風(fēng)力發(fā)電用鋁合金芯耐扭電纜應(yīng)用可行性

馬遼林,楊奇鋒,胡湘華,黃鈺棋,李華斌

(湖南華菱線纜股份有限公司 特種線纜制備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湘潭 411101)

0 引 言

我國(guó)銅資源匱乏且價(jià)格居高不下,而鋁的密度小,其價(jià)格約為銅的1/3,因此,鋁合金芯電纜因成本低而廣泛應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。目前,常見的風(fēng)力發(fā)電用鋁合金芯電纜采用GB/T 3956—2008《電纜的導(dǎo)體》中第2 種鋁合金緊壓導(dǎo)體,僅能用于塔筒內(nèi)固定敷設(shè)[1],其上端與風(fēng)機(jī)專用銅芯耐扭電纜相連接,而鋁合金芯耐扭電纜尚未出現(xiàn)。原因是,為減少風(fēng)能損失,風(fēng)力發(fā)電偏航控制系統(tǒng)跟隨風(fēng)向的變化及時(shí)做出調(diào)整,使葉輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向以保持葉輪轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,同時(shí)帶動(dòng)塔筒上端的電纜在限定的角度內(nèi)扭轉(zhuǎn)。然而,鋁合金的強(qiáng)度和抗疲勞性能比銅的低,在長(zhǎng)時(shí)間的扭轉(zhuǎn)作用下,鋁合金導(dǎo)體可能出現(xiàn)一些預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn),如導(dǎo)體斷絲、局部電阻增加引起電纜發(fā)熱和燃燒,甚至造成系統(tǒng)停止工作,給機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。因此,相關(guān)的應(yīng)用研究較少,鋁合金芯耐扭電纜還沒有被風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)人員和用戶所接受。本工作通過扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),分析了扭轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)體斷絲率與扭轉(zhuǎn)角度、扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度及導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,并結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)景對(duì)鋁合金芯耐扭電纜的應(yīng)用可行性進(jìn)行了研究。

1 技術(shù)要求

鋁合金芯耐扭電纜應(yīng)具有良好的電性能、機(jī)械性能和優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性,包括阻燃、耐低溫、耐老化、耐油、耐彎曲和耐扭曲等。參照風(fēng)力發(fā)電用銅芯耐扭曲軟電纜標(biāo)準(zhǔn)[2]要求,電纜應(yīng)經(jīng)受不少于10 000 個(gè)周期(10 000 次)的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),完成試驗(yàn)后應(yīng)檢查電纜的外表是否扭曲變形、護(hù)套是否有開裂,而且扭轉(zhuǎn)后的電纜要經(jīng)受浸水電壓試驗(yàn)且未擊穿。對(duì)于鋁合金芯電纜,本工作需要扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步檢查導(dǎo)體的斷絲情況。

2 結(jié)構(gòu)與材料

2.1 電纜的結(jié)構(gòu)

鋁合金芯耐扭電纜由多股鋁合金單線絞合軟導(dǎo)體、隔離層、絕緣層和護(hù)套層組成。鋁合金芯耐扭電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鋁合金芯耐扭電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 導(dǎo)體

根據(jù)電纜的技術(shù)要求,電纜的導(dǎo)體應(yīng)具有良好的電性能和機(jī)械物理性能。與常規(guī)純鋁相比,8030系鋁合金配方體系中添加了銅、鐵、鎂等元素后[3],其綜合性能較好。因此,導(dǎo)體選用符合 GB/T 3954—2014《電工圓鋁桿》要求的8030 系鋁合金桿,經(jīng)大拉、中拉和細(xì)拉等3 道工序后,將直徑為9.5 mm 的鋁桿加工成直徑為0.5～0.6 mm 的鋁合金單絲。鋁合金單絲經(jīng)束絞、復(fù)絞工序,得到鋁合金軟導(dǎo)體,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 鋁合金軟導(dǎo)體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 隔離層

由多股鋁合金單線絞合而成的軟導(dǎo)體表面空隙較多,為避免絕緣材料嵌入導(dǎo)體表面空隙影響絕緣層的剝離,導(dǎo)體與絕緣層之間的隔離層不可缺少。常用包覆帶材料有無(wú)紡布帶、聚酯帶和涂橡膠棉布帶等。

