应用于风电机组中的电缆要求及扭转柔韧性测试方法

应用于风电机组中的电缆要求及扭转柔韧性测试方法

随着传统能源的存储量越来越越少，许多国家都在鼓励发展可再生能源。风能作为一种成熟技术，正迅速成为最具吸引力的可再生能源。由于风电设施通常选址在可最高效利用风能的恶劣环境，风能使用的电缆面临着一系列的挑战。本文介绍了风电行业目前的发展状况，重点讨论了风电机组中所采用的电缆的性能、要求和测试程序。引言因为诸如石油、天然气和煤炭等传统能源的储量限制加之不断增加的能源需求，人们对于开发可再生能源的兴趣日益增加。水电、风电、太阳能、地热能、潮汐与海浪能以及沼气能等众多可再生能源都已有数十年的发展历史。虽然可再生能源只满足整个能源需求的一小部分，但这些新能源的光明前景已在全球得到广泛认可。除传统能源储量的减少外，石化燃料电厂造成的污染是可再生能源受青睐的另一个因素。作为化石燃料替代品的风能具有储量丰富、可再生、分布广、清洁等特点，且在发电期间不会产生温室气体排放。到2009年底，全球风电机组的标称容量为159.2GW、所发的电能为340TWh，大约是全球使用电能的2%。过去三年，全球风电机组装机容量翻了一倍。就现有风机的维护和新建风电场来说，工程师和设计师不可避免地要为这些应用选择合适的电缆。例如：风电机舱内部应该使用可连续挠曲的控制和数据电缆；在风电机塔内应该使用可扭转挠曲的电缆。除了这种柔曲性要求外，还应考虑耐热、抗磨损、抗油及其它化学物质等要求。电缆选择的复杂性很容易造成决策错误，并导致不必要的死机和代价高昂的维护。风电应用对电缆的要求一般来说，风场位于特殊气候条件的恶劣环境中，例如，强风、强紫外线和含盐度很高的空气等。正因如此，风电应用中的电缆性能无疑比其它应用更高。而风机内的运动部件进一步提高了正确选择电缆的重要性。现有风场的维护和新的大规模风场开发都需要考虑采用高等级的电力电缆、数据与控制电缆和通信电缆，它们决定了电网和通信系统的互连质量。单个风电机组所需的电缆数量比人们想像的要多。例如，一台90米高的1.25MW风力发电机需要约1km的电力电缆。这样算，50MW装机容量的风场将需要40km的电缆。风电机组工作在恶劣环境，这种环境一般具有宽温度范围（约-40℃至50℃）、并且暴露在极强紫外线的照射下。因此，要达到预期的使用寿命，所使用的特殊电缆需要能够承受-40℃的低温及可抵御紫外线的辐射。对风机内的运动部件而言，电缆应具有优异的扭转和弯曲柔韧性，并具有很小的弯曲半径。电缆还需要能抗燃料、抗冷冻剂、耐油、耐腐蚀性化学品及抗磨损。如果风场是靠近海岸的陆地或位于海上，电缆都还必须耐高含盐水的侵蚀。出于安全考虑，除上述要求外，还要求电缆具有阻燃性。在某些情况下，还要求低烟、零卤素（LSZH）材料和EMI保护等其它特性。综上所述，风电应用中使用的电缆一般应满足以下要求：（1）导线为尽量提高柔曲性，推荐设计工程师只使用多股数的退火软铜线。在弯曲绕折类应用中，采用短的同心绞线构造；在扭转绕折类应用中，采用长的同心绞线构造。面积大于6mm2（10AWG）的导线要求使用复合绞线结构。（2）绝缘为增加低温柔韧性，通常选择热塑性橡胶（TPE）、乙丙橡胶（EPR，一种EPM或EPDM）或硅橡胶（SiR）作为绝缘材料，以抵抗臭氧腐蚀和发热引起的老化。PVC/尼龙绝缘由于具有高电介强度也得到了广泛应用。（3）护套电缆护套既可以是诸如聚氯乙烯（CPE）、聚氯丁烯（氯丁橡胶）、氯磺化聚乙烯（CSPE）合成橡胶等热固性化合物；也可是类似TPE、TPE-PVC合金和聚亚安酯等热塑性化合物。这些材料都具有抗油、抗燃料、耐溶剂腐蚀等能力，并且在低温下具有出色的柔韧性。这种特性使其成为风电电缆的理想护套材料。应当注意，电缆结构也是电缆柔韧性的决定性因素。采用平衡结构的对称导线设计通常具有高柔韧性。即使电缆制造时遵循这些一般规则，仍强烈建议进行完全的测试，以仿真“实际”应用。电缆测试方法和程序根据风向，需要由偏航驱动器调整风机角度。电力、控制和通信电缆要么沿水平轴弯曲，要么沿垂直轴旋转。这就对扭转挠曲性要求更加严格，也需要更多关注。虽然目前没有扭转挠曲性方面的标准或法规，但最终用户通常仍追求电缆在投入使用前能通过某些方式的测试。下面是电缆行业中最终用户采用的一般测试方法。（1）单根电缆在低温（-40℃）下的扭转应力测试：将一根10米长的垂直悬挂电缆样品的顶端固定，底端绑定到一个旋转装置上。首先，将电缆顺时钟扭转4圈（+1440o），然后逆时针回转4圈，恢复到原始位置。接着将电缆逆时针扭转4圈（-1440o），然后顺时针回转4圈，恢复到原始位置。重复上述整个过程5000次以模拟20年的使用情况。如果在2.5U0条件下经过5分钟，电缆没被击穿、护套也没有裂纹，那么这根电缆就通过了测试。注意：取决于电缆的电压等级，U0可以是600、1000或2000V。（2）一束电缆的扭转应力测试测试程序与（1）相同，只是换成了电缆束。风电电缆标准目前还没有专门针对风电应用中使用电缆的标准。许多电缆制造商遵循IEC60228Class5或6（类似于DINVDE0295Class5或6、HD383、GB/T3956Class5或6）标准，使用光面或镀金属的退火多股铜线作为风电电缆导线以获得所需的柔韧性。有趣的是，IEC60228只为电力电缆规定了导线的标称横截面面积和导线中电线的数量和尺寸，这给电缆制造商提供了很大自由度。因此，即使电缆满足IEC60288Class5或6的要求，电缆性能也经常会不尽如人意。而UL62（涉及多个ASTM标准）不仅规定了导线中每股电线的尺寸和数量，还规定了导线结构（如同心绞线、复合绞线和集合绞线等结构），这些都是电缆柔韧性性能的关键。至于绝缘和护套，许多制造商遵循DINVDE0207-20和DINVDE0207-21。HD22.1、HD22.4、UL44和UL62也成为电缆生产的通用标准。诸如UL758、UL1581、UL1277、UL2277、IEC60332等其它标准也经常被用于支持一些额外特性，如风机机架电缆（WTTC）规范和可燃性等级要求。由于欧洲国家早于北美国家开发用于风能市场的电缆，因此电缆制造商目前更多的采用欧洲标准。尽管如此，类似的美国UL标准具有相同功用，且在某些情况下，UL标准对风