35kV风力发电用耐扭曲电力电缆的研制_李武林
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一种风力发电用耐扭曲电力电缆
［ ３ 】 周任 军，任 铁平 ，彭 高辉，等 ．配 电网运 行及 设备控 制 综合 经济 性 的无功 电压优 化 ［ Ｊ ］ ．电力 系统 自动化 ，
２ ０ ０ ５ （ ７ ） ： ４ ６ — ４ ９ ．
０ ． ５之 内［ 。 ２ ） 对于脉 冲和状态 量来说 ， 应 当实现如 下指标 ： （ １ ）１ ２路光 电隔 离输入 。
［ ８ ］ 汪 宝 ，匡 洪 海 ，郑 丽 平 ，等 ．分 布 式 发 电 与 配 电 网 的
采取 的 是主 站集 中监 控 、高速 通信 信 道调配 一 体化
协 调发 展与技 术展望 ［ Ｊ ］ ．电气 技术， ２ ０ １ ７ ， １ ８ （ ３ ） ： ５ － ９ ．
［ ９ ］ 张 晓 雪 ，牛 焕 娜 ，赵 静 翔 ．含 微 电 网 的 配 电 网 优 化
线芯 。
电线 芯和三 根地 线芯 绞合构 成缆 芯， 缆芯外 依次包 覆缆 芯
包带 层、 内护套和 外护套 。
三 相 导 电线 芯 呈 品 字 形 排 列 ， 导 电 线 芯 由导 体 沿 径 向
本 实用 新型三 相导 电线芯 外分别 设置 三层屏 蔽层 ， 大 大增强 了电缆的抗干扰 能力 ， 提高 了电缆导体 的耐扭 曲性 。
调 度［ Ｊ ］ ．电工技 术学报 ， ２ ０ １ ７ ， ３ ２ （ ７ ） ： １ ６ ５ — １ ７ ３ ． ［ １ ０ ］陈实，邰能 灵，范春菊 ，等 ．考 虑风 力发 电 的配 电 网
弱 馈 线 路 自适 应 电 流 保 护 ［ Ｊ ］ ． 电工 技 术 学 报 ，２ ０ １ ７ ，
（ ２ ）状 态量 的分 辨率 必须被 控制 在 １ ０ ｍｓ 之 内。
［ ４ ］ 徐 勇．县 级 电 网调 配 一体 化 系统 建设 方案 及 运行 效 果 分析 ［ Ｊ ］ ．机 电信 息， ２ ０ １ ５ （ ４ ） ： ７ ７ — ７ ９ ． ［ ５ 】 魏 大庆 ，袁野 ．基 于地 区 电网调 度 系统 的调配 一 体
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方法规定的 － 40 ℃ 、16 h 的低温性能试验要求。 （10） 电缆必须经受常温下扭转试验：在室温环
境下，将 10 m 长的电 缆 悬 挂 在 可 旋 转 的 转 轮 上，电 缆下部固定，转轮先顺时针扭转 1 440°，再逆时针扭 转 相 同 角 度 ，使 电 缆 恢 复 到 原 始 状 态 ，此 后 逆 时 针 扭 转 1 440°，再顺时 针 扭 转 相 同 角 度 使 电 缆 恢 复 到 初 始状态，此为一个周期，共 3 600 个周期。电 缆 经 扭 转 试 验 后 ，外 观 应 无 开 裂 现 象 ，并 且 局 部 放 电 和 电 压 试验符合规定要求。
1 电缆使用场合及技术特性要求
额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电 缆主要用于 单 机 容 量 2 MW 及 以 上 风 力 发 电 机 组 中，连接位于机舱后 部 中 压 变 压 器 的 高 压 侧 和 位 于 风力发电机塔筒底部的中压开关柜。风力发电机的 电力在机舱内经过变压 器 升 压 后，电 压 达 到 35 kV， 并经一根 35 kV 三相电缆传送到塔筒底部开关柜， 进而接入国内中压电网。
摘要：介绍了额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆的研制，详细分析了电缆的结构、材料、工 艺 控 制
要点和试验。
关键词：风力发电；耐扭曲；电力电缆；研制
中图分类号：TM247. 1
文献标识码：A
文 章 编 号 ：1672 -6901 （ 2010 ） 05 -0022 -04
Development of a Torsion Resistant 20 /35 kV Power Cable for Wind Power Generation LI Wu-lin
（8） 缆芯包带层材料。缆芯包带层材料采用高 阻燃玻璃布带，该材料在 200 ～ 600 ℃ 燃烧时能吸收 大量的热量，阻止 火 焰 蔓 延，保 护 绝 缘 层；被 动 燃 烧 时 产 生 的 烟 雾 量 少 ，能 见 度 好 ，大 大 降 低 了 火 灾 的 危 险 程 度 ，减 少 了 环 境 污 染 ；不 吸 水 并 能 防 止 电 缆 在 贮 存、运行过程中 潮 气 侵 入 绝 缘 层。 其 主 要 性 能 要 求 见表 2。
