海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用額定電壓66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜的設(shè)計(jì)和制造

王 超,蔣正勇,甘胤嗣,楊 楊

(寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司,寶應(yīng) 225800)

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化,增加國(guó)家低碳環(huán)保貢獻(xiàn)力度,在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上,我國(guó)承諾國(guó)內(nèi)CO2的排放量爭(zhēng)取在2030 年之前達(dá)到最高峰,并努力在2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。我國(guó)有著廣闊的海洋資源,風(fēng)資源開發(fā)潛力巨大,且毗鄰用電量巨大的東南沿海,可大大降低輸電成本,因此海上風(fēng)電將是我國(guó)新能源開發(fā)的重點(diǎn)戰(zhàn)場(chǎng)。面對(duì)全球風(fēng)電成本下降的趨勢(shì),大兆瓦集電風(fēng)場(chǎng)是全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

目前有研究表明,與35 kV 海上集電系統(tǒng)相比,同等發(fā)電容量風(fēng)場(chǎng),66 kV 海上集電系統(tǒng)具有成本低的優(yōu)點(diǎn),而額定電壓為66 kV 的耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜[1]是66 kV 海上風(fēng)機(jī)里最重要的一根電纜。本工作對(duì)66 kV 海上集電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)用額定電壓66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程控制進(jìn)行了探討。

1 使用場(chǎng)合及技術(shù)特性要求

66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜主要用于中高壓發(fā)電風(fēng)機(jī)機(jī)組,風(fēng)機(jī)的容量一般在8 MW 及以上的66 kV 海上集電系統(tǒng)用風(fēng)機(jī)上。中高壓發(fā)電風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用的是西門子歌美颯發(fā)電技術(shù),電纜安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔筒和機(jī)艙中,將渦輪機(jī)頂部的變壓器連接到塔底部的開關(guān)設(shè)備,在塔內(nèi),有一段自由懸掛的電纜,該段電纜應(yīng)具有耐扭轉(zhuǎn)性能,自由懸掛長(zhǎng)度約為48 m,整根電纜長(zhǎng)度約為110 m,用于風(fēng)機(jī)機(jī)艙變壓器與塔筒上段連接的耐扭轉(zhuǎn)部位,風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)可產(chǎn)生690 V 低壓電流,通過機(jī)艙頂部的升壓變壓器,將電壓升至66 kV,高壓電流再通過66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜傳輸至塔筒底部的電氣開關(guān)柜,之后通過海底電纜傳輸至海上升壓變壓站,將電壓升至220 kV,最后通過海底電纜輸送至海岸上,與陸地上電網(wǎng)并網(wǎng)。66 kV 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部示意圖見圖1,66 kV 海上集電系統(tǒng)集電和電力輸送示意圖見圖2。

圖1 66 kV 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部示意圖

圖2 66 kV 海上集電系統(tǒng)集電和電力輸送示意圖

66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜的主要技術(shù)特性要求見表1。

表1 66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜主要性能指標(biāo)

2 電纜設(shè)計(jì)

66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜采用“3+3”圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),導(dǎo)體外繞包半導(dǎo)電層帶材,絕緣層采用三層共擠方式生產(chǎn),“導(dǎo)體屏蔽+絕緣層+絕緣屏蔽”同時(shí)擠出,“3+3”結(jié)構(gòu)成纜,擠包一層低煙無鹵外護(hù)套,主要參照IEC 60840、GB/T 33606—2017 和DIN VDE 0250—813 中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制。

GB/T 33606—2017 中要求3.6/6 kV 以上電壓等級(jí)的中高壓電纜必須包含金屬屏蔽層,金屬屏蔽層可采用金屬絲編織、金屬絲疏繞和地線芯等形式。考慮到電纜會(huì)頻繁移動(dòng)、扭轉(zhuǎn),金屬絲有斷絲的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而可能刺穿絕緣屏蔽層甚至絕緣層,造成電纜被擊穿,本工作設(shè)計(jì)的電纜采用地線芯的形式作為金屬屏蔽層,護(hù)套設(shè)計(jì)采用低煙無鹵綠色環(huán)保材料。

2.1 電纜結(jié)構(gòu)

