淺談低溫柔性電纜性能要求及測試方法

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*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(xué)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ān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，*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*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zuì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zuì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。單芯高壓銅芯電力電纜YJV62

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。

橡套電纜中銅絲發(fā)黑的多種原因

銅絲發(fā)黑的原因是多種因素造成的，不僅僅是橡皮的配方問題，還與銅絲本身所處的狀態(tài)、橡膠加工工藝、橡膠硫化工藝、電纜的結(jié)構(gòu)、護套橡膠配方、生產(chǎn)環(huán)境等諸多因素有關(guān)。

    1橡皮發(fā)粘和銅絲發(fā)黑的原因分析

　　1.1銅絲本身的原因在廿世紀五十到六十年代，國內(nèi)大多數(shù)廠家均使用普通銅桿，銅含量為99.99%，均為有氧銅桿，生產(chǎn)方法都是銅錠加熱后經(jīng)多道壓延后制得黑色銅桿，經(jīng)過大、中、小拉將銅桿制成比較細的銅絲。因為銅本身不是無氧銅，在加工過程中銅絲表面難免出現(xiàn)氧化。到了廿世紀八十年代，國內(nèi)引進了無氧銅桿的*生產(chǎn)技術(shù)，以及國內(nèi)自行開發(fā)的無氧銅桿生產(chǎn)技術(shù)，使整個電線電纜行業(yè)均用上了無氧銅桿，這無疑是改善了銅絲的發(fā)黑問題。但由于對銅桿的加工，特別是韌煉工藝的掌握以及加工好的銅線芯存放的條件不好，使銅線芯本身已有輕微的氧化，這也是銅絲發(fā)黑的原因之一。

　　1.2橡膠配方的原因廿世紀五十年代，橡膠絕緣均采用天然膠和丁苯膠并用配方。由于絕緣橡皮直接與銅線接觸，所以就不能直接使用硫磺作硫化劑，即使用很少的硫磺也會使銅線發(fā)黑。必須使用一些能夠分解出游離硫的化合物，如前面提到過的促進劑TMTD、硫化劑VA-7，同時還要配合一些硫化促進劑來提高硫化速度和硫化程度，確保絕緣橡皮的物理機械性能和電氣性能。但從絕緣橡皮的彈性、強力和yǒng久變形看，都不如加有硫磺的橡皮（如果不考慮銅絲發(fā)黑的話）。幾十年的實踐已經(jīng)證實TMTD無法解決銅絲的發(fā)黑問題。另外，絕緣橡皮要有各種顏色，紅、藍、黃、綠、黑是基本顏色，這些顏色的出現(xiàn)也會促使橡皮發(fā)粘和銅絲發(fā)黑。配方中的主要填充劑是輕質(zhì)碳酸鈣和*，由于價格的關(guān)系，有些廠家為了降低成本，用價格特別便宜的碳酸鈣和*，這些填充劑粒子粗、游離堿的含量大、雜質(zhì)多，所以物理機械性能比較差，電性能不好，還容易造成銅絲發(fā)黑。還有的廠用活性超細碳酸鈣來提高絕緣橡皮的物理機械性能，而活性鈣多數(shù)是用硬脂酸來處理的，這種酸也是促使銅絲發(fā)黑的原因。硫化劑VA-7的使用，可以改善銅絲發(fā)黑，但由于硫化程度不夠，橡皮的yǒng久變形大，會造成橡皮發(fā)粘。特別是加入促進劑ZDC以后，提高了硫化速度，為了防止焦燒，還要加入促進劑DM來延緩焦燒時間。從促進劑ZDC的結(jié)構(gòu)看，是在TETD結(jié)構(gòu)中兩個相連接的硫中間接上一個金屬鋅，結(jié)構(gòu)式為： S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-Zn-S-C-N＜ H5C2 H5C2 與TETD結(jié)構(gòu)式 S S H5C2 ‖ ‖ H5C2 ＞N-C-S-S-C-N＜ H5C2 H5C2 十分接近，在配方中還無法避開和秋蘭姆相似的結(jié)構(gòu)銅絲發(fā)黑可能時間略長一點，但沒有從根本上解決。

　　2從電線電纜結(jié)構(gòu)分析

　　2.1銅的催化老化是橡皮發(fā)粘的重要原因前蘇聯(lián)電纜科學(xué)研究院試驗證明：硫化過程中銅從與橡膠接觸處滲入到絕緣橡膠中，1.0-2.0mm厚度的絕緣橡皮含銅0.009-0.0027%。*，微量銅對橡皮有*的破壞作用，也就是我們通常說的重金屬對橡膠的催化老化。在絕緣硫化過程中，秋蘭姆析出若干游離硫與銅反應(yīng)，形成活性含銅基團： CH3 │ CH2-CH-C-CH2- │ │ S S │ │ Cu Cu 在老化時，較弱的-S-S-鍵斷裂，形成活性含銅基：Cu-S-，它與橡膠作用，同時與氧作用，破壞橡膠的長鍵分子，使橡膠變軟變粘，是低分子鏈的組合。法國橡膠研究院研究發(fā)粘重現(xiàn)問題時也指出：如果橡膠中含有有害的金屬，如：銅、錳等重金屬鹽類，那么不管促進劑的種類，均會發(fā)生橡膠發(fā)粘現(xiàn)象。