（5） 填充材料。根据使用环境和电缆正常运行 温度，填充材 料 选 择 对 绝 缘 材 料 无 影 响 （ 指 不 起 化 学反应） 、价廉的非吸湿材料。
（6） 编织屏蔽层材料。编织屏蔽层材料主要采 用符合 GB / T 4910 的镀 锡 铜 丝，为 防 止 扭 转 时 屏 蔽 层 开 裂 采 取 特 殊 设 计 ，提 高 其 耐 扭 转 性 能 。
2 产品设计
额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电 缆主要参照国外产品样本及用户相关技术资料进行 设计和研制。 2. 1 产品结构
以 3 × 35 /35 规格 为 例，图 1 为 额 定 电 压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆结构示意图。由于 电 缆 的 使 用 环 境 恶 劣 ，使 用 年 限 要 求 很 长 ，且 电 缆 随 风机不断旋转，旋转度达 ± 1 440°，故 对 电 缆 结 构 有 特 殊 要 求 ，设 计 时 必 须 考 虑 以 下 问 题 。
0引言
随 着 我 国 经 济 快 速 发 展 ，工 业 化 、城 镇 化 进 程 加 快 ，能 源 需 求 快 速 增 长 ，供 需 矛 盾 日 益 突 出 。 增 加 能 源的多元化供应和确保能源安全已成为经济社会发 展的重要任务，开发 利 用 可 再 生 能 源 已 成 为 国 家 能 源发展战略的重要组成部分。作为可再生能源之一 的风力发电，由于 资 源 潜 力 巨 大，环 境 污 染 低，可 永 续 利 用 ，而 且 发 电 技 术 已 基 本 成 熟 ，经 济 性 已 接 近 常 规能源，在我国 得 到 了 高 度 重 视。 我 国 具 有 丰 富 的 风能资源，全国陆地可利用风能资源 3 亿 kW，加 上 近岸海 域 可 利 用 风 能 资 源，共 计 约 10 亿 kW，国 家 《可再生能 源 中 长 期 发 展 规 划 》提 出 了 到 2010 年， 全国风电总装机容量达到 500 万 kW，到 2020 年，全 国风电总装 机 容 量 达 到 3 000 万 kW 的 发 展 目 标。 这 一 巨 大 市 场 ，必 将 带 来 风 电 行 业 的 蓬 勃 发 展 。
第 5 种镀锡软铜导 体，并 对 绞 合 结 构 进 行 了 优 化 设 计 ，以 确 保 电 缆 的 柔 软 性 能 。
（2） 电缆的使用环境。由于电缆的使用环境非 常恶劣，所以对于 绝 缘、护 套 材 料 的 选 择 至 关 重 要， 必须要选择能够在各种恶劣环境中都能保持优异性 能的材 料［1］。 选 用 乙 丙 橡 胶 混 合 物 绝 缘 材 料 和 聚 氨酯复合护套材料完全能够达到使用要求。
此电缆在最上节塔筒内部悬垂（ 大约 20 m） ，上 端 随 机 舱 转 动 ，下 端 固 定 到 塔 筒 上 ，所 以 此 段 电 缆 承 受风机机舱迎风 时 的 扭 转。 下 部 塔 筒 中，电 缆 固 定 到塔筒内壁上为固定敷设。
电缆的主要技术特性要求： （1） 电缆的设计使用寿命为 20 年。 （2） 电缆使用的环境温度为 － 40 ～ + 50 ℃ 。 （3） 导体长期的最高工作温度为 90 ℃ ，瞬时短 路电流引起最高短路温度不超过 250 ℃ 。 （4） 电缆的最小弯曲半径为电缆直径的 6 倍。 （5） 电缆能 够 经 受 IEC 60332-1-2 单 根 垂 直 燃
DOI:10.16105/ki.dxdl.2010.05.007
2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2010 年 10 月 Oct. ，2010
20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆的研制
李武林
（ 宝胜科技创新股份有限公司，江苏 宝应 225800）
（4） 绝缘材料。绝缘材料采用符合 IEC 60092351 的乙丙橡 胶 混 合 物，但 抗 张 强 度 应 不 小 于 6. 5 MPa。乙丙橡胶 混 合 物 具 有 较 好 的 化 学 稳 定 性、优 良 的 耐 热 老 化 性 、优 异 的 耐 寒 性 、卓 越 的 电 绝 缘 性 能 和耐臭氧、耐气候 性，并 且 无 毒 无 臭，完 全 满 足 电 缆 使用的需求。
