風力發電用鋁合金芯耐扭電纜應用可行性

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實驗室,湘潭 411101)

0 引 言

我國銅資源匱乏且價格居高不下,而鋁的密度小,其價格約為銅的1/3,因此,鋁合金芯電纜因成本低而廣泛應用于風電領域。目前,常見的風力發電用鋁合金芯電纜采用GB/T 3956—2008《電纜的導體》中第2 種鋁合金緊壓導體,僅能用于塔筒內固定敷設[1],其上端與風機專用銅芯耐扭電纜相連接,而鋁合金芯耐扭電纜尚未出現。原因是,為減少風能損失,風力發電偏航控制系統跟隨風向的變化及時做出調整,使葉輪始終對準風向以保持葉輪轉速的穩定,同時帶動塔筒上端的電纜在限定的角度內扭轉。然而,鋁合金的強度和抗疲勞性能比銅的低,在長時間的扭轉作用下,鋁合金導體可能出現一些預知的風險,如導體斷絲、局部電阻增加引起電纜發熱和燃燒,甚至造成系統停止工作,給機組帶來嚴重損害。因此,相關的應用研究較少,鋁合金芯耐扭電纜還沒有被風機設計人員和用戶所接受。本工作通過扭轉試驗,分析了扭轉過程中導體斷絲率與扭轉角度、扭轉長度及導體結構的相關性,并結合實際使用場景對鋁合金芯耐扭電纜的應用可行性進行了研究。

1 技術要求

鋁合金芯耐扭電纜應具有良好的電性能、機械性能和優良的環境適應性,包括阻燃、耐低溫、耐老化、耐油、耐彎曲和耐扭曲等。參照風力發電用銅芯耐扭曲軟電纜標準[2]要求,電纜應經受不少于10 000 個周期(10 000 次)的扭轉試驗,完成試驗后應檢查電纜的外表是否扭曲變形、護套是否有開裂,而且扭轉后的電纜要經受浸水電壓試驗且未擊穿。對于鋁合金芯電纜,本工作需要扭轉試驗來進一步檢查導體的斷絲情況。

2 結構與材料

2.1 電纜的結構

鋁合金芯耐扭電纜由多股鋁合金單線絞合軟導體、隔離層、絕緣層和護套層組成。鋁合金芯耐扭電纜的結構示意圖見圖1。

圖1 鋁合金芯耐扭電纜的結構示意圖

2.2 導體

根據電纜的技術要求,電纜的導體應具有良好的電性能和機械物理性能。與常規純鋁相比,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,導體選用符合 GB/T 3954—2014《電工圓鋁桿》要求的8030 系鋁合金桿,經大拉、中拉和細拉等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。鋁合金單絲經束絞、復絞工序,得到鋁合金軟導體,其結構參數見表1。

表1 鋁合金軟導體結構參數

2.3 隔離層

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

2.4 絕緣和護套

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

3 試驗部分

3.1 扭轉試驗

在相同載流量的前提下,鋁合金導體應比銅芯導體高兩個規格[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,在實驗室條件下進行扭轉試驗。扭轉試驗方法參照GB/T 29631—2013 附錄B,扭轉試驗示意圖見圖2。

圖2 扭轉試驗示意圖

圖2 中,電纜樣品長度為12 m,垂直段高度(h)為7～9 m。為驗證鋁合金芯導體斷絲率的影響因素,本工作對不同導體絞合方向和節徑比的多根電纜樣品進行試驗,考查了不同扭轉角度和扭轉周期后的斷絲情況,其試驗結果見表2。其中,取3 段5號電纜樣品進行試驗,分別在扭轉10 000,20 000,50 000 次時取出解剖,檢查其斷絲結果。

表2 電纜扭轉試驗結果

3.2 結果討論

3.2.1 導體絞合方向對斷絲率的影響

表2 中1 號電纜樣品和3 號電纜樣品導體絞合方向不同,在相同的試驗條件下,異向絞合導體的斷絲率高于同向絞合導體。

通常,導體絞合時采用相鄰層方向相反即異向絞合的方式有利于導體結構的穩定,但對于扭纜,異向絞合的方式增加了導體斷絲的可能性。當電纜向與導體最外層絞向一致的方向扭轉時,外層導體承受拉伸力,相鄰內層受到擠壓力,次內層承受拉伸力;當電纜向與導體最外層絞向相反的方向扭轉時,外層導體承受擠壓力,相鄰內層受到拉伸力,次內層承受擠壓力。在絕緣和護套層的包覆下,導體各層緊密接觸,因此電纜扭轉時導體內部各層股線存在不同方向的拉伸和擠壓交替變化的應力,這種應力不能得到緩沖消除,最終使股線產生疲勞形變而斷裂。若在某一點出現斷絲情況,內部應力會得到集中釋放,引起斷絲范圍擴大,相鄰的多股或多層斷裂。檢查完成扭轉試驗后的電纜導體,發現靠近外層的次外層股線斷絲更多,見圖3。

圖3 扭轉后導體斷絲情況

3.2.2 絞合節徑比對斷絲率的影響

導體絞合節徑比是指導體股線繞中心軸前進一周的距離與當前股線所處的外徑之比。一般情況下,絞合節徑比越小,電纜越柔軟,彎曲性能越好[5]。表2 中,3 號電纜樣品和4 號電纜樣品的導體復絞節徑比不同,復絞節徑比增加,導體斷絲率減小,其機理分析如下。

