【风能抗扭电缆设计开发探究6000字（论文）】

风能抗扭电缆设计开发研究摘要风能作为清洁无污染的可再生能源，是最具大规模开发和利用潜力的能源，风能电缆作为风电的主要部件。由于它与普通电缆不同，在生产制造过程中必须采用特殊的工艺技术才能保证其质量，所以风能电缆的研发工作非常重要。本文根据风电特点及运行环境要求，对风能电缆特点进行说明，以及风能电缆选材、结构设计、机械性能、扭转性能等，并对其加工工艺作了较细致地分析。在此基础上提出了适合我国国情的风能电缆结构形式和制造工艺方案，为今后的研究奠定基础。希望能通过本次设计，能给风能电缆的开发设计提供参考借鉴。关键词：风能电缆；抗扭性能；加工工艺目录TOC\o"1-3"\h\u312531引言 引言广泛使用的常规能源（例如，石油，天然气，煤和核能）是有限的，且会造成污染。随着人们生活水平的提高和环境保护意识的增强，开发和利用新能源已成为世界各国政府关注的焦点之一。以及清洁的可再生能源（例如，太阳能，潮汐能，风能），近几年有很大发展，在这些可再生能源中，风能是一种清洁，无污染，是最具大规模开发和利用潜力的能源，是一种很有竞争力的非常规能源之一。作为清洁能源，早在19世纪后期丹麦人就率先开发出风力发电机。世界上第—个风力发电场是丹麦于1891年建立的。尽管目前风能发电量还不及全世界总发电量，但是，在风力发电技术不断提高的今天，在欧洲各国受到了广泛关注。到2020年能供应全球10%的电力需求，并且在世界范围内降低二氧化碳废气100多亿吨。因此，开发和利用风能成为人类社会关注的一个重要课题。风能发电有很大优势一，风力为清洁自然能源，不存在环境污染问题。其次，风能可以缓解目前电力供应紧张和环境污染等一系列问题。风能在全球范围内迅猛发展，去年底，全世界风电装机已达4000余万千瓦。随着技术进步和成本下降，风电将成为未来最重要的绿色能源供应之一。2020年风电装机容量将达12.31亿千瓦，年发电量为届时全球电力需求的12%，风电将朝着满足全球20%电力需求的趋势发展。风能作为一种清洁、可再生和可再生能源，具有广阔的开发前景。所以业内人士认为，在构建资源节约型社会这个国家，风力发电已经不是微不足道的补充能源了，但它是一个新兴的能源产业，具有商业化发展前景。当前我国风力发电受到了很大关注，还充分认识到风电技术已经越来越成熟，并有产业化发展前景。我国风能资源十分丰富，技术可开发量在10亿千瓦左右，开发潜力很大。随着经济的快速发展和人民生活水平提高，对电能需求量将日益增多。加快风电开发，对增加能源供应，调整能源结构等，维护生态环境，实现可持续发展有着更为重要的地位和作用。国家提出到2020年，风电装机容量达3000万千瓦。为确保这一目标如期实现。以及一系列配套政策与举措的制定，目前已进入快速发展的阶段。随着我国风电产业的迅速发展，风力发电技术也得到很大提高，一些大型风机已经能够安全稳定地在海上或陆上正常运行。但现在，全国正在运行中的风电装机容量只有6万千瓦，且85%以上的设备是引进国外的。现在国家发改委已经明确风电设备的国产化率必须在70%以上，未达到设备国产化标准的风电场，不得施工。在这样的背景下，我国的风电设备制造企业将面临巨大挑战，只有提高装备技术水平才能生存下来。所以风能电缆是风电的主要部件，实现国产化势在必行。在我国，风力发电机组大部分都采用电缆连接。由于风力发电环境的恶劣，对风机使用年限有较长要求，电缆随着风机的连续转动，故对电缆结构有特殊要求。目前市场上常用的电缆是普通电缆，其最大缺点就是寿命较短。通常电缆的使用寿命需要20-30年。基于此，本文根据国内行业需要和国际对同类型电缆提出的特殊要求进行研究，研制开发风能系统系列电缆。该系列电缆主要应用在大型风电机组中，具有优良性能、安全可靠、重量轻等优点，可广泛应用于海上平台、陆上油田、核电站以及其他领域。为了让企业不断的发展，风能电缆的开发势在必行。2风能电缆发展及开发现状2.1风能电缆发展现状原本陆地风力发电只是与主电网相辅相成，以引流为主，但是在国家提出可持续绿色发展理念下，把风能利用与发展置于新时期能源开发战略地位之后，我国风能资源开发突飞猛进，成为冉冉升起的新能源“黑马”，2009年，我国风电装机容量已跃升至全球第二位，当时风力发电装机容量为2601万KW，之后，风电装机容量提高了1380万KW，成为世界之最。一方面是因为西北地区人多地少的地理环境，我国可承载风电装机容量仍有较大空间；另一方面，作为一个人口众多的国家，我国对于风力发电提出了要求，足以促进国内风力发电产业蓬勃发展。