风力发电用铝合金芯耐扭电缆应用可行性

马辽林,杨奇锋,胡湘华,黄钰棋,李华斌

(湖南华菱线缆股份有限公司 特种线缆制备湖南省重点实验室,湘潭 411101)

0 引 言

我国铜资源匮乏且价格居高不下,而铝的密度小,其价格约为铜的1/3,因此,铝合金芯电缆因成本低而广泛应用于风电领域。目前,常见的风力发电用铝合金芯电缆采用GB/T 3956—2008《电缆的导体》中第2 种铝合金紧压导体,仅能用于塔筒内固定敷设[1],其上端与风机专用铜芯耐扭电缆相连接,而铝合金芯耐扭电缆尚未出现。原因是,为减少风能损失,风力发电偏航控制系统跟随风向的变化及时做出调整,使叶轮始终对准风向以保持叶轮转速的稳定,同时带动塔筒上端的电缆在限定的角度内扭转。然而,铝合金的强度和抗疲劳性能比铜的低,在长时间的扭转作用下,铝合金导体可能出现一些预知的风险,如导体断丝、局部电阻增加引起电缆发热和燃烧,甚至造成系统停止工作,给机组带来严重损害。因此,相关的应用研究较少,铝合金芯耐扭电缆还没有被风机设计人员和用户所接受。本工作通过扭转试验,分析了扭转过程中导体断丝率与扭转角度、扭转长度及导体结构的相关性,并结合实际使用场景对铝合金芯耐扭电缆的应用可行性进行了研究。

1 技术要求

铝合金芯耐扭电缆应具有良好的电性能、机械性能和优良的环境适应性,包括阻燃、耐低温、耐老化、耐油、耐弯曲和耐扭曲等。参照风力发电用铜芯耐扭曲软电缆标准[2]要求,电缆应经受不少于10 000 个周期(10 000 次)的扭转试验,完成试验后应检查电缆的外表是否扭曲变形、护套是否有开裂,而且扭转后的电缆要经受浸水电压试验且未击穿。对于铝合金芯电缆,本工作需要扭转试验来进一步检查导体的断丝情况。

2 结构与材料

2.1 电缆的结构

铝合金芯耐扭电缆由多股铝合金单线绞合软导体、隔离层、绝缘层和护套层组成。铝合金芯耐扭电缆的结构示意图见图1。

图1 铝合金芯耐扭电缆的结构示意图

2.2 导体

根据电缆的技术要求,电缆的导体应具有良好的电性能和机械物理性能。与常规纯铝相比,8030系铝合金配方体系中添加了铜、铁、镁等元素后[3],其综合性能较好。因此,导体选用符合 GB/T 3954—2014《电工圆铝杆》要求的8030 系铝合金杆,经大拉、中拉和细拉等3 道工序后,将直径为9.5 mm 的铝杆加工成直径为0.5～0.6 mm 的铝合金单丝。铝合金单丝经束绞、复绞工序,得到铝合金软导体,其结构参数见表1。

表1 铝合金软导体结构参数

2.3 隔离层

由多股铝合金单线绞合而成的软导体表面空隙较多,为避免绝缘材料嵌入导体表面空隙影响绝缘层的剥离,导体与绝缘层之间的隔离层不可缺少。常用包覆带材料有无纺布带、聚酯带和涂橡胶棉布带等。

2.4 绝缘和护套

依据标准GB/T 29631—2013《额定电压1.8/3 kV 及以下风力发电用耐扭曲软电缆》,绝缘材料选用乙丙橡胶(EPR),其抗张强度不小于6.5 MPa,断裂伸长率不小于250%;护套材料选用SH 型热固性弹性材料,其抗张强度不小于12 MPa,断裂伸长率不小于300%。绝缘和护套材料工作温度等级均为90 ℃。在-40 ℃温度下,绝缘和护套材料的断裂伸长率不低于80%。

