风电机组用中压抗扭电缆的研制

经验交流风电机组用耐扭中压软电缆的设计和选材李金明、鞠晨雁、岳文娟淮南新光神光纤线缆有限公司，安徽淮南232008摘要：鉴于目前国内海上风电场的开发加快了大容量风电机组的发展，然而国内外又没有与之相配套的相应中压抗扭电缆的 标准和规范，从而使风电机组整机设备厂商无从选择。文章对风电机组用耐扭中压电缆的研制做了介绍，以期对电缆制造商 和使用商提供一定的参考。关键词：抗扭；风机用电缆；中压电缆；研制1使用场合和性能要求近年来，海上风电的开发进一步加快了大容量 风电机组的发展。目前，世界上运行的最大风电机 组单机容量已经达到6 MW,风轮直径为127 m,8 10 MW风电机组也已经开始设计和制造。1我国大 型风电设备制造商也都在积极研制5MW或6MW 大容量风电机组。风电机组用耐扭中压电缆主要配 套用于发电容量3.5 MW以上大容量风电机组中， 连接风力发电机塔筒底部中压开关柜和位于机舱 后部中压变压器高压侧，从最上节塔筒内悬垂，电 缆随机舱转动而扭转，下面固定在塔筒内壁连接至 塔底变频开关柜，电缆必须承受机舱迎风时的扭 转。风电机组用耐扭中压软电缆特殊的使用环境， 对其提出了诸多性能要求：承受电压为1035 kV, 工作温度范围为-090 C； b通过标准 GB/T 18380.12规定的单根垂直燃烧试验和GB/T 18380.35规定C类成束燃烧试验；c通过标准IEC 60811-2-1规定的耐油试验;d通过标准NB/T 31034 规定的耐紫外线试验、耐盐雾试验、低温弯曲试验、 负重试验；e能经受标准NB/T 31036规定旋转度达收稿日期2014-08-26作者简介李金明（1983），男，淮南新光神光纤线缆有 限公司工程师.作者地址安徽省淮南市经济开发区建设南路39号，淮南 新光神光纤线缆有限公司，232008 土 1 440的常温10 000次、低温5 000次抗扭转试 验，完成抗扭转试验后，电缆导体、绝缘、绝缘编 织屏蔽、缆芯、电缆外观均应无开裂和扭断现象， 施加2.5Uo交流试验电压30 min线芯不击穿，按 GB/T 3048.12进行局部放电试验，在1.73U。时放电 等级应不超过20 PC； f.电缆的无卤性能满足标准 IEC 60754-1、IEC 60754-2 的要求。2结构设计和材料选择由于传统结构和材料的中压电缆明显不能满 足上述风电机组用耐扭中压软电缆的使用场合和 性能要求，因此我们借助制造风电机组用低压耐扭 转电缆积累的经验，对传统中压电缆的结构和材料 同时进行了改进。2.1结构设计传统中压电缆的结构一般为导体+导体屏蔽+ 绝缘+绝缘屏蔽+金属屏蔽层，但该结构很难满足抗 扭转试验要求，特别是其中的金属屏蔽层在风电机 组的长期频繁扭转使用过程中极易损坏，导致绝缘 受损局部放电，大大缩短电缆的使用寿命。为此， 我们在风电机组用耐扭中压软电缆中改用了先由 特殊高导电率高分子复合绝缘体（导电橡胶材料） 包覆接地导体，再置于多芯电缆缝隙中的结构，替 代传统的金属屏蔽层结构。最终我们设计的风电机 组用耐扭中压软电缆的结构如图1所示，由动力线 芯导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽层组成中压绝 缘线芯；由地线芯导体、高导电率高分子复合绝缘 体组成的地线芯；3 个中压绝缘线芯、3 个地线芯 与专用半导电填充绞合成缆芯，并用半导电橡布带 进行紧密扎紧，最终挤制填充、外护套。动力线芯导体导体屏蔽绝缘绝缘屏蔽地线芯导体地线芯半导电包覆层 半导电填充填充外护套图 1 风电机组用耐扭中压软电缆的结构2.2 材料选择在风电机组用耐扭中压软电缆中导体采用符 合 GB/T 3956 或 IEC 60228 标准规定的第 5 种镀锡 铜软导体，其应表面光洁、无污，无损伤绝缘的毛 刺，以及凸起或断裂的单线。