2.4 絕緣和護(hù)套

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29631—2013《額定電壓1.8/3 kV 及以下風(fēng)力發(fā)電用耐扭曲軟電纜》,絕緣材料選用乙丙橡膠(EPR),其抗張強(qiáng)度不小于6.5 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率不小于250%;護(hù)套材料選用SH 型熱固性彈性材料,其抗張強(qiáng)度不小于12 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率不小于300%。絕緣和護(hù)套材料工作溫度等級(jí)均為90 ℃。在-40 ℃溫度下,絕緣和護(hù)套材料的斷裂伸長(zhǎng)率不低于80%。

3 試驗(yàn)部分

3.1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在相同載流量的前提下,鋁合金導(dǎo)體應(yīng)比銅芯導(dǎo)體高兩個(gè)規(guī)格[4]。因此,本工作采用鋁合金芯軟電纜FDLHEH 1×300 mm2替代銅芯電纜FDEH 1×185 mm2,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法參照GB/T 29631—2013 附錄B,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)示意圖見圖2。

圖2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)示意圖

圖2 中,電纜樣品長(zhǎng)度為12 m,垂直段高度(h)為7～9 m。為驗(yàn)證鋁合金芯導(dǎo)體斷絲率的影響因素,本工作對(duì)不同導(dǎo)體絞合方向和節(jié)徑比的多根電纜樣品進(jìn)行試驗(yàn),考查了不同扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)周期后的斷絲情況,其試驗(yàn)結(jié)果見表2。其中,取3 段5號(hào)電纜樣品進(jìn)行試驗(yàn),分別在扭轉(zhuǎn)10 000,20 000,50 000 次時(shí)取出解剖,檢查其斷絲結(jié)果。

表2 電纜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 結(jié)果討論

3.2.1 導(dǎo)體絞合方向?qū)嘟z率的影響

表2 中1 號(hào)電纜樣品和3 號(hào)電纜樣品導(dǎo)體絞合方向不同,在相同的試驗(yàn)條件下,異向絞合導(dǎo)體的斷絲率高于同向絞合導(dǎo)體。

通常,導(dǎo)體絞合時(shí)采用相鄰層方向相反即異向絞合的方式有利于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,但對(duì)于扭纜,異向絞合的方式增加了導(dǎo)體斷絲的可能性。當(dāng)電纜向與導(dǎo)體最外層絞向一致的方向扭轉(zhuǎn)時(shí),外層導(dǎo)體承受拉伸力,相鄰內(nèi)層受到擠壓力,次內(nèi)層承受拉伸力;當(dāng)電纜向與導(dǎo)體最外層絞向相反的方向扭轉(zhuǎn)時(shí),外層導(dǎo)體承受擠壓力,相鄰內(nèi)層受到拉伸力,次內(nèi)層承受擠壓力。在絕緣和護(hù)套層的包覆下,導(dǎo)體各層緊密接觸,因此電纜扭轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部各層股線存在不同方向的拉伸和擠壓交替變化的應(yīng)力,這種應(yīng)力不能得到緩沖消除,最終使股線產(chǎn)生疲勞形變而斷裂。若在某一點(diǎn)出現(xiàn)斷絲情況,內(nèi)部應(yīng)力會(huì)得到集中釋放,引起斷絲范圍擴(kuò)大,相鄰的多股或多層斷裂。檢查完成扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后的電纜導(dǎo)體,發(fā)現(xiàn)靠近外層的次外層股線斷絲更多,見圖3。

圖3 扭轉(zhuǎn)后導(dǎo)體斷絲情況

3.2.2 絞合節(jié)徑比對(duì)斷絲率的影響

導(dǎo)體絞合節(jié)徑比是指導(dǎo)體股線繞中心軸前進(jìn)一周的距離與當(dāng)前股線所處的外徑之比。一般情況下,絞合節(jié)徑比越小,電纜越柔軟,彎曲性能越好[5]。表2 中,3 號(hào)電纜樣品和4 號(hào)電纜樣品的導(dǎo)體復(fù)絞節(jié)徑比不同,復(fù)絞節(jié)徑比增加,導(dǎo)體斷絲率減小,其機(jī)理分析如下。

