)具有優(yōu)良的電氣性能，具有耐高溫老化性能等，具體參數(shù)要求如下：

(1) 單芯線的最小彎曲半徑為5D(D為成品電纜外徑)；

(2) 單芯線的長(zhǎng)期允許的工作溫度為-40～+90 ℃；

(3) 單芯線的阻燃測(cè)試通過(guò)IEC 60332-1-2：2004+AMD1：2015中規(guī)定的單根垂直燃燒和UL 758-2017中規(guī)定的VW-1試驗(yàn)。

1.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是性能要求又較高，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材上要慎重。遵循以質(zhì)量為主，成本為輔的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。首先，對(duì)導(dǎo)體和絕緣進(jìn)行了設(shè)計(jì)，單芯絕緣線纜的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

1—導(dǎo)體；2—絕緣

1.2.1 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

導(dǎo)體采用IEC 60228：2004中規(guī)定的第5種柔軟圓形絞合導(dǎo)體。導(dǎo)體材料應(yīng)為退火軟圓銅線，單線可以鍍錫或不鍍錫。因?yàn)閷?shí)際使用環(huán)境為非高溫、非腐蝕環(huán)境，所以采用了裸銅。

1.2.2 絕緣設(shè)計(jì)

考慮到產(chǎn)品的長(zhǎng)期工作溫度、最低的環(huán)境使用溫度及阻燃等綜合要求，設(shè)計(jì)了一款新的PVC絕緣材料，相比市面上的材料，在兼顧產(chǎn)品使用要求(如老化性能)的同時(shí)，主要加強(qiáng)材料的耐低溫性能及阻燃性能，PVC絕緣材料配方對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 PVC絕緣材料配方對(duì)比

配方中增塑劑對(duì)材料的低溫性能起到關(guān)鍵作用，其中以直鏈亞甲基(—CH2—)為主體的脂肪族酯類(lèi)增塑劑有較好的抗寒能力,如二酸二辛酯(DOS)、鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)和偏苯三酸三辛酯(TOTM)[3]。

另外，為了平衡低溫性能和阻燃性能，要選擇添加量少、阻燃性能好且環(huán)保的阻燃劑。其中三氧化二銻、硼酸鋅、氫氧化鋁是較好的選擇。

綜合表1中的配方和對(duì)6種配方的性能測(cè)試對(duì)比，得到如下試驗(yàn)結(jié)果：

(1)配方1能滿足一般的老化測(cè)試要求及阻燃要求，但低溫性能不滿足產(chǎn)品使用要求；

(2)配方2可以改善低溫性能，但增塑劑DOS的引入對(duì)老化性能產(chǎn)生負(fù)面影響，出現(xiàn)不合格現(xiàn)象；

(3)配方3引入老化性能更好的增塑劑TOTM取代DIDP,各項(xiàng)指標(biāo)滿足產(chǎn)品使用要求，但阻燃劑三氧化二銻成本偏高；

(4)配方4引入阻燃劑硼酸鋅，可在一定程度上降低成本，但同時(shí)阻燃性能處于臨界，不滿足產(chǎn)品使用要求；

(5)配方5引入成本更低的阻燃劑氫氧化鋁，老化和阻燃性能符合要求，但因氫氧化鋁阻燃效率低，添加量過(guò)大，出現(xiàn)低溫沖擊不合格的現(xiàn)象；

(6)配方6綜合配方3和配方4，在增塑劑和阻燃劑方面選擇較便宜、添加量少且性能更優(yōu)的材料，在成本較低的情況下能充分優(yōu)化老化性能、低溫性能和阻燃性能，使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的額定電壓為450/750 V,參照IEC 60227-3：1997中的規(guī)定設(shè)計(jì)絕緣厚度，既保證了電氣性能及機(jī)械性能，又不至于因質(zhì)量過(guò)于盈余導(dǎo)致成本過(guò)高。

為了便于后期的加工及使用，規(guī)定絕緣的撕離力在3～30 N范圍內(nèi)。具體的測(cè)試方法參照IEC 60227-2：2003中的規(guī)定：在短段軟線試樣上，將絕緣線芯之間的絕緣切開(kāi)，用拉力機(jī)以5 mm·s-1的速率測(cè)定撕離絕緣所需要的力。

2 產(chǎn)品的加工工藝

產(chǎn)品的加工工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 產(chǎn)品加工工藝流程圖

2.1 導(dǎo)體的加工工藝

單芯絕緣線纜的導(dǎo)體成本占總成本的60%以上；16 mm2以上的產(chǎn)品，導(dǎo)體成本占比達(dá)到90%以上，因此，導(dǎo)體的加工工藝對(duì)控制成本起決定性作用。