　　2.2橡套電纜中硫磺向絕緣橡皮和銅線表面的遷移前蘇聯(lián)科學(xué)家應(yīng)用放射性同位素證實了電纜護套橡膠中硫擴散的可能性。以天然橡膠為基的硫化膠中，在130-150℃的溫度下，游離硫的擴散系數(shù)約為10-6cm2/s。連續(xù)硫化的生產(chǎn)廠，硫化護套橡膠時，溫度在185-200℃之間，這個擴散的系數(shù)就更大。由于橡套游離硫的擴散，改變了秋蘭姆橡膠的結(jié)構(gòu)，可能形成多硫鍵。這些多硫化合物通過化學(xué)分解和化合實現(xiàn)遷移，即"化學(xué)擴"。由于遷移的結(jié)果，不僅可改變絕緣橡皮的結(jié)構(gòu)，降低其耐熱性，而且硫與銅表面反應(yīng)，形成硫化銅和硫化亞銅，導(dǎo)致銅線發(fā)黑。反過來，硫化銅和硫化亞銅加速橡膠的老化，又導(dǎo)致發(fā)粘現(xiàn)象的發(fā)生。

單芯高壓銅芯電力電纜YJV62 　　3加工工藝方面的原因

　　3.1橡料加工方面的原因在以天然膠和丁苯膠并用為基礎(chǔ)的絕緣配方中，天然膠需要通過塑煉來提高橡膠的可塑性。有些大廠為了產(chǎn)量，用密煉機塑煉，還要加入少量的化學(xué)增塑劑--促進劑M來提高塑性。如果塑煉溫度和生膠濾橡時的溫度控制不好，出現(xiàn)140℃以上的高溫，當生膠放到開煉機上緩慢通過滾筒，而上面的積膠由于受到熱氧和促進劑M的同時作用，會發(fā)現(xiàn)橡膠表面好象涂了一層油，實際上是橡膠分子在化學(xué)增塑劑的促進下斷鏈比較嚴重，產(chǎn)生了比較軟和粘的較小分子量橡膠。雖然后來與丁苯膠并用混煉出絕緣橡料，這些小分子量的天然膠被均勻地分散在膠料中，這些膠料擠包在銅絲上進行連續(xù)硫化后，當時可能看不出什么問題，但已經(jīng)為橡膠粘銅絲埋下了一個隱患，也就是說，這些小分子量的天然膠將首先出現(xiàn)局部粘銅絲現(xiàn)象。絕緣橡皮加硫化劑和促進劑的工藝也十分重要。有些小廠在開煉機上加硫化劑，就是將裝有硫化劑的罐子，在滾筒的中部倒入，中間很多，而兩邊較少。當硫化劑吃入橡皮中，翻三角的次數(shù)較少，會使硫化劑在橡料中分布不均勻。這樣在擠包連續(xù)硫化時，含硫化劑比較多的地方很容易出現(xiàn)銅絲發(fā)黑現(xiàn)象，在發(fā)黑的地方時間一長，還會出現(xiàn)橡皮粘銅絲的現(xiàn)象。

　　3.2絕緣橡皮硫化方面的原因有些企業(yè)為了追求產(chǎn)量，連續(xù)硫化管只有60米長，蒸汽壓力是1.3Mpa,而硫化速度要開到120米/分，這樣絕緣橡膠在管中的停留時間只有30秒。橡皮本身是熱的不良導(dǎo)體，絕緣線芯表面溫度大于190℃，當溫度傳熱到與銅線接觸的里層橡皮時，又被銅線吸熱，銅線升溫到與里層橡皮溫度接近時，硫化的橡皮電線芯已經(jīng)出硫化管了。這樣里層橡皮溫度比較低，大約為170℃，停留只有幾秒鐘就出硫化管，進入冷卻和收線，絕緣橡皮就會硫化不足。為了達到足夠的硫化。促進劑TMTD的用量（作硫化劑用）高達3.4%，過量的硫化劑，在硫化過程中放出的游離硫也多，除供交聯(lián)橡膠分子外，還有多余的游離硫。這是促使銅線表面發(fā)黑的原因。

　　總之，解決銅線發(fā)黑的問題，難度仍然較大，從銅絲到橡皮的每一道工序都要認真對待，才能取得較好的效果。膠種選擇和硫化體系的采用仍是問題的關(guān)鍵所在。這個問題的解決需要經(jīng)歷時間的考驗。