本試驗(yàn)以FDLHEH 1×300 mm2電纜為例。設(shè)定電纜在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上沿導(dǎo)體絞合的方向扭轉(zhuǎn),忽略扭轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)體軸向長(zhǎng)度的變化,則電纜在被扭轉(zhuǎn)時(shí),導(dǎo)體節(jié)距減小,扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度內(nèi)節(jié)距數(shù)量增加。扭轉(zhuǎn)后節(jié)徑比計(jì)算公式為

式中:L為扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度,m;m為初始狀態(tài)絞合節(jié)徑比;m'為扭轉(zhuǎn)后節(jié)徑比;n為扭轉(zhuǎn)圈數(shù);D為導(dǎo)體外徑,mm。

1 個(gè)節(jié)距內(nèi)股線的實(shí)際長(zhǎng)度與節(jié)距長(zhǎng)度之比為絞入系數(shù),其計(jì)算公式為

式中:K為絞入系數(shù);M為絞合節(jié)徑比。

在試驗(yàn)條件下L取值9 m,實(shí)際安裝條件下L取值30 m,絞合節(jié)徑比m取值14～30,扭轉(zhuǎn)圈數(shù)n取值2 或4,導(dǎo)體外徑D取值26 mm。由式(1)和式(2)可以計(jì)算出導(dǎo)體最外層股線扭轉(zhuǎn)過程中絞入系數(shù)的變化值,進(jìn)而得到伸長(zhǎng)率,伸長(zhǎng)率-節(jié)徑比曲線圖見圖4。

圖4 不同條件下伸長(zhǎng)率-節(jié)徑比曲線

由圖4 可知:導(dǎo)體股線絞合節(jié)徑比越小,扭轉(zhuǎn)過程中股線伸長(zhǎng)率越大。在絞合節(jié)徑比為14、扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度為9 m、扭轉(zhuǎn)4 圈時(shí),導(dǎo)體股線伸長(zhǎng)率為0.84%。當(dāng)電纜開始逆著股線絞合的方向扭轉(zhuǎn)時(shí),股線的伸長(zhǎng)率逐漸降為零,繼而有被壓縮的趨勢(shì)。因有外層股線、包帶層、絕緣層和護(hù)套層的束縛作用,導(dǎo)體股線受到擠推力,僅在局部出現(xiàn)輕微彎曲變形的現(xiàn)象,見圖5。

圖5 扭轉(zhuǎn)后導(dǎo)體變形

經(jīng)過一定周期的扭轉(zhuǎn)后,鋁合金導(dǎo)體股線反復(fù)受力產(chǎn)生疲勞,出現(xiàn)斷絲的概率大幅度增加。

通常,在電纜設(shè)計(jì)時(shí)采用較小的節(jié)徑比以提高電纜的柔軟性能和耐彎曲性能,但對(duì)于鋁合金芯扭纜,減小節(jié)徑比不利于電纜的耐扭轉(zhuǎn)性能的改善。

3.2.3 扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度對(duì)斷絲率的影響

由表2 的試驗(yàn)結(jié)果可知:扭轉(zhuǎn)角度小,導(dǎo)體斷絲率低;在扭轉(zhuǎn)角度為720°時(shí),股線的斷絲率可以降為零。由圖4 可知:在長(zhǎng)度為9 m、節(jié)徑比為14、扭轉(zhuǎn)角度為1 440°時(shí),股線的伸長(zhǎng)率達(dá)到0.84%,斷絲的概率極大;在長(zhǎng)度為30 m,節(jié)徑比為30,扭轉(zhuǎn)角度為720°時(shí),股線的伸長(zhǎng)率約為0.06%,斷絲的風(fēng)險(xiǎn)降到了最低。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,電纜的扭轉(zhuǎn)角度由偏航系統(tǒng)控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)偏航在某個(gè)方向達(dá)到720°時(shí),觸發(fā)軟件限位,機(jī)組將停機(jī)并自動(dòng)解纜,向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù),將機(jī)組返回電纜無(wú)纏繞位置[6]。因此,正反兩圈的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)更具有實(shí)際意義。

