L. Li, D. Watson,
C. Socha, K. Berard
Alpha Wire公司
隨著傳統(tǒng)能源的存儲量越來越越少，許多國家都在鼓勵發(fā)展可再生能源。風能作為一種成熟技術(shù)，正迅速成為最具吸引力的可再生能源。由于風電設(shè)施通常選址在可最高效利用風能的惡劣環(huán)境，風能使用的電纜面臨著一系列的挑戰(zhàn)。本文介紹了風電行業(yè)目前的發(fā)展狀況，重點討論了風電機組中所采用的電纜的性能、要求和測試程序。
引言
因為諸如石油、天然氣和煤炭等傳統(tǒng)能源的儲量限制加之不斷增加的能源需求，人們對于開發(fā)可再生能源的興趣日益增加。水電、風電、太陽能、地熱能、潮汐與海浪能以及沼氣能等眾多可再生能源都已有數(shù)十年的發(fā)展歷史。雖然可再生能源只滿足整個能源需
求的一小部分，但這些新能源的光明前景已在全球得到廣泛認可。
除傳統(tǒng)能源儲量的減少外，石化燃料電廠造成的污染是可再生能源受青睞的另一個因素。作為化石燃料替代品的風能具有儲量豐富、可再生、分布廣、清潔等特點，且在發(fā)電期間不會產(chǎn)生溫室氣體排放。到2009年底，全球風電機組的標稱容量為159.2GW、所發(fā)的電能為340TWh，大約是全球使用電能的2%。過去三年，全球風電機組裝機容量翻了一倍。
就現(xiàn)有風機的維護和新建風電場來說，工程師和設(shè)計師不可避免地要為這些應(yīng)用選擇合適的電纜。例如：風電機艙內(nèi)部應(yīng)該使用可連續(xù)撓曲的控制和數(shù)據(jù)電纜；在風電機塔內(nèi)應(yīng)該使用可扭轉(zhuǎn)撓曲的電纜。除了這種柔曲性要求外，還應(yīng)考慮耐熱、抗磨損、抗油及其它化學物質(zhì)等要求。電纜選擇的復(fù)雜性很容易造成決策錯誤，并導(dǎo)致不必要的死機和代價高昂的維護。
風電應(yīng)用對電纜的要求
一般來說，風場位于特殊氣候條件的惡劣環(huán)境中，例如，強風、強紫外線和含鹽度很高的空氣等。正因如此，風電應(yīng)用中的電纜性能無疑比其它應(yīng)用更高。而風機內(nèi)的運動部件進一步提高了正確選擇電纜的重要性。
現(xiàn)有風場的維護和新的大規(guī)模風場開發(fā)都需要考慮采用高等級的電力電纜、數(shù)據(jù)與控制電纜和通信電纜，它們決定了電網(wǎng)和通信系統(tǒng)的互連質(zhì)量。單個風電機組所需的電纜數(shù)量比人們想像的要多。例如，一臺90米高的1.25MW風力發(fā)電機需要約1km的電力電纜。這樣算，50MW裝機容量的風場將需要40km的電纜。
風電機組工作在惡劣環(huán)境，這種環(huán)境一般具有寬溫度范圍(約-40℃至50℃)、并且暴露在極強紫外線的照射下。因此，要達到預(yù)期的使用壽命，所使用的特殊電纜需要能夠承受-40℃的低溫及可抵御紫外線的輻射。對風機內(nèi)的運動部件而言，電纜應(yīng)具有優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)和彎曲柔韌性，并具有很小的彎曲半徑。電纜還需要能抗燃料、抗冷凍劑、耐油、耐腐蝕性化學品及抗磨損。如果風場是靠近海岸的陸地或位于海上，電纜都還必須耐高含鹽水的侵蝕。出于安全考慮，除上述要求外，還要求電纜具有阻燃性。在某些情況下，還要求低煙、零鹵素(LSZH)材料和EMI保護等其它特性。
綜上所述，風電應(yīng)用中使用的電纜一般應(yīng)滿足以下要求：
(1) 導(dǎo)線
為盡量提高柔曲性，推薦設(shè)計工程師只使用多股數(shù)的退火軟銅線。在彎曲繞折類應(yīng)用中，采用短的同心絞線構(gòu)造；在扭轉(zhuǎn)繞折類應(yīng)用中，采用長的同心絞線構(gòu)造。面積大于6mm2(10AWG)的導(dǎo)線要求使用復(fù)合絞線結(jié)構(gòu)。
(2) 絕緣
為增加低溫柔韌性，通常選擇熱塑性橡膠(TPE)、乙丙橡膠(EPR，一種EPM或EPDM)或硅橡膠(SiR)作為絕緣材料，以抵抗臭氧腐蝕和發(fā)熱引起的老化。PVC/尼龍絕緣由于具有高電介強度也得到了廣泛應(yīng)用。
(3) 護套