3 试验部分

3.1 扭转试验

在相同载流量的前提下,铝合金导体应比铜芯导体高两个规格[4]。因此,本工作采用铝合金芯软电缆FDLHEH 1×300 mm2替代铜芯电缆FDEH 1×185 mm2,在实验室条件下进行扭转试验。扭转试验方法参照GB/T 29631—2013 附录B,扭转试验示意图见图2。

图2 扭转试验示意图

图2 中,电缆样品长度为12 m,垂直段高度(h)为7～9 m。为验证铝合金芯导体断丝率的影响因素,本工作对不同导体绞合方向和节径比的多根电缆样品进行试验,考查了不同扭转角度和扭转周期后的断丝情况,其试验结果见表2。其中,取3 段5号电缆样品进行试验,分别在扭转10 000,20 000,50 000 次时取出解剖,检查其断丝结果。

表2 电缆扭转试验结果

3.2 结果讨论

3.2.1 导体绞合方向对断丝率的影响

表2 中1 号电缆样品和3 号电缆样品导体绞合方向不同,在相同的试验条件下,异向绞合导体的断丝率高于同向绞合导体。

通常,导体绞合时采用相邻层方向相反即异向绞合的方式有利于导体结构的稳定,但对于扭缆,异向绞合的方式增加了导体断丝的可能性。当电缆向与导体最外层绞向一致的方向扭转时,外层导体承受拉伸力,相邻内层受到挤压力,次内层承受拉伸力;当电缆向与导体最外层绞向相反的方向扭转时,外层导体承受挤压力,相邻内层受到拉伸力,次内层承受挤压力。在绝缘和护套层的包覆下,导体各层紧密接触,因此电缆扭转时导体内部各层股线存在不同方向的拉伸和挤压交替变化的应力,这种应力不能得到缓冲消除,最终使股线产生疲劳形变而断裂。若在某一点出现断丝情况,内部应力会得到集中释放,引起断丝范围扩大,相邻的多股或多层断裂。检查完成扭转试验后的电缆导体,发现靠近外层的次外层股线断丝更多,见图3。

图3 扭转后导体断丝情况

3.2.2 绞合节径比对断丝率的影响

导体绞合节径比是指导体股线绕中心轴前进一周的距离与当前股线所处的外径之比。一般情况下,绞合节径比越小,电缆越柔软,弯曲性能越好[5]。表2 中,3 号电缆样品和4 号电缆样品的导体复绞节径比不同,复绞节径比增加,导体断丝率减小,其机理分析如下。

本试验以FDLHEH 1×300 mm2电缆为例。设定电缆在扭转试验机上沿导体绞合的方向扭转,忽略扭转过程中导体轴向长度的变化,则电缆在被扭转时,导体节距减小,扭转长度内节距数量增加。扭转后节径比计算公式为

式中:L为扭转长度,m;m为初始状态绞合节径比;m'为扭转后节径比;n为扭转圈数;D为导体外径,mm。

1 个节距内股线的实际长度与节距长度之比为绞入系数,其计算公式为

式中:K为绞入系数;M为绞合节径比。

在试验条件下L取值9 m,实际安装条件下L取值30 m,绞合节径比m取值14～30,扭转圈数n取值2 或4,导体外径D取值26 mm。由式(1)和式(2)可以计算出导体最外层股线扭转过程中绞入系数的变化值,进而得到伸长率,伸长率-节径比曲线图见图4。

图4 不同条件下伸长率-节径比曲线

由图4 可知:导体股线绞合节径比越小,扭转过程中股线伸长率越大。在绞合节径比为14、扭转长度为9 m、扭转4 圈时,导体股线伸长率为0.84%。当电缆开始逆着股线绞合的方向扭转时,股线的伸长率逐渐降为零,继而有被压缩的趋势。因有外层股线、包带层、绝缘层和护套层的束缚作用,导体股线受到挤推力,仅在局部出现轻微弯曲变形的现象,见图5。

