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，正迅速成為最具吸引力的可再生能源。由于風電設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，工程師和設計師不可避免地要為這些應用選擇合適的電纜。例如：風電機艙內部應該使用可連續(xù)撓曲的控制和數(shù)據(jù)電纜；在風電機塔內應該使用可扭轉撓曲的電纜。除了這種柔曲性要求外，還應考慮耐熱、抗磨損、抗油及其它化學物質等要求。電纜選擇的復雜性很容易造成決策錯誤，并導致不必要的死機和代價高昂的維護。
風電應用對電纜的要求
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，風電應用中的電纜性能無疑比其它應用更高。而風機內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。對風機內的運動部件而言，電纜應具有優(yōu)異的扭轉和彎曲柔韌性，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，風電應用中使用的電纜一般應滿足以下要求：
(1) 導線
為盡量提高柔曲性，推薦設計工程師只使用多股數(shù)的退火軟銅線。在彎曲繞折類應用中，采用短的同心絞線構造；在扭轉繞折類應用中，采用長的同心絞線構造。面積大于6mm2(10AWG)的導線要求使用復合絞線結構。
(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。
應當注意，電纜結構也是電纜柔韌性的決定性因素。采用平衡結構的對稱導線設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”應用。
電纜測試方法和程序
根據(jù)風向，需要由偏航驅動器調整風機角度。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。這就對扭轉撓曲性要求更加嚴格，也需要更多關注。雖然目前沒有扭轉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℃)下的扭轉應力測試：
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裝置上。首先，將電纜順時鐘扭轉4圈(+1440o)，然后逆時針回轉4圈，恢復到原始位置。接著將電纜逆時針扭轉4圈(-1440o)，然后順時針回轉4圈，恢復到原始位置。重復上述整個過程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) 一束電纜的扭轉應力測試
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)定了導線的標稱橫截面面積和導線中電線的數(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)定了導線中每股電線的尺寸和數(shù)量，還規(guī)定了導線結構(如同心絞線、復合絞線和集合絞線等結構)，這些都是電纜柔韌性性能的關鍵。
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標準對風能應用有更嚴格的要求。
本文結論
本文介紹了風能行業(yè)中電纜應用的狀況，總結了風電電纜的詳細結構和構成的特殊要求。同時還介紹了一種被普遍認可的電纜扭轉柔韌性測試方法。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選用電纜前，應先對電纜結構和測試數(shù)據(jù)進行充分評估。
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