66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖

66 kV 耐扭轉(zhuǎn)軟電力電纜設(shè)計(jì)主要考慮以下因素:①滿足低煙無鹵C 類阻燃性能;②主要用于渦輪機(jī)頂部變壓器連接到塔底部的開關(guān)設(shè)備,電纜必須具有耐扭轉(zhuǎn)性能,且具有足夠的柔軟性;③主要使用在近?；蛘哌h(yuǎn)海等場(chǎng)合,大氣中長(zhǎng)期含有無機(jī)鹽霧,電纜必須對(duì)鹽霧有耐受性;④為避免主線芯在二次硫化時(shí)被地線芯擠壓變形,須使用異形擠包方式擠包地線芯;⑤選用耐低溫性能好的絕緣護(hù)套材料,絕緣基料乙丙橡膠屬于柔順性很好的非極性材料,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)-55 ℃,低溫性能良好;護(hù)套基料乙烯-乙酸乙烯酯(EVM)的低溫性能較差,并且隨著乙酸乙烯(VA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加低溫性能越來越差,如EVM 700 牌號(hào)(VA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-9 ℃,但可以通過與橡膠并用,添加耐低溫增塑劑制成特殊的混合物,其低溫性能也能達(dá)到技術(shù)要求[2]。

2.2 主要材料選擇

(1)導(dǎo)體。該電纜導(dǎo)體采用第五類鍍錫軟銅導(dǎo)體(含銅量99.999 9%),溫度在20 ℃下銅的電阻率小于0.016 90 [Ω·(mm2·m-1)],依據(jù)IEC 60287《電纜連續(xù)負(fù)荷額定電流計(jì)算》中的規(guī)定,載流量計(jì)算公式為

式中: Δθ為導(dǎo)體溫升與環(huán)境溫度的溫差,K;R為90 ℃時(shí)導(dǎo)體交流電阻,Ω·m-1;n為電纜中載流導(dǎo)體數(shù)量;Wd為絕緣介質(zhì)損耗,W·m-1;λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù);λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù);T1為導(dǎo)體與金屬護(hù)套間絕緣層熱阻,K·(m·W-1);T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻,K·(m·W-1);T3為電纜外護(hù)層熱阻,K·(m·W-1);T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻,K·(m·W-1)。

由(1)式可以看出,相同截面積的銅導(dǎo)體,最高工作溫度下,電阻越小,載流量越高,銅材電阻率越小;本工作選用銅材的電阻率不大于0.016 90 [Ω·(mm2·m-1)],確保電纜滿足載流量的要求下可以保證導(dǎo)體截面積最小化,進(jìn)而減小導(dǎo)體直徑,降低電纜整體外徑。另外,導(dǎo)體采用復(fù)絞結(jié)構(gòu)第五類軟銅導(dǎo)體,確保電纜有足夠的柔軟性。

(2)絕緣材料。電纜絕緣采用以三元乙丙膠為基料乙丙橡膠絕緣料,三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和少量的二烯烴所形成的共聚物,因其分子主鏈?zhǔn)怯苫瘜W(xué)性能穩(wěn)定的飽和烴組成,故三元乙丙具有優(yōu)異的耐候性、耐臭氧、耐熱、耐酸堿,以及耐老化等性能。與交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣料相比,三元乙丙橡膠絕緣又具有耐水蒸氣性能的優(yōu)點(diǎn)。電性能方面,乙丙橡膠絕緣具有抗水樹性能,尤其在海上濕度大,在潮氣和交流電場(chǎng)的共同作用下,XLPE 很容易形成水樹現(xiàn)象,誘發(fā)高壓電力電纜絕緣層材料被破壞,而三元乙丙橡膠絕緣則大大降低了該風(fēng)險(xiǎn)。

(3)外護(hù)套材料。外護(hù)套材料采用兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的鹵乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVM),乙烯-乙酸乙烯酯共聚物A 10～20 份、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物B 80～ 90 份、特殊硅烷改性的氫氧化鎂160～180 份、消煙劑5～10 份、石蠟35 份、潤(rùn)滑劑25 份、防黏劑12 份、防老劑12 份、炭黑35 份、交聯(lián)劑35 份、促進(jìn)劑12 份。成品電纜外護(hù)套主要性能指標(biāo)符合IEC 60092-360 中無鹵橡膠SHF2 的要求,具體性能指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2 外護(hù)套性能指標(biāo)對(duì)比表

3 生產(chǎn)工藝控制

(1)絕緣與內(nèi)外屏蔽層擠出。電纜絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層界面是否光滑、潔凈、緊密是影響電纜使用壽命的關(guān)鍵因素之一。絕緣結(jié)構(gòu)采用“導(dǎo)體屏蔽+絕緣+絕緣屏蔽”的形式三層共擠,采用德國(guó)特勒斯特連續(xù)硫化生產(chǎn)線,運(yùn)用三層共擠機(jī)頭一次成型,減少灰塵雜質(zhì)、氣孔等存在于屏蔽層與絕緣層中的情況,產(chǎn)品擠出質(zhì)量好,界面光潔、緊密,無導(dǎo)體屏蔽的析出物或者氧化物,避免了內(nèi)屏蔽層擦傷等情況的發(fā)生,降低電纜局部放電過大的可能性,提高電纜防擊穿水平。