2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2010 年 10 月 Oct. ，2010
烧试验和 IEC 60332-3 C 类成束燃烧试验要求。 （6） 电 缆 燃 烧 时 释 出 气 体 的 测 定 能 符 合 IEC
60754-1、IEC 60754-2 的要求。 （7） 电缆必须具有耐油性能。 （8） 电缆必须具有耐紫外线辐射性能。 （9） 电缆外 护 套 能 够 经 受 IEC 60811-1-4 试 验
表 1 半导电包带主要性能
项目名称
指标要求
厚度 /mm
0. 10 ± 0. 02 0. 12 ± 0. 02 0. 14 ± 0. 02
单重 /（ g /m2 ）
90 ± 10
100 ± 10
110 ± 10
抗张强度 / MPa
≥100
≥120
≥140
断裂伸长率 /%
≥25
≥25
≥25
表面电阻率 /Ω 体积电阻率 / （ Ω·cm）
风力 发 电 行 业 的 快 速 发 展，催 生 了 对 风 力 发 电 用 电 缆 的 需 求 。 例 如 ：用 于 机 舱 内 的 软 电 线 、控 制 电 缆、数据电缆；用于 塔 架 内 的 布 电 线、耐 扭 曲 电 力 电 缆等。由于风力发 电 场 的 环 境 恶 劣，风 机 使 用 年 限 较 长 ，并 且 有 些 电 缆 还 需 随 风 机 不 断 转 动 ，对 电 缆 的 性能要求很高。以 前 这 些 电 缆 主 要 依 赖 进 口，价 格 昂 贵 。 近 年 来 ，国 内 许 多 生 产 企 业 进 行 了 研 发 ，已 生 产出耐低温、耐紫 外 线、耐 油、耐 扭 曲 的 风 力 发 电 用
（ Baosheng Technical Innovation Co. ，Ltd. ，Baoying 225800，China） Abstract： The development of a torsion resistant power cable for wind power generation with rated voltages of 20 /35 kV is presented. The cable construction，materials，essentials of process control and tests were analyzed in detail. Key words： wind power generation； torsion resistance； power cable； development
（1） 导体材料。导体材料选用优质退火无氧 铜，根 据 使 用 条 件，选 用 符 合 DIN VDE 0295 / IEC 60228 标准要求 的 第 5 种 镀 锡 软 铜 导 体，导 体 表 面 镀 层 应 均 匀 、光 亮 、无 氧 化 和 毛 刺 等 。
（2） 隔离层材料。隔离层材料采用半导电包 带，其主要性能要求见表 1。
·23·
2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
10 年 10 月 Oct. ，2010
（7） 外屏蔽包带层和编织屏蔽包带层材料。外 屏蔽包带 层 和 编 织 屏 蔽 包 带 层 材 料 采 用 半 导 电 包 带，其主要性能要求见表 1。
境下，将 10 m 长的电 缆 悬 挂 在 可 旋 转 的 转 轮 上，电 缆下部固定，转轮先顺时针扭转 1 440°，再逆时针扭 转 相 同 角 度 ，使 电 缆 恢 复 到 原 始 状 态 ，此 后 逆 时 针 扭 转 1 440°，再顺时 针 扭 转 相 同 角 度 使 电 缆 恢 复 到 初 始状态，此为一个周期，共 3 600 个周期。电 缆 经 扭 转 试 验 后 ，外 观 应 无 开 裂 现 象 ，并 且 局 部 放 电 和 电 压 试验符合规定要求。
1 电缆使用场合及技术特性要求
额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电 缆主要用于 单 机 容 量 2 MW 及 以 上 风 力 发 电 机 组 中，连接位于机舱后 部 中 压 变 压 器 的 高 压 侧 和 位 于 风力发电机塔筒底部的中压开关柜。风力发电机的 电力在机舱内经过变压 器 升 压 后，电 压 达 到 35 kV， 并经一根 35 kV 三相电缆传送到塔筒底部开关柜， 进而接入国内中压电网。
