用于風(fēng)電應(yīng)用的柔性電纜性能要求及測(cè)試方法

引言

因?yàn)橹T如石油、天然氣和煤炭等傳統(tǒng)能源的儲(chǔ)量限制加之不斷增加的能源需求，人們對(duì)于開(kāi)發(fā)可再生能源的興趣日益增加。水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐與海浪能以及沼氣能等眾多可再生能源都已有數(shù)十年的發(fā)展歷史。雖然可再生能源只滿足整個(gè)能源需求的一小部分，但這些新能源的光明前景已在全球得到廣泛認(rèn)可。

除傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量的減少外，石化燃料電廠造成的污染是可再生能源受青睞的另一個(gè)因素。作為化石燃料替代品的風(fēng)能具有儲(chǔ)量豐富、可再生、分布廣、清潔等特點(diǎn)，且在發(fā)電期間不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放。到2009年底，全球風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)稱容量為159.2GW、所發(fā)的電能為340TWh，大約是全球使用電能的2%。過(guò)去三年，全球風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量翻了一倍。

就現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的維護(hù)和新建風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，工程師和設(shè)計(jì)師不可避免地要為這些應(yīng)用選擇合適的電纜。例如：風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部應(yīng)該使用可連續(xù)撓曲的控制和數(shù)據(jù)電纜；在風(fēng)電機(jī)塔內(nèi)應(yīng)該使用可扭轉(zhuǎn)撓曲的電纜。除了這種柔曲性要求外，還應(yīng)考慮耐熱、抗磨損、抗油及其它化學(xué)物質(zhì)等要求。電纜選擇的復(fù)雜性很容易造成決策錯(cuò)誤，并導(dǎo)致不必要的死機(jī)和代價(jià)高昂的維護(hù)。

風(fēng)電應(yīng)用對(duì)電纜的要求

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)場(chǎng)位于特殊氣候條件的惡劣環(huán)境中，例如，強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)紫外線和含鹽度很高的空氣等。正因如此，風(fēng)電應(yīng)用中的電纜性能無(wú)疑比其它應(yīng)用更高。而風(fēng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)一步提高了正確選擇電纜的重要性。

現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)的維護(hù)和新的大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)都需要考慮采用高等級(jí)的電力電纜、數(shù)據(jù)與控制電纜和通信電纜，它們決定了電網(wǎng)和通信系統(tǒng)的互連質(zhì)量。單個(gè)風(fēng)電機(jī)組所需的電纜數(shù)量比人們想像的要多。例如，一臺(tái)90米高的1.25MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要約1km的電力電纜。這樣算，50MW裝機(jī)容量的風(fēng)場(chǎng)將需要40km的電纜。

風(fēng)電機(jī)組工作在惡劣環(huán)境，這種環(huán)境一般具有寬溫度范圍(約-40℃至50℃)、并且暴露在極強(qiáng)紫外線的照射下。因此，要達(dá)到預(yù)期的使用壽命，所使用的特殊電纜需要能夠承受-40℃的低溫及可抵御紫外線的輻射。對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)部件而言，電纜應(yīng)具有優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)和彎曲柔韌性，并具有很小的彎曲半徑。電纜還需要能抗燃料、抗冷凍劑、耐油、耐腐蝕性化學(xué)品及抗磨損。如果風(fēng)場(chǎng)是靠近海岸的陸地或位于海上，電纜都還必須耐高含鹽水的侵蝕。出于安全考慮，除上述要求外，還要求電纜具有阻燃性。在某些情況下，還要求低煙、零鹵素(LSZH)材料和EMI保護(hù)等其它特性。

綜上所述，風(fēng)電應(yīng)用中使用的電纜一般應(yīng)滿足以下要求：

(1) 導(dǎo)線

為盡量提高柔曲性，推薦設(shè)計(jì)工程師只使用多股數(shù)的退火軟銅線。在彎曲繞折類應(yīng)用中，采用短的同心絞線構(gòu)造；在扭轉(zhuǎn)繞折類應(yīng)用中，采用長(zhǎng)的同心絞線構(gòu)造。面積大于6mm2(10AWG)的導(dǎo)線要求使用復(fù)合絞線結(jié)構(gòu)。

(2) 絕緣

為增加低溫柔韌性，通常選擇熱塑性橡膠(TPE)、乙丙橡膠(EPR，一種EPM或EPDM)或硅橡膠(SiR)作為絕緣材料，以抵抗臭氧腐蝕和發(fā)熱引起的老化。PVC/尼龍絕緣由于具有高電介強(qiáng)度也得到了廣泛應(yīng)用。

(3) 護(hù)套

電纜護(hù)套既可以是諸如聚氯乙烯(CPE)、聚氯丁烯(氯丁橡膠)、氯磺化聚乙烯(CSPE)合成橡膠等熱固性化合物；也可是類似TPE、TPE-PVC合金和聚亞安酯等熱塑性化合物。這些材料都具有抗油、抗燃料、耐溶劑腐蝕等能力，并且在低溫下具有出色的柔韌性。這種特性使其成為風(fēng)電電纜的理想護(hù)套材料。

