光伏电缆耐候性试验箱的设计

莫抒志 陈益民 黎 勉 张秋伟 张 涛

(广东工业大学信息工程学院1，广东 广州 510006;广东优科检测技术服务有限公司2，广东 东莞 523072)

0 引言

目前，我国有远东、上上、新亚光等数百家具有一定规模的电缆生产企业，行业总产值高达数百亿元，其中大部分产品出口到世界各地，占据了全球线缆行业的大半壁江山。同时，由于光伏电缆具有耐候性好、环保高效等特点，也日益受到用户青睐，其市场份额正在逐步提高［1-2］。

无论是生产厂家还是质量检测机构，都常常采用人工气候加速老化试验方法对光伏电缆产品进行耐候性检测试验。而现有的耐候性试验箱大多是针对某一项试验要求而设计的，一套耐候性试验设备往往只能产生一类试验环境，进行单一类型的环境试验，例如湿热环境试验箱仅能进行湿热试验。这样，要完成光伏电缆产品的整个耐候性试验，往往需要多套不同的耐候性试验设备配合使用，使得试验成本上升、灵活性下降，试验效率较低。

为了解决这一问题，现提出一种新型复合式耐候性试验箱设计方案。该方案可产生湿热试验、耐臭氧试验、抗紫外线试验等三种不同类型的试验所需环境，也可应用于一些新型复合式人工气候加速老化试验［3］;采用可编程逻辑控制器(programmable logical controller，PLC)和人机界面(human machine interface，HMI)相结合的方式对系统进行监测控制，对试验仓的结构进行优化，提高系统的可靠性和试验效率。

1 试验箱构成及工作原理

1.1试验箱总体性能参数要求

目前，国内还没有针对光伏电缆的国家标准或行业标准，而国际上流行的光伏电缆标准主要有德国TUV莱茵集团的2Pfg 1169/08.2007《光伏系统用电缆要求》、美国保险商实验室的UL4703《光伏电缆调查概述》，以及相关的IEC标准、日本PSE认证标准等［3］。考虑到试验箱的兼容性和通用性［3-10］，同时具有较好的经济效益，设定试验箱的总体技术指标如下。

①最大试验温度200℃，温度误差:±2 K。在试验运行且试验箱处于非温度调整状态时，试验仓有效试验区域内任意两点温差不超过1 K。

②最大试验相对湿度95%，相对湿度误差±5%。

③ 最大臭氧浓度(体积比，下同)500×10-6%，臭氧浓度误差±50×10-6%。

④最大紫外线辐照度90 W/m2，紫外线辐照度误差±2 W/m2。

⑤ 最长总试验时间2 000 h，计时精度1 min;其他时间计时精度1 s。

1.2 试验箱结构

根据上述性能参数要求，设计了一种光伏电缆耐候性试验箱。试验箱主要由箱体、试验仓、环境产生系统、环境检测系统、控制系统、操作面板六大部分组成。

箱体是整个试验箱的外壳与机械结构支承，带有开闭式仓门，门上装有紫外线过滤功能的偏光镜片观察窗，并有与试验仓配合的密封框条。

试验仓是样品进行试验的空间，包含有仓体与试样架，仓体上有混合气体进气孔和废气排出的排气口，并有排水孔供凝露水滴排出。

环境产生系统是试验箱产生合适试验环境的装置，从而使得试验仓内的环境符合试验要求。

环境检测系统用于检测试验仓内的环境情况，并将信号反馈给控制系统。

控制系统是试验箱的神经中枢，其根据试验箱的运行情况，对各个部分进行控制。

操作面板用于对试验箱进行设置操作以及监测试验箱的实时工作情况。

1.3 试验箱系统工作原理

光伏电缆耐候性试验箱的总体框图如图1所示。

图1 试验箱总体框图Fig.1 Block diagram of test chamber

试验仓为试验提供一个相对独立的空间，整个系统在可编程逻辑控制器(PLC)的控制下进行工作。紫外线辐照度传感器、黑标温度计、臭氧浓度传感器、湿度传感器、温度传感器组成环境检测系统，对试验仓内的环境指标进行检测，并将信息发送给PLC，作为系统下一步决策的依据。荧光紫外灯、臭氧发生器、电热丝、超声波加湿器组成环境产生系统，配合进气阀门、排气阀门和排气扇的工作，可改变试验仓内的环境指标。减速电机作为驱动，使试样架能在试验仓内旋转，从而使得试样接受试验的环境更为均匀。人机界面(HMI)对系统进行设定，同时显示系统的实际工作情况。