摘要：介绍了额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆的研制，详细分析了电缆的结构、材料、工 艺 控 制
要点和试验。
关键词：风力发电；耐扭曲；电力电缆；研制
中图分类号：TM247. 1
文献标识码：A
文 章 编 号 ：1672 -6901 （ 2010 ） 05 -0022 -04
Development of a Torsion Resistant 20 /35 kV Power Cable for Wind Power Generation LI Wu-lin
（8） 缆芯包带层材料。缆芯包带层材料采用高 阻燃玻璃布带，该材料在 200 ～ 600 ℃ 燃烧时能吸收 大量的热量，阻止 火 焰 蔓 延，保 护 绝 缘 层；被 动 燃 烧 时 产 生 的 烟 雾 量 少 ，能 见 度 好 ，大 大 降 低 了 火 灾 的 危 险 程 度 ，减 少 了 环 境 污 染 ；不 吸 水 并 能 防 止 电 缆 在 贮 存、运行过程中 潮 气 侵 入 绝 缘 层。 其 主 要 性 能 要 求 见表 2。
（5） 填充材料。根据使用环境和电缆正常运行 温度，填充材 料 选 择 对 绝 缘 材 料 无 影 响 （ 指 不 起 化 学反应） 、价廉的非吸湿材料。
（6） 编织屏蔽层材料。编织屏蔽层材料主要采 用符合 GB / T 4910 的镀 锡 铜 丝，为 防 止 扭 转 时 屏 蔽 层 开 裂 采 取 特 殊 设 计 ，提 高 其 耐 扭 转 性 能 。
2 产品设计
额定电压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电 缆主要参照国外产品样本及用户相关技术资料进行 设计和研制。 2. 1 产品结构
以 3 × 35 /35 规格 为 例，图 1 为 额 定 电 压 20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆结构示意图。由于 电 缆 的 使 用 环 境 恶 劣 ，使 用 年 限 要 求 很 长 ，且 电 缆 随 风机不断旋转，旋转度达 ± 1 440°，故 对 电 缆 结 构 有 特 殊 要 求 ，设 计 时 必 须 考 虑 以 下 问 题 。
0引言
随 着 我 国 经 济 快 速 发 展 ，工 业 化 、城 镇 化 进 程 加 快 ，能 源 需 求 快 速 增 长 ，供 需 矛 盾 日 益 突 出 。 增 加 能 源的多元化供应和确保能源安全已成为经济社会发 展的重要任务，开发 利 用 可 再 生 能 源 已 成 为 国 家 能 源发展战略的重要组成部分。作为可再生能源之一 的风力发电，由于 资 源 潜 力 巨 大，环 境 污 染 低，可 永 续 利 用 ，而 且 发 电 技 术 已 基 本 成 熟 ，经 济 性 已 接 近 常 规能源，在我国 得 到 了 高 度 重 视。 我 国 具 有 丰 富 的 风能资源，全国陆地可利用风能资源 3 亿 kW，加 上 近岸海 域 可 利 用 风 能 资 源，共 计 约 10 亿 kW，国 家 《可再生能 源 中 长 期 发 展 规 划 》提 出 了 到 2010 年， 全国风电总装机容量达到 500 万 kW，到 2020 年，全 国风电总装 机 容 量 达 到 3 000 万 kW 的 发 展 目 标。 这 一 巨 大 市 场 ，必 将 带 来 风 电 行 业 的 蓬 勃 发 展 。
第 5 种镀锡软铜导 体，并 对 绞 合 结 构 进 行 了 优 化 设 计 ，以 确 保 电 缆 的 柔 软 性 能 。
（2） 电缆的使用环境。由于电缆的使用环境非 常恶劣，所以对于 绝 缘、护 套 材 料 的 选 择 至 关 重 要， 必须要选择能够在各种恶劣环境中都能保持优异性 能的材 料［1］。 选 用 乙 丙 橡 胶 混 合 物 绝 缘 材 料 和 聚 氨酯复合护套材料完全能够达到使用要求。
此电缆在最上节塔筒内部悬垂（ 大约 20 m） ，上 端 随 机 舱 转 动 ，下 端 固 定 到 塔 筒 上 ，所 以 此 段 电 缆 承 受风机机舱迎风 时 的 扭 转。 下 部 塔 筒 中，电 缆 固 定 到塔筒内壁上为固定敷设。
电缆的主要技术特性要求： （1） 电缆的设计使用寿命为 20 年。 （2） 电缆使用的环境温度为 － 40 ～ + 50 ℃ 。 （3） 导体长期的最高工作温度为 90 ℃ ，瞬时短 路电流引起最高短路温度不超过 250 ℃ 。 （4） 电缆的最小弯曲半径为电缆直径的 6 倍。 （5） 电缆能 够 经 受 IEC 60332-1-2 单 根 垂 直 燃