同时，由于我国经济的高速发展，使得人们的生活水平不断提高，电力需求量与日俱增。从而对国内风电产业、风电技术的发展、发展风电场，风电设备需求和电网发展而言，均为空前发展机遇。同时风力发电相关组件研究和开发刚刚起步，还存在较大发展空间。由于风能资源丰富，并且具有分布范围广、能量密度大等特点，在未来很长一段时间内将成为一种重要能源之一。而风能电缆是风力发电所必需的主要部件，不管是技术力量，研发投入或技术水平，均在较落后水平上，远没有达到风力发电事业发展的要求。在目前国内市场上，由于风能电缆价格较高，且对质量要求严格，使得很多用户不愿意购买或不愿接受。所以我国多数风电场风力发电机所用风能电缆多依赖进口，不但成本高，与此同时，风力发电成本也有所增加，延缓风能产业发展。因此，开发风能电缆就成了某些电缆厂家正在涉足的一个崭新领域，也就成为各电缆厂家增加盈利的一个关键点。目前，我国的风电设备制造业虽然已具备一定规模和实力，但是与国际上先进水平相比仍存在较大差距。针对上述情况，政府增加战略投资，以期能加速风能产业发展。同时，随着风力发电技术和电网建设的不断成熟，风电行业得到快速地发展，带动了整个电力电子技术和相关设备制造业的进步与创新，使得风能电缆行业取得突破性进展。但同时风能电缆市场空档期也不只是国内厂商争相追捧的焦点，还引来国外知名企业欲在中国电缆市场上分一杯羹，并借此抢占市场制高点。在此基础上，国内厂商通过积极引进人才和高技术，以期望能在激烈的市场竞争中占据一席之地，但因为对于风能电缆来说、材料缺少系统研究，加之投入的经费有限，对于风能电缆研制一直不尽如人意。我国的风力发电起步较晚，技术相对落后，因此风能电缆的研发工作就显得尤为重要。当时风能电缆主要根据欧洲标准及德国标准来研制生产，因而忽视区域间的差别，造成了未能形成自身核心技术，缺乏核心竞争力。此外，对于风能电缆来说，其原材料成本高，并且使用年限较长，容易老化失效，因此，很多企业都选择了购买其他种类的产品，以降低其生产成本。而且随着最近几年风能电缆市场的日益扩大，风能电缆等附件也在逐步提价，造成部分电缆厂家只追求眼前利益最大化，用普通电缆取代风能电缆以次充好，扰乱市场秩序，触发了更大的市场价格的变化，严重影响风能和风电的良性发展。尽管我国风电产业起步晚，但现已跃居世界前茅。随着国家能源结构的调整，风力发电成为了可再生能源利用最重要的组成部分，也是我国发展新能源产业的重点。风能电缆是其中的一个主要部件，全国仍供不应求，必须下大力气投入人力和物力，进行适合中国生态环境专用电缆研发，谁掌握了专用电缆这一核心技术，都可以抢先进入风能电缆市场，抢占市场制高点。2.2风能电缆的开发发展风能电缆，首先要研制风能电缆配件。在对风能电缆进行设计时，主要考虑其绝缘性能和机械强度。在导体结构设计，绝缘护套材料选用等方面，需使用满足GB/T3956-2008《电缆导体》种属规定的第五类软铜导体的构造，经过单丝直径的测定，便可求得导体绞合的根数。从制作工艺来看，采取先束丝再复绞，且为同向绞合结构，既能充分保障电缆柔软性，也可避免导体内的跳浜和断丝。另外，为了提高电缆的强度，还可以采用双绞线或多线对绕包法。最后导体外包覆聚酯带，借此来提高电缆顺滑程度，方便电缆弯曲和移动。其中电缆绝缘性特别重要，绝缘材料既要能有优良的绝缘性能，还要耐低温、耐气候等特点。其次对电缆护套橡皮优化时，这就需要设计人员根据现场实际情况合理选择电缆材质和结构，以确保其具有良好的性能及安全性。因我国土地辽阔，地理环境优越，利用风能和电力的区域分布在全国，所以，风力发电的建设多位于西北荒漠、戈壁和其他寒冷地带，或在高温地区，如海岛类。这些地方的环境气候都很差，对于风能电缆提出了更高的需求，不只是有绝缘、阻燃，但也要耐高温，耐湿和其他性能，以适应不同区域的需要是风力电缆目前发展的趋势。3风能电缆的设计3.1标准制订目前，各国尚无风能电缆的标准，本文以UNE21-150-86为主参考、HD22.4S4和HD22.12S等标准要求，同时，加入轴向扭转测试方法及数据指标，并对其低温拉伸性能提出严格要求，制订了Q12/YJ4573-2009《额定电压0.6/1kV及以下橡胶绝缘风能电缆》，对额定电压为0.6/1kV及其以下的橡胶绝缘风能电缆提出技术要求与性能指标。3.2设计依据1.额定电压：0.6/1kv，450/750V。规格1-36芯，1-500mm2。