綜上,試驗(yàn)過程中扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)體斷絲率的影響極為明顯。然而,在電纜實(shí)際應(yīng)用中,因電纜扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到限位設(shè)定值的頻次并不高,同時(shí)電纜安裝長(zhǎng)度一般在18～40 m 之間,所以扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度對(duì)斷絲率的影響可以被忽略。

3.2.4 扭轉(zhuǎn)周期對(duì)斷絲率的影響

試驗(yàn)通過考察扭轉(zhuǎn)周期對(duì)斷絲率的影響,發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng),出現(xiàn)斷絲的可能性越大。本工作采用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)方案,在正反兩圈的條件下同時(shí)進(jìn)行多根電纜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),檢查不同階段的狀態(tài)。結(jié)果表明,在10 000 次和30 000 次扭轉(zhuǎn)時(shí)沒有出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象,即使增加到50 000 次,導(dǎo)體的斷絲率仍為零。

3.2.5 其他非金屬材料對(duì)斷絲率的影響

在鋁合金導(dǎo)體拉絲過程中,鋁拉絲油起到潤(rùn)滑作用,能防止單絲拉斷,增加表面光滑度。在此也認(rèn)為,鋁合金單絲拉拔完成后表面存留的少量油性潤(rùn)滑劑有利于導(dǎo)體彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí)股線之間的相對(duì)滑動(dòng),但不宜過多。類似地,為了增加導(dǎo)體股線之間的可滑移性,減弱導(dǎo)體包覆層對(duì)導(dǎo)體的束縛作用,包帶材料應(yīng)采用涂橡膠棉布帶。絕緣和護(hù)套材料除了滿足基本的性能要求之外還應(yīng)具有優(yōu)良的柔軟性,特別是在低溫環(huán)境下,還應(yīng)具有優(yōu)良的回彈性能。

3.2.6 生產(chǎn)工藝對(duì)斷絲率的影響

為確保導(dǎo)體絞制過程中的一致性,股線放線張力應(yīng)一致,避免蛇形出現(xiàn);其次,應(yīng)精準(zhǔn)控制絕緣和護(hù)套的偏心度不大于8%。

4 結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)機(jī)塔筒中鋁合金芯電纜完全替代銅芯電纜是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),本工作研究了鋁合金芯耐扭電纜應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的可行性。

1)在試驗(yàn)驗(yàn)證的前提下,結(jié)合理論推導(dǎo),設(shè)計(jì)了最優(yōu)的導(dǎo)體結(jié)構(gòu),絕緣選用高于標(biāo)準(zhǔn)要求的橡膠材料,既保證了扭轉(zhuǎn)性能,又不影響電纜的彎曲性能,電纜經(jīng)受了正反兩圈的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),扭轉(zhuǎn)周期超過了50 000 次,導(dǎo)體未出現(xiàn)斷絲。

2)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29631—2013 中附錄B 主要考核電纜被扭轉(zhuǎn)后外表是否有開裂、是否扭曲和扭轉(zhuǎn)后是否通過電壓試驗(yàn),僅是針對(duì)絕緣和護(hù)套材料的性能試驗(yàn)。然而,鋁合金芯耐扭電纜對(duì)絕緣和護(hù)套材料性能要求更高,扭轉(zhuǎn)后的導(dǎo)體電阻變化也應(yīng)納入考核指標(biāo),或者將導(dǎo)體斷絲率作為直接的考核要求。因此,銅芯扭纜標(biāo)準(zhǔn)不適用于鋁合金芯耐扭電纜,電纜行業(yè)內(nèi)應(yīng)考慮研究適用的技術(shù)規(guī)范。

3)本工作試制的鋁合金芯耐扭轉(zhuǎn)電纜通過了第三方性能檢測(cè),符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求,并且已在國(guó)內(nèi)某風(fēng)場(chǎng)上機(jī)試用。每根電纜安裝長(zhǎng)度為30 m,運(yùn)行5 個(gè)月狀態(tài)良好,未發(fā)生異常發(fā)熱的現(xiàn)象。