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用于风电应用的柔性电缆性能要求及测试方法

上网日期: 2012年02月15日 ?? 作者: L. Li,D. Watson,C. Socha,K. Berard ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:风电? 风力发电机? 柔性电缆?

作者:

L. Li, D. Watson,

C. Socha, K. Berard

Alpha Wire公司

随着传统能源的存储量越来越越少,许多国家都在鼓励发展可再生能源。风能作为一种成熟技术,正迅速成为最具吸引力的可再生能源。由于风电设施通常选址在可最高效利用风能的恶劣环境,风能使用的电缆面临着一系列的挑战。本文介绍了风电行业目前的发展状况,重点讨论了风电机组中所采用的电缆的性能、要求和测试程序。

引言

因为诸如石油、天然气和煤炭等传统能源的储量限制加之不断增加的能源需求,人们对于开发可再生能源的兴趣日益增加。水电、风电、太阳能、地热能、潮汐与海浪能以及沼气能等众多可再生能源都已有数十年的发展历史。虽然可再生能源只满足整个能源需求的一小部分,但这些新能源的光明前景已在全球得到广泛认可。

除传统能源储量的减少外,石化燃料电厂造成的污染是可再生能源受青睐的另一个因素。作为化石燃料替代品的风能具有储量丰富、可再生、分布广、清洁等特点,且在发电期间不会产生温室气体排放。到2009年底,全球风电机组的标称容量为159.2GW、所发的电能为340TWh,大约是全球使用电能的2%。过去三年,全球风电机组装机容量翻了一倍。

就现有风机的维护和新建风电场来说,工程师和设计师不可避免地要为这些应用选择合适的电缆。例如:风电机舱内部应该使用可连续挠曲的控制和数据电缆;在风电机塔内应该使用可扭转挠曲的电缆。除了这种柔曲性要求外,还应考虑耐热、抗磨损、抗油及其它化学物质等要求。电缆选择的复杂性很容易造成决策错误,并导致不必要的死机和代价高昂的维护。

风电应用对电缆的要求

一般来说,风场位于特殊气候条件的恶劣环境中,例如,强风、强紫外线和含盐度很高的空气等。正因如此,风电应用中的电缆性能无疑比其它应用更高。而风机内的运动部件进一步提高了正确选择电缆的重要性。

现有风场的维护和新的大规模风场开发都需要考虑采用高等级的电力电缆、数据与控制电缆和通信电缆,它们决定了电网和通信系统的互连质量。单个风电机组所需的电缆数量比人们想像的要多。例如,一台90米高的1.25MW风力发电机需要约1km的电力电缆。这样算,50MW装机容量的风场将需要40km的电缆。

风电机组工作在恶劣环境,这种环境一般具有宽温度范围(约-40℃至50℃)、并且暴露在极强紫外线的照射下。因此,要达到预期的使用寿命,所使用的特殊电缆需要能够承受-40℃的低温及可抵御紫外线的辐射。对风机内的运动部件而言,电缆应具有优异的扭转和弯曲柔韧性,并具有很小的弯曲半径。电缆还需要能抗燃料、抗冷冻剂、耐油、耐腐蚀性化学品及抗磨损。如果风场是靠近海岸的陆地或位于海上,电缆都还必须耐高含盐水的侵蚀。出于安全考虑,除上述要求外,还要求电缆具有阻燃性。在某些情况下,还要求低烟、零卤素(LSZH)材料和EMI保护等其它特性。

综上所述,风电应用中使用的电缆一般应满足以下要求:

(1) 导线

为尽量提高柔曲性,推荐设计工程师只使用多股数的退火软铜线。在弯曲绕折类应用中,采用短的同心绞线构造;在扭转绕折类应用中,采用长的同心绞线构造。面积大于6mm2(10AWG)的导线要求使用复合绞线结构。

(2) 绝缘

为增加低温柔韧性,通常选择热塑性橡胶(TPE)、乙丙橡胶(EPR,一种EPM或EPDM)或硅橡胶(SiR)作为绝缘材料,以抵抗臭氧腐蚀和发热引起的老化。PVC/尼龙绝缘由于具有高电介强度也得到了广泛应用。

(3) 护套

电缆护套既可以是诸如聚氯乙烯(CPE)、聚氯丁烯(氯丁橡胶)、氯磺化聚乙烯(CSPE)合成橡胶等热固性化合物;也可是类似TPE、TPE-PVC合金和聚亚安酯等热塑性化合物。这些材料都具有抗油、抗燃料、耐溶剂腐蚀等能力,并且在低温下具有出色的柔韧性。这种特性使其成为风电电缆的理想护套材料。

应当注意,电缆结构也是电缆柔韧性的决定性因素。采用平衡结构的对称导线设计通常具有高柔韧性。

即使电缆制造时遵循这些一般规则,仍强烈建议进行完全的测试,以仿真“实际”应用。


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