本試驗以FDLHEH 1×300 mm2電纜為例。設定電纜在扭轉試驗機上沿導體絞合的方向扭轉,忽略扭轉過程中導體軸向長度的變化,則電纜在被扭轉時,導體節距減小,扭轉長度內節距數量增加。扭轉后節徑比計算公式為

式中:L為扭轉長度,m;m為初始狀態絞合節徑比;m'為扭轉后節徑比;n為扭轉圈數;D為導體外徑,mm。

1 個節距內股線的實際長度與節距長度之比為絞入系數,其計算公式為

式中:K為絞入系數;M為絞合節徑比。

在試驗條件下L取值9 m,實際安裝條件下L取值30 m,絞合節徑比m取值14～30,扭轉圈數n取值2 或4,導體外徑D取值26 mm。由式(1)和式(2)可以計算出導體最外層股線扭轉過程中絞入系數的變化值,進而得到伸長率,伸長率-節徑比曲線圖見圖4。

圖4 不同條件下伸長率-節徑比曲線

由圖4 可知:導體股線絞合節徑比越小,扭轉過程中股線伸長率越大。在絞合節徑比為14、扭轉長度為9 m、扭轉4 圈時,導體股線伸長率為0.84%。當電纜開始逆著股線絞合的方向扭轉時,股線的伸長率逐漸降為零,繼而有被壓縮的趨勢。因有外層股線、包帶層、絕緣層和護套層的束縛作用,導體股線受到擠推力,僅在局部出現輕微彎曲變形的現象,見圖5。

圖5 扭轉后導體變形

經過一定周期的扭轉后,鋁合金導體股線反復受力產生疲勞,出現斷絲的概率大幅度增加。

通常,在電纜設計時采用較小的節徑比以提高電纜的柔軟性能和耐彎曲性能,但對于鋁合金芯扭纜,減小節徑比不利于電纜的耐扭轉性能的改善。

3.2.3 扭轉角度和扭轉長度對斷絲率的影響

由表2 的試驗結果可知:扭轉角度小,導體斷絲率低;在扭轉角度為720°時,股線的斷絲率可以降為零。由圖4 可知:在長度為9 m、節徑比為14、扭轉角度為1 440°時,股線的伸長率達到0.84%,斷絲的概率極大;在長度為30 m,節徑比為30,扭轉角度為720°時,股線的伸長率約為0.06%,斷絲的風險降到了最低。

在風力發電系統中,電纜的扭轉角度由偏航系統控制。當風力發電機組自動偏航在某個方向達到720°時,觸發軟件限位,機組將停機并自動解纜,向相反方向轉動纏繞圈數,將機組返回電纜無纏繞位置[6]。因此,正反兩圈的扭轉試驗更具有實際意義。

綜上,試驗過程中扭轉角度和扭轉長度對導體斷絲率的影響極為明顯。然而,在電纜實際應用中,因電纜扭轉角度達到限位設定值的頻次并不高,同時電纜安裝長度一般在18～40 m 之間,所以扭轉角度和扭轉長度對斷絲率的影響可以被忽略。

3.2.4 扭轉周期對斷絲率的影響

試驗通過考察扭轉周期對斷絲率的影響,發現扭轉周期越長,出現斷絲的可能性越大。本工作采用改進后的結構方案,在正反兩圈的條件下同時進行多根電纜扭轉試驗,檢查不同階段的狀態。結果表明,在10 000 次和30 000 次扭轉時沒有出現斷絲現象,即使增加到50 000 次,導體的斷絲率仍為零。

3.2.5 其他非金屬材料對斷絲率的影響

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

3.2.6 生產工藝對斷絲率的影響

為確保導體絞制過程中的一致性,股線放線張力應一致,避免蛇形出現;其次,應精準控制絕緣和護套的偏心度不大于8%。

4 結束語

在風機塔筒中鋁合金芯電纜完全替代銅芯電纜是行業發展趨勢,本工作研究了鋁合金芯耐扭電纜應用于風力發電機塔筒的可行性。

1)在試驗驗證的前提下,結合理論推導,設計了最優的導體結構,絕緣選用高于標準要求的橡膠材料,既保證了扭轉性能,又不影響電纜的彎曲性能,電纜經受了正反兩圈的扭轉試驗,扭轉周期超過了50 000 次,導體未出現斷絲。

2)現行標準GB/T 29631—2013 中附錄B 主要考核電纜被扭轉后外表是否有開裂、是否扭曲和扭轉后是否通過電壓試驗,僅是針對絕緣和護套材料的性能試驗。然而,鋁合金芯耐扭電纜對絕緣和護套材料性能要求更高,扭轉后的導體電阻變化也應納入考核指標,或者將導體斷絲率作為直接的考核要求。因此,銅芯扭纜標準不適用于鋁合金芯耐扭電纜,電纜行業內應考慮研究適用的技術規范。

3)本工作試制的鋁合金芯耐扭轉電纜通過了第三方性能檢測,符合設計預期要求,并且已在國內某風場上機試用。每根電纜安裝長度為30 m,運行5 個月狀態良好,未發生異常發熱的現象。