應(yīng)當(dāng)注意，電纜結(jié)構(gòu)也是電纜柔韌性的決定性因素。采用平衡結(jié)構(gòu)的對(duì)稱導(dǎo)線設(shè)計(jì)通常具有高柔韌性。

即使電纜制造時(shí)遵循這些一般規(guī)則，仍強(qiáng)烈建議進(jìn)行完全的測(cè)試，以仿真“實(shí)際”應(yīng)用。

電纜測(cè)試方法和程序

根據(jù)風(fēng)向，需要由偏航驅(qū)動(dòng)器調(diào)整風(fēng)機(jī)角度。電力、控制和通信電纜要么沿水平軸彎曲，要么沿垂直軸旋轉(zhuǎn)。這就對(duì)扭轉(zhuǎn)撓曲性要求更加嚴(yán)格，也需要更多關(guān)注。雖然目前沒(méi)有扭轉(zhuǎn)撓曲性方面的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，但最終用戶通常仍追求電纜在投入使用前能通過(guò)某些方式的測(cè)試。

下面是電纜行業(yè)中最終用戶采用的一般測(cè)試方法。

(1) 單根電纜在低溫(-40℃)下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測(cè)試：

將一根10米長(zhǎng)的垂直懸掛電纜樣品的頂端固定，底端綁定到一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置上。首先，將電纜順時(shí)鐘扭轉(zhuǎn)4圈(+1440o)，然后逆時(shí)針回轉(zhuǎn)4圈，恢復(fù)到原始位置。接著將電纜逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)4圈(-1440o)，然后順時(shí)針回轉(zhuǎn)4圈，恢復(fù)到原始位置。重復(fù)上述整個(gè)過(guò)程5000次以模擬20年的使用情況。如果在2.5U0條件下經(jīng)過(guò)5分鐘，電纜沒(méi)被擊穿、護(hù)套也沒(méi)有裂紋，那么這根電纜就通過(guò)了測(cè)試。

注意：取決于電纜的電壓等級(jí)，U0可以是600、1000或2000V。

(2) 一束電纜的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測(cè)試

測(cè)試程序與(1)相同，只是換成了電纜束。

風(fēng)電電纜標(biāo)準(zhǔn)

目前還沒(méi)有專門針對(duì)風(fēng)電應(yīng)用中使用電纜的標(biāo)準(zhǔn)。許多電纜制造商遵循IEC 60228 Class 5或6(類似于DIN VDE 0295 Class 5或6、HD 383、GB/T 3956 Class 5 或 6)標(biāo)準(zhǔn)，使用光面或鍍金屬的退火多股銅線作為風(fēng)電電纜導(dǎo)線以獲得所需的柔韌性。有趣的是，IEC 60228只為電力電纜規(guī)定了導(dǎo)線的標(biāo)稱橫截面面積和導(dǎo)線中電線的數(shù)量和尺寸，這給電纜制造商提供了很大自由度。因此，即使電纜滿足IEC 60288 Class 5或6的要求，電纜性能也經(jīng)常會(huì)不盡如人意。而UL 62(涉及多個(gè)ASTM標(biāo)準(zhǔn))不僅規(guī)定了導(dǎo)線中每股電線的尺寸和數(shù)量，還規(guī)定了導(dǎo)線結(jié)構(gòu)(如同心絞線、復(fù)合絞線和集合絞線等結(jié)構(gòu))，這些都是電纜柔韌性性能的關(guān)鍵。

至于絕緣和護(hù)套，許多制造商遵循DIN VDE 0207-20和DIN VDE 0207-21。HD 22.1、HD 22.4、UL 44和UL 62也成為電纜生產(chǎn)的通用標(biāo)準(zhǔn)。

諸如UL 758、UL 1581、UL 1277、UL 2277、IEC 60332等其它標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)常被用于支持一些額外特性，如風(fēng)機(jī)機(jī)架電纜(WTTC)規(guī)范和可燃性等級(jí)要求。

由于歐洲國(guó)家早于北美國(guó)家開(kāi)發(fā)用于風(fēng)能市場(chǎng)的電纜，因此電纜制造商目前更多的采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，類似的美國(guó)UL標(biāo)準(zhǔn)具有相同功用，且在某些情況下，UL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)能應(yīng)用有更嚴(yán)格的要求。

本文結(jié)論

本文介紹了風(fēng)能行業(yè)中電纜應(yīng)用的狀況，總結(jié)了風(fēng)電電纜的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)成的特殊要求。同時(shí)還介紹了一種被普遍認(rèn)可的電纜扭轉(zhuǎn)柔韌性測(cè)試方法。作者建議，在對(duì)任何現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)實(shí)施維護(hù)和為未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)選用電纜前，應(yīng)先對(duì)電纜結(jié)構(gòu)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行充分評(píng)估。