電纜護套既可以是諸如聚氯乙烯(CPE)、聚氯丁烯(氯丁橡膠)、氯磺化聚乙烯(CSPE)合成橡膠等熱固性化合物；也可是類似TPE、TPE-PVC合金和聚亞安酯等熱塑性化合物。這些材料都具有抗油、抗燃料、耐溶劑腐蝕等能力，并且在低溫下具有出色的柔韌性。這種特性使其成為風電電纜的理想護套材料。
應(yīng)當注意，電纜結(jié)構(gòu)也是電纜柔韌性的決定性因素。采用平衡結(jié)構(gòu)的對稱導(dǎo)線設(shè)計通常具有高柔韌性。
即使電纜制造時遵循這些一般規(guī)則，仍強烈建議進行完全的測試，以仿真“實際”應(yīng)用。
電纜測試方法和程序
根據(jù)風向，需要由偏航驅(qū)動器調(diào)整風機角度。電力、控制和通信電纜要么沿水平軸彎曲，要么沿垂直軸旋轉(zhuǎn)。這就對扭轉(zhuǎn)撓曲性要求更加嚴格，也需要更多關(guān)注。雖然目前沒有扭轉(zhuǎn)撓曲性方面的標準或法規(guī)，但最終用戶通常仍追求電纜在投入使用前能通過某些方式的測試。
下面是電纜行業(yè)中最終用戶采用的一般測試方法。
(1) 單根電纜在低溫(-40℃)下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測試：
將一根10米長的垂直懸掛電纜樣品的頂端固定，底端綁定到一個旋轉(zhuǎn)裝置上。首先，將電纜順時鐘扭轉(zhuǎn)4圈(+1440o)，然后逆時針回轉(zhuǎn)4圈，恢復(fù)到原始位置。接著將電纜逆時針扭轉(zhuǎn)4圈(-1440o)，然后順時針回轉(zhuǎn)4圈，恢復(fù)到原始位置。重復(fù)上述整個過程5000次以模擬20年的使用情況。如果在2.5U0條件下經(jīng)過5分鐘，電纜沒被擊穿、護套也沒有裂紋，那么這根電纜就通過了測試。
注意：取決于電纜的電壓等級，U0可以是600、1000或2000V。
(2) 一束電纜的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測試
測試程序與(1)相同，只是換成了電纜束。
風電電纜標準
目前還沒有專門針對風電應(yīng)用中使用電纜的標準。許多電纜制造商遵循IEC 60228 Class 5或6(類似于DIN VDE 0295 Class 5或6、HD 383、GB/T 3956 Class 5 或 6)標準，使用光面或鍍金屬的退火多股銅線作為風電電纜導(dǎo)線以獲得所需的柔韌性。有趣的是，IEC 60228只為電力電纜規(guī)定了導(dǎo)線的標稱橫截面面積和導(dǎo)線中電線的數(shù)量和尺寸，這給電纜制造商提供了很大自由度。因此，即使電纜滿足IEC 60288 Class 5或6的要求，電纜性能也經(jīng)常會不盡如人意。而UL 62(涉及多個ASTM標準)不僅規(guī)定了導(dǎo)線中每股電線的尺寸和數(shù)量，還規(guī)定了導(dǎo)線結(jié)構(gòu)(如同心絞線、復(fù)合絞線和集合絞線等結(jié)構(gòu))，這些都是電纜柔韌性性能的關(guān)鍵。
至于絕緣和護套，許多制造商遵循DIN VDE 0207-20和DIN VDE 0207-21。HD 22.1、HD 22.4、UL 44和UL 62也成為電纜生產(chǎn)的通用標準。
諸如UL 758、UL 1581、UL 1277、UL 2277、IEC 60332等其它標準也經(jīng)常被用于支持一些額外特性，如風機機架電纜(WTTC)規(guī)范和可燃性等級要求。
由于歐洲國家早于北美國家開發(fā)用于風能市場的電纜，因此電纜制造商目前更多的采用歐洲標準。盡管如此，類似的美國UL標準具有相同功用，且在某些情況下，UL標準對風能應(yīng)用有更嚴格的要求。
本文結(jié)論
本文介紹了風能行業(yè)中電纜應(yīng)用的狀況，總結(jié)了風電電纜的詳細結(jié)構(gòu)和構(gòu)成的特殊要求。同時還介紹了一種被普遍認可的電纜扭轉(zhuǎn)柔韌性測試方法。作者建議，在對任何現(xiàn)有風場實施維護和為未來風電場建設(shè)選用電纜前，應(yīng)先對電纜結(jié)構(gòu)和測試數(shù)據(jù)進行充分評估。
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