綜合考慮客戶安裝時(shí)的彎曲半徑要求和成本，節(jié)徑比按照表2進(jìn)行設(shè)定，注意第二次復(fù)絞時(shí)，從內(nèi)層到外層節(jié)徑比按比例增大。

表2 節(jié)徑比

導(dǎo)體束絞和復(fù)絞絞合方向宜選擇同向，這種方式對(duì)導(dǎo)體的電性能、外觀及結(jié)構(gòu)尺寸都有較明顯的改善。同向絞合導(dǎo)體20 ℃時(shí)的導(dǎo)體直流電阻比異向絞合導(dǎo)體20 ℃時(shí)的導(dǎo)體直流電阻降低約0.8%，導(dǎo)體外徑減小約10%[4]。

2.2 絕緣層的加工工藝

絕緣材料吸水性較強(qiáng)，擠出前要充分烘干，在80 ℃烘箱中烘1～2 h，防止材料因吸水過(guò)多導(dǎo)致機(jī)械性能下降，尤其是耐低溫性能降低過(guò)多，甚至導(dǎo)致絕緣耐電強(qiáng)度降低。材料中的水分在擠出過(guò)程中受熱生成水蒸氣，還會(huì)導(dǎo)致材料水降解，在塑料層中產(chǎn)生氣泡，使擠出層表面晦暗，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致擠出無(wú)法進(jìn)行[5]。不同含水量下，絕緣材料的性能對(duì)比詳見(jiàn)表3。

表3 3種含水量下絕緣材料的性能對(duì)比

由表3結(jié)果可知，絕緣材料含水量大于0.15%時(shí)，測(cè)試均不通過(guò)，其中含水量大于0.5%時(shí)，絕緣切面出現(xiàn)氣孔；只有含水量不大于0.15%時(shí)，絕緣材料才能保持優(yōu)良的機(jī)械性能和耐低溫沖擊性能。

絕緣擠出時(shí)，首先對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行預(yù)熱，提高絕緣材料的附著力、機(jī)械性能和-40 ℃時(shí)的耐低溫沖擊性能，3種預(yù)熱溫度下，絕緣材料的性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 3種預(yù)熱溫度下絕緣材料的性能對(duì)比

由表4可知，導(dǎo)體預(yù)熱溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，絕緣材料擠出時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)急速冷卻導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力聚集在材料內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械性能不合格和低溫易開(kāi)裂的情況。

擠塑機(jī)采用5段塑化溫區(qū)及機(jī)頭4個(gè)溫區(qū)，以70機(jī)為例，具體加工溫度見(jiàn)表5，其中，溫度公差為±5 ℃。精準(zhǔn)控制絕緣材料在整個(gè)擠出過(guò)程中的溫度，提高其機(jī)械物理性能的穩(wěn)定性。

表5 絕緣層加工溫度

絕緣層冷卻時(shí)，第一段水槽采用40 ℃的溫水水槽，從第二段水槽開(kāi)始逐漸冷卻，保證電纜在冷卻過(guò)程中分子鏈結(jié)合緊密，性能穩(wěn)定。

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，在生產(chǎn)線上安裝了測(cè)徑儀和測(cè)偏儀，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的外徑及同心度。若出現(xiàn)偏出公差的質(zhì)量缺陷，直接反饋到控制面板上，機(jī)長(zhǎng)可以及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品，防止產(chǎn)品批量不良。

3 性能測(cè)試

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能要求，以25 mm2的產(chǎn)品為例，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。按IEC 60227-2：2003規(guī)定的方法測(cè)試了25 mm2單芯線樣品的電性能，按照IEC 60811：2012系列標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了樣品的物理機(jī)械性能和耐環(huán)境老化性能(包含老化前后的機(jī)械性能、高溫壓力、熱沖擊、低溫性能)、按照IEC 60332-1-2：2004+AMD1：2015和UL 2556-2021測(cè)試了樣品的阻燃性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 成品電纜電性能測(cè)試項(xiàng)目及要求

表7 成品電纜機(jī)械性能和環(huán)境性能測(cè)試項(xiàng)目及要求

由表6、表7可知，本工作設(shè)計(jì)的單芯絕緣線纜符合各項(xiàng)性能要求，滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作研制的單芯絕緣線纜在保證基本的物理機(jī)械性能及電氣性能合格的情況下，還能同時(shí)平衡阻燃和低溫的性能。該單芯絕緣線纜通過(guò)IEC 60332-1-2：2004+AMD1：2015規(guī)定的單根垂直燃燒試驗(yàn)和UL 758-2017中規(guī)定的VW-1試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上也可通過(guò)IEC 60811-504：012規(guī)定的低溫卷繞和IEC 60811-506：2012規(guī)定的低溫沖擊試驗(yàn)，并能保證一定的柔軟性。