图5 扭转后导体变形

经过一定周期的扭转后,铝合金导体股线反复受力产生疲劳,出现断丝的概率大幅度增加。

通常,在电缆设计时采用较小的节径比以提高电缆的柔软性能和耐弯曲性能,但对于铝合金芯扭缆,减小节径比不利于电缆的耐扭转性能的改善。

3.2.3 扭转角度和扭转长度对断丝率的影响

由表2 的试验结果可知:扭转角度小,导体断丝率低;在扭转角度为720°时,股线的断丝率可以降为零。由图4 可知:在长度为9 m、节径比为14、扭转角度为1 440°时,股线的伸长率达到0.84%,断丝的概率极大;在长度为30 m,节径比为30,扭转角度为720°时,股线的伸长率约为0.06%,断丝的风险降到了最低。

在风力发电系统中,电缆的扭转角度由偏航系统控制。当风力发电机组自动偏航在某个方向达到720°时,触发软件限位,机组将停机并自动解缆,向相反方向转动缠绕圈数,将机组返回电缆无缠绕位置[6]。因此,正反两圈的扭转试验更具有实际意义。

综上,试验过程中扭转角度和扭转长度对导体断丝率的影响极为明显。然而,在电缆实际应用中,因电缆扭转角度达到限位设定值的频次并不高,同时电缆安装长度一般在18～40 m 之间,所以扭转角度和扭转长度对断丝率的影响可以被忽略。

3.2.4 扭转周期对断丝率的影响

试验通过考察扭转周期对断丝率的影响,发现扭转周期越长,出现断丝的可能性越大。本工作采用改进后的结构方案,在正反两圈的条件下同时进行多根电缆扭转试验,检查不同阶段的状态。结果表明,在10 000 次和30 000 次扭转时没有出现断丝现象,即使增加到50 000 次,导体的断丝率仍为零。

3.2.5 其他非金属材料对断丝率的影响

在铝合金导体拉丝过程中,铝拉丝油起到润滑作用,能防止单丝拉断,增加表面光滑度。在此也认为,铝合金单丝拉拔完成后表面存留的少量油性润滑剂有利于导体弯曲或扭转时股线之间的相对滑动,但不宜过多。类似地,为了增加导体股线之间的可滑移性,减弱导体包覆层对导体的束缚作用,包带材料应采用涂橡胶棉布带。绝缘和护套材料除了满足基本的性能要求之外还应具有优良的柔软性,特别是在低温环境下,还应具有优良的回弹性能。

3.2.6 生产工艺对断丝率的影响

为确保导体绞制过程中的一致性,股线放线张力应一致,避免蛇形出现;其次,应精准控制绝缘和护套的偏心度不大于8%。

4 结束语

在风机塔筒中铝合金芯电缆完全替代铜芯电缆是行业发展趋势,本工作研究了铝合金芯耐扭电缆应用于风力发电机塔筒的可行性。

1)在试验验证的前提下,结合理论推导,设计了最优的导体结构,绝缘选用高于标准要求的橡胶材料,既保证了扭转性能,又不影响电缆的弯曲性能,电缆经受了正反两圈的扭转试验,扭转周期超过了50 000 次,导体未出现断丝。

2)现行标准GB/T 29631—2013 中附录B 主要考核电缆被扭转后外表是否有开裂、是否扭曲和扭转后是否通过电压试验,仅是针对绝缘和护套材料的性能试验。然而,铝合金芯耐扭电缆对绝缘和护套材料性能要求更高,扭转后的导体电阻变化也应纳入考核指标,或者将导体断丝率作为直接的考核要求。因此,铜芯扭缆标准不适用于铝合金芯耐扭电缆,电缆行业内应考虑研究适用的技术规范。

3)本工作试制的铝合金芯耐扭转电缆通过了第三方性能检测,符合设计预期要求,并且已在国内某风场上机试用。每根电缆安装长度为30 m,运行5 个月状态良好,未发生异常发热的现象。