DOI:10.16105/ki.dxdl.2010.05.007
2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2010 年 10 月 Oct. ，2010
20 /35 kV 风力发电用耐扭曲电力电缆的研制
李武林
（ 宝胜科技创新股份有限公司，江苏 宝应 225800）
（4） 绝缘材料。绝缘材料采用符合 IEC 60092351 的乙丙橡 胶 混 合 物，但 抗 张 强 度 应 不 小 于 6. 5 MPa。乙丙橡胶 混 合 物 具 有 较 好 的 化 学 稳 定 性、优 良 的 耐 热 老 化 性 、优 异 的 耐 寒 性 、卓 越 的 电 绝 缘 性 能 和耐臭氧、耐气候 性，并 且 无 毒 无 臭，完 全 满 足 电 缆 使用的需求。
2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2010 年 10 月 Oct. ，2010
烧试验和 IEC 60332-3 C 类成束燃烧试验要求。 （6） 电 缆 燃 烧 时 释 出 气 体 的 测 定 能 符 合 IEC
60754-1、IEC 60754-2 的要求。 （7） 电缆必须具有耐油性能。 （8） 电缆必须具有耐紫外线辐射性能。 （9） 电缆外 护 套 能 够 经 受 IEC 60811-1-4 试 验
表 1 半导电包带主要性能
项目名称
指标要求
厚度 /mm
0. 10 ± 0. 02 0. 12 ± 0. 02 0. 14 ± 0. 02
单重 /（ g /m2 ）
90 ± 10
100 ± 10
110 ± 10
抗张强度 / MPa
≥100
≥120
≥140
断裂伸长率 /%
≥25
≥25
≥25
表面电阻率 /Ω 体积电阻率 / （ Ω·cm）
风力 发 电 行 业 的 快 速 发 展，催 生 了 对 风 力 发 电 用 电 缆 的 需 求 。 例 如 ：用 于 机 舱 内 的 软 电 线 、控 制 电 缆、数据电缆；用于 塔 架 内 的 布 电 线、耐 扭 曲 电 力 电 缆等。由于风力发 电 场 的 环 境 恶 劣，风 机 使 用 年 限 较 长 ，并 且 有 些 电 缆 还 需 随 风 机 不 断 转 动 ，对 电 缆 的 性能要求很高。以 前 这 些 电 缆 主 要 依 赖 进 口，价 格 昂 贵 。 近 年 来 ，国 内 许 多 生 产 企 业 进 行 了 研 发 ，已 生 产出耐低温、耐紫 外 线、耐 油、耐 扭 曲 的 风 力 发 电 用
（ Baosheng Technical Innovation Co. ，Ltd. ，Baoying 225800，China） Abstract： The development of a torsion resistant power cable for wind power generation with rated voltages of 20 /35 kV is presented. The cable construction，materials，essentials of process control and tests were analyzed in detail. Key words： wind power generation； torsion resistance； power cable； development
（1） 导体材料。导体材料选用优质退火无氧 铜，根 据 使 用 条 件，选 用 符 合 DIN VDE 0295 / IEC 60228 标准要求 的 第 5 种 镀 锡 软 铜 导 体，导 体 表 面 镀 层 应 均 匀 、光 亮 、无 氧 化 和 毛 刺 等 。
（2） 隔离层材料。隔离层材料采用半导电包 带，其主要性能要求见表 1。
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2010 年第 5 期 No. 5 2010
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
10 年 10 月 Oct. ，2010
（7） 外屏蔽包带层和编织屏蔽包带层材料。外 屏蔽包带 层 和 编 织 屏 蔽 包 带 层 材 料 采 用 半 导 电 包 带，其主要性能要求见表 1。