2.耐矿物油：100℃X24h，护套抗张强度和断裂伸长率最大变化率±40%。3.耐扭转（1）常温扭转：扭转角度108度/米，扭转次数10000次。（2）低温扭转：低温-40℃，扭转角度108度/米，扭转次数不小于50次。4.燃烧特性：单根垂直燃烧试验5.低温性能：-35℃3.3确定性能指标3.3.1电性能指标及机械性能指标的确定风能电缆由于能够适应移动输电，动力配线等、信号传输和其他需要的各种配电场合，本文参考了国外有关电缆标准UNE21-150-86、HD22.4S4-2004与HD22.12S1-1996的标准要求决定它们的电性能与物理机械性能。3.3.2耐扭转指标的确定考虑到风能电缆特殊的运行环境，本课题在査阅有关数据的基础上，最终建立起完善的耐扭转试验手段。3.3.3耐低温性能指标的确定风能电缆实质上是在野外环境中应用的，它的周围环境昼夜温差变化很大，根据目前国内风能电缆应用的现实环境，文中把低温拉伸试验的准则定为-45℃，从而满足国内多数风场环境下的应用需求。3.4原材料选择3.4.1导体材料的确定为确保电缆物理和电性能良好，我们按照GB/T3956-1997中的标准选择风能电缆铜导体进行检测。电缆发生扭转运动后，需要电缆导体层之间具有良好的相对滑动和柔软度，并且导体在束合或绞合时节距应尽量小，从而确保电缆符合整体扭转特性要求。针对风能电缆在实际应用和运行中存在的问题，并根据导体加工中的体会，拟定风能电缆导体构成及加工工艺。对导体进行了结构设计，确定出合适的电气参数。通过测试及用户的应用，验证了该设计的合理性和有效性。以机型DN-F型风能电缆为例，电压0.6/1kV，断面3X70mm2，它的导体结构列于表3.1中。表3.1导体结构3.4.2绝缘、护套材料的确定风能电缆绝缘、内衬层与护套材料关系到风能电缆性能。由于绝缘，护套材料采用高分子材料作基料，加入各种配合剂和阻燃剂制成混合物。其中阻燃是提高风能电缆电气性能指标最重要的因素之一，因此研究如何提高风能电缆阻燃性能具有重大的意义。从绝缘的角度来看本论文釆用了进口的乙丙基料，通过加入各类配合剂，以确保绝缘电性能为前提，提高绝缘材料抗拉强度，为了满足风能电缆耐扭转要求。在内衬方面，选用了丁腈橡胶作为填充胶，可以提高电缆的抗张强度，降低蠕变率，改善电缆的机械物理性能。护套中，采用釆用乙丙-氯磺化聚乙烯橡胶共混胶料的方法，改变共混组分所占比例，多种配合剂的加入，赋予电缆护套材料优良的机械性能、良好的耐久性（如耐热、耐氧、耐臭氧、耐气候、耐油和耐化学药品）、优良的耐低温性能。在屏蔽层方面，采用了特殊的复合编织结构，提高了其屏蔽效能，并对各部分进行适当的加工处理，从而获得满足电气特性和机械强度等多方面要求的高性能产品。采用上述2种材料，保证电缆物理机械性能和电性能，经工艺验证试验，所有性能指标均全面达到标准要求。绝缘与护套的物理机械性能的规范要求见表3.2和表3.3。表3.2绝缘物理性能表3.3护套物理机械性能4风能电缆的加工工艺4.1产品工艺路线工艺路线：图4.1工艺路线4.2产品工艺控制从产品的工艺路线来看，本课题把试制的重点集中于挤出和交联工艺，在实际的生产过程中应注意以下几个方面的问题：（1）选择合适的装置；（2）注意对挤出和收放线的速度进行适当的调节；（3）设计模具角度等、成型区及其他各处的尺寸精度，确保模具表面的光洁度；（4）确定和确保物料的挤出温度可控；（5）测定了连续硫化的生产速度。4.2.1绝缘线芯的挤出调节收放线的快慢，确保挤出外径一致，控制蒸汽压力，提高生产速度，使物料完全交联，为了确保物料的特性。通过对绝缘纸进行不同工艺条件下的试验分析，确定了最佳加工参数，并提出了相应的解决措施。仍然以机型为DN-F、断面为3X70mm2的实例，绝缘釆为EI7型，具体参数见表4.1。表4.1绝缘结构4.2.2成缆成缆时应选用带退扭绞合设备，对节距及填充进行控制，确保了成缆后缆芯圆整，该规格电缆选用成缆节距323-388mm，成缆外径32.3mm。4.2.3护套挤出调节收放线的快慢，确保挤出外径一致，控制蒸汽压力，提高生产速度，使物料完全交联，为了确保物料的特性。护套为EM7型，具体参数列于表4.2中。表4.2护套结构4.3产品质量控制以满足广大用户对于风能电缆产品需求，本文制定了《风能电缆质量控制计划》，对于风能产品的设计，原材料的釆购、在生产制造过程中、半成品的转序，质量检测仪器、生产加工设备的运行状况，现场的管理、标识等几个环节均