PLC控制可调式电子镇流器，从而控制紫外荧光灯的发光功率，改变试验仓内的紫外线辐照度。同时，PLC控制臭氧发生器、电热丝、超声波加湿器的工作，使进入图1中虚线框内部的空气变为温度、湿度、臭氧浓度合适的混合气体，混合气体通过进气阀门进入试验仓，从而改变试验仓内的温度、湿度和臭氧浓度。排气阀门和排气扇可将试验仓内的废气排出试验仓外。此外，蓄水箱为超声波加湿器提供净化水，内置的液位传感器负责检测蓄水箱内净化水的容量，水量过低时将报警，提示试验人员添加净化水。

2 系统关键部分与方案设计

2.1 试验箱初始化设置

试验箱初始化设置如图2所示。

图2 试验箱的试验初始化设置Fig.2 Initialization settings of the test chamber

大部分的线缆以及类似材料的人工气候加速老化试验都有相关的国际标准、国家标准或者行业标准。将这些常用的标准数据(如环境指标、试验时间等)预先录入控制系统，以树形菜单的形式逐级选取，操作人员就能很方便地通过人机界面对试验箱进行试验参数的初始化设置，避免每次试验都要进行繁琐的参数设置。

为了提高试验箱的兼容性和通用性，试验箱的控制系统也提供自定义模式的试验参数的初始化设置。

2.2 试验仓内环境监控

试验箱的核心任务是保证试验仓内的试验环境符合预定的试验参数。这就需要环境检测系统将试验仓内的环境情况进行数据采样后发送给PLC，PLC根据试验仓内的实际情况反馈与设定值进行对比得到控制决策，从而控制环境产生系统的工作。试验仓内环境监控流程图如图3所示。

图3 试验仓内环境监控流程图Fig.3 Flowchart of environmental monitoring inside test chamber

此外，当调整时间1、2、3、4中任意一个到达设定时间(如5 min)时，则认为系统此时已经出现错误，无法靠自身程序对试验仓内的环境进行正确调整;系统将进入报警中断程序，试验箱的环境产生模块复位，进气阀门、排气阀门关闭，同时发出声光报警，并在人机界面上显示系统的错误类型以及当前的试验情况等信息，提示试验人员进行错误排查。

2.3 试验仓与试样架

由于进行人工气候加速老化试验时，试验仓内的环境十分恶劣，所以试验仓内的所有部件都应该采用耐腐蚀材料制造或者经过耐腐蚀处理，使得部件本身不被试验环境老化。如仓体由镜面不锈钢材料制造，这样也能提高紫外荧光灯的效率。

试样架与圆锥滚子轴承组配合，悬挂安装在支承机架上，通过同步带或者链传动，由减速电机驱动其在试验仓内旋转。这种方案不仅经济性好，而且易于实现、可靠性高［11］。同时，由于试样架使夹持试样在试验仓内旋转，使得试样接受试验的环境更为均匀合理，试验效果更理想。

3 结束语

本文设计的光伏电缆耐候性试验箱可进行湿热试验、耐臭氧试验、抗紫外线试验等三类人工气候加速老化试验，为现有试验箱只能进行单一类别环境试验这一问题提供了详实可行的解决方案。控制系统应用了PLC和HMI等主流的控制单元，具有结构简单、操作方便等特点。此外，对试验箱的细节特别是试样架进行了优化设计，大大提高了试验箱的经济性和可靠性。

实践证明，本文所设计的试验箱可广泛应用于线缆以及类似材料的人工气候加速老化试验，有较好的发展前景，且对其他类似技术问题的解决提供了借鉴方法。

［1］UL公司.UL主办电线电缆行业供应链产品安全高峰论坛·东莞电线电缆行业协会同期成立［J］.电气制造，2011(8):12.

［2］代康，吴东艳，漆钜虹.光伏电缆技术简介［C］//中国通信学会2010年光缆电缆学术年会论文集，2010:438-455.

［3］陈益民，莫抒志，张涛，等.光伏电缆耐候性试验方法的探讨［J］.光纤与电缆及其应用技术，2012(3):8-10，14.

［4］ 2Pfg 1169/08.2007 Requirements for cables for use in photovoltaicsystems［S］.TÜV，2007.

［5］ UL4703-2007 Outline of investigation for photovoltaic wire［S］.UL，2007.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 2421电工电子产品环境试验［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 2423电工电子产品环境试验第2部分［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 2951电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［9］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 14522机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 16422塑料实验室光源暴露试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［11］杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.