2为确保导体即使有 微小毛刺也不至于扎破绝缘半导电层而发生局部 放电现象，以及使不圆整的导体表面平整，在导体 外增加了半导电橡布带绕包隔离层，半导电橡布带 主要性能参见表)。为了提高电缆耐局部放电性能 和耐电压冲击能力，以及避免电缆在野外复杂工况 下易受潮产生树枝化缺陷，绝缘材料采用了电气性 能和耐温性能较好的硬质乙丙橡胶，其性能符合 IEC 60092-351的规定，抗张强度大于6.5 MPa,同 时乙丙橡胶还可提高电缆承受电击穿和热击穿的 能力。3导体屏蔽层和绝缘屏蔽层均选用了以乙烯 醋酸乙烯共聚物橡胶为基料加炭黑组成的可剥 离半导电屏蔽料，其体积电阻率不大于500 Qm。 由于工艺参数硫化时间、硫化温度与线速的配合对 导体屏蔽层+绝缘层+绝缘屏蔽层三层挤连硫控制 非常关键，因此为使生产的电缆性能达到设计要 求，必须对它们进行相关理论计算和实践摸索。为 将系统产生的故障电流安全引入接地系统，保护系 统安全运行，以及削弱电磁干扰，地线芯绝缘和缆 芯中的半导电填充材料均采用了导电橡胶材料，其 符合 JB/T 10738 规定的 PEJJ 型半导电屏蔽料， 20 C时体积电阻率不大于25 Q cm。由于导电橡胶 和橡胶相比具有较低的弹性模量，因此在电缆生产 中应注意对导电橡胶交联温度的控制，采用低离模 膨胀系数的挤出模具，挤出速度和温度应根据导电 橡胶的硫化程度测算并控制。根据使用环境和电缆 运行温度范围，填充材料选择与半导电橡胶不起化 学反应、价格低廉的无卤橡胶材料。为了在严酷自 然条件下，保护电缆免遭侵蚀、性能下降，外护套 我们选用了性能符合DIN VDE 0250-813绝缘电力 导线、拖曳导线标准规定的5GM5型低烟无卤护 套料，其抗张强度大于12 MPa,且具有优异的耐磨 性、耐油性、抗撕裂强度、耐水性以及无卤阻燃性能。 4表1半导电橡布带的性能项目技术指标厚度/mm0.300.05单重/(gcm-3)0.680.03抗张强度/(Ncm-1)三100延伸率/%三25表面电阻/Q500体积电阻/(Q cm)1X105瞬间稳定性/C230长期稳定性/C145外观黑色，表面光滑、平整。3 结束语由于目前国内外暂无相关的风电机组用耐扭 中压软电缆标准或行业规范可参考，因此我们经过 与有关风机设备制造企业研发人员的沟通及结合 新型大容量风电机组需要的特点，根据风电机组用 耐扭中压软电缆使用场合的特殊性能要求，同时参 照 IEEE 1580、DIN VDE 0250-813 和 IEC 60092-354 标准编制了企业标准，并以此有效地指导相关生 产。目前，我们生产的风电机组用耐扭中压软电缆 产品通过了上海电缆研究所国家电线电缆质量监 督检验中心的全性能测试，并在用户单位现场验证 了用户关心的耐扭转试验后电缆的外观、耐压、局 部放电等性能。我们所研制具有新颖结构的风电机组用耐扭 中压软电缆大大增加了在低温环境下长期频繁扭 转的使用寿命，其为今后低温、耐扭转、频繁移动 场合使用的中压抗扭软电缆提供了一种新型的、更 为安全可靠的实现方法，特别是为中压移动扭曲场 合使用电线电缆的制造，开辟出一条新思路和新方 法，同时为我国海上大容量风电机组发展，提供了 一定的技术积累。参 考 文 献1 姚兴佳,隋红霞,刘颖明,等. 海上风电技术的发展与现状J. 上海电力,2007(2):111-118.2 顾炯.风力发电用电缆的发展J.电线电缆,2009(2):5-6.3 IEC. IEC 60092-3542003 船用电气设备 第 354 部分额定电压为 6 kV (U =7.2 kV)至 30 kV (U =36 kV)的mm单芯及多芯挤包实心绝缘电力电缆S. 2003.4 DIN. DIN VDE 0250-8131985 Cables, wires and flexiblecords for power installation Trailing cablesS. 1985.