风电机组用中压抗扭电缆的研制

光纤与电缆及其应用技术2015年第3期Optical Fiber & Electric Cable No.3 2015 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5 MW或6 MW 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：a.承受电压为10~35 kV，工作温度范围为–40～90 ℃；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 ±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2.5U0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1.73U0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。

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 Ω·m。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 ℃时体积电阻率不大于25 Ω·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/mm 0.30±0.05

单重/(g·cm–3) 0.68±0.03

抗张强度/(N·cm–1) ≥100

延伸率/% ≥25

表面电阻/Ω＜500

体积电阻/(Ω·cm) ＜1×105

瞬间稳定性/℃230

长期稳定性/℃145

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 60092-354—2003 船用电气设备第354 部分额定电压为6 kV（U m=7.2 kV）至30 kV（U m=36 kV）的单芯及多芯挤包实心绝缘电力电缆[S]. 2003.

[4]DIN. DIN VDE 0250-813—1985 Cables, wires and flexible