(2)控制絕緣偏芯度。絕緣偏芯度在中高壓電纜中是至關(guān)重要的質(zhì)量影響因素。出于控制電纜絕緣偏芯度的需求,高壓電纜采用立塔的方式垂直擠出。一般中低壓橡膠軟電纜偏芯度控制在10% 以內(nèi),對(duì)于66 kV 橡膠型軟電纜而言,偏芯度要求控制在5% 以內(nèi),因?yàn)榻^緣偏芯度過大會(huì)造成絕緣厚度分布不均,致使電纜耐壓試驗(yàn)時(shí)被擊穿,或耐壓試驗(yàn)時(shí)不能被擊穿,在使用過程中,經(jīng)過長(zhǎng)期機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)物質(zhì)應(yīng)力、電場(chǎng)應(yīng)力等作用,會(huì)較早出現(xiàn)破損、擊穿,對(duì)電纜造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞,電纜壽命大大縮短,影響使用,甚至危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。作為耐扭轉(zhuǎn)電纜,要求電纜具有柔軟性,采用第五類軟銅導(dǎo)體,導(dǎo)體經(jīng)過儲(chǔ)線輪、牽引輪擠壓后,已變形成橢圓狀,給偏芯度控制帶來極大的挑戰(zhàn),為此,本工作設(shè)計(jì)了特制絞合導(dǎo)體,該導(dǎo)體為完全正規(guī)絞合結(jié)構(gòu),配合束線和復(fù)絞線絞合方向以及束線規(guī)格的設(shè)計(jì),減小了單絲滑移距離,提升了導(dǎo)體穩(wěn)定性和抗擠壓能力。此外,在擠橡模具口增加導(dǎo)體整圓裝置,確保導(dǎo)體進(jìn)入擠橡模具時(shí)一定是圓整的。另一方面,利用擠橡設(shè)備配置的德國(guó)進(jìn)口SIKORA 測(cè)偏儀,全程監(jiān)控絕緣線芯各層厚度和偏芯度,為降低絕緣線芯偏芯度提供了可能。

(3)異形地線芯設(shè)計(jì)。本工作摒棄了傳統(tǒng)中壓電纜的金屬絲編織、金屬絲疏繞和銅帶繞包屏蔽,改用地線芯形式作為金屬屏蔽層,特制的高導(dǎo)電性橡膠型半導(dǎo)電材料異形擠包地線芯(見圖4)與主線芯一同成纜。采用異形地線芯的目的一方面是保證主線芯在二次硫化時(shí),大大減小地線芯對(duì)主線芯產(chǎn)生的擠壓,防止出現(xiàn)主線芯絕緣擠壓變形的情況,降低因局部絕緣厚度不足而產(chǎn)生的擊穿風(fēng)險(xiǎn);另一方面是保證電纜在扭轉(zhuǎn)過程中“3+3”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,避免地線芯和主線芯產(chǎn)生相對(duì)位移、跳浜等影響產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 異形地線芯

4 結(jié)束語

海上風(fēng)電建設(shè)工程規(guī)模將迅速擴(kuò)大,并向深海發(fā)展。66 kV 集電系統(tǒng)傳輸容量約為35 kV 集電系統(tǒng)的1.8 倍,應(yīng)用于同樣規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng),與35 kV集電電纜相比,66 kV 集電電纜長(zhǎng)度減少,線路損耗大幅降低,海纜投資和相應(yīng)的海纜鋪設(shè)工程費(fèi)用下降。未來大容量海上風(fēng)電機(jī)組將成為海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì),從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性兩個(gè)角度來看,66 kV 海上風(fēng)電集電方案都具有良好的應(yīng)用前景。66 kV 風(fēng)電設(shè)備用耐扭轉(zhuǎn)電纜是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的較高電壓等級(jí)的橡膠型電力電纜,為目前風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)最高的電壓等級(jí)。本工作研發(fā)的66 kV 風(fēng)電設(shè)備用耐扭轉(zhuǎn)電纜已經(jīng)完成各項(xiàng)性能檢測(cè),符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求,將在大功率海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。