王 超,蔣正勇,甘胤嗣,楊 楊

(寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司,寶應 225800)

0 引言

為應對氣候變化,增加國家低碳環(huán)保貢獻力度,在第七十五屆聯(lián)合國大會上,我國承諾國內CO2的排放量爭取在2030 年之前達到最高峰,并努力在2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的目標。我國有著廣闊的海洋資源,風資源開發(fā)潛力巨大,且毗鄰用電量巨大的東南沿海,可大大降低輸電成本,因此海上風電將是我國新能源開發(fā)的重點戰(zhàn)場。面對全球風電成本下降的趨勢,大兆瓦集電風場是全球風電產業(yè)的發(fā)展方向。

目前有研究表明,與35 kV 海上集電系統(tǒng)相比,同等發(fā)電容量風場,66 kV 海上集電系統(tǒng)具有成本低的優(yōu)點,而額定電壓為66 kV 的耐扭轉軟電力電纜[1]是66 kV 海上風機里最重要的一根電纜。本工作對66 kV 海上集電系統(tǒng)風機用額定電壓66 kV 耐扭轉軟電力電纜的設計與生產過程控制進行了探討。

1 使用場合及技術特性要求

66 kV 耐扭轉軟電力電纜主要用于中高壓發(fā)電風機機組,風機的容量一般在8 MW 及以上的66 kV 海上集電系統(tǒng)用風機上。中高壓發(fā)電風機主要應用的是西門子歌美颯發(fā)電技術,電纜安裝在風力渦輪機的塔筒和機艙中,將渦輪機頂部的變壓器連接到塔底部的開關設備,在塔內,有一段自由懸掛的電纜,該段電纜應具有耐扭轉性能,自由懸掛長度約為48 m,整根電纜長度約為110 m,用于風機機艙變壓器與塔筒上段連接的耐扭轉部位,風機葉片轉動可產生690 V 低壓電流,通過機艙頂部的升壓變壓器,將電壓升至66 kV,高壓電流再通過66 kV 耐扭轉軟電力電纜傳輸至塔筒底部的電氣開關柜,之后通過海底電纜傳輸至海上升壓變壓站,將電壓升至220 kV,最后通過海底電纜輸送至海岸上,與陸地上電網并網。66 kV 系統(tǒng)風機內部示意圖見圖1,66 kV 海上集電系統(tǒng)集電和電力輸送示意圖見圖2。

圖1 66 kV 系統(tǒng)風機內部示意圖

圖2 66 kV 海上集電系統(tǒng)集電和電力輸送示意圖

66 kV 耐扭轉軟電力電纜的主要技術特性要求見表1。

表1 66 kV 耐扭轉軟電力電纜主要性能指標

2 電纜設計

66 kV 耐扭轉軟電力電纜采用“3+3”圓形結構設計,導體外繞包半導電層帶材,絕緣層采用三層共擠方式生產,“導體屏蔽+絕緣層+絕緣屏蔽”同時擠出,“3+3”結構成纜,擠包一層低煙無鹵外護套,主要參照IEC 60840、GB/T 33606—2017 和DIN VDE 0250—813 中相關規(guī)定進行設計和研制。

GB/T 33606—2017 中要求3.6/6 kV 以上電壓等級的中高壓電纜必須包含金屬屏蔽層,金屬屏蔽層可采用金屬絲編織、金屬絲疏繞和地線芯等形式。考慮到電纜會頻繁移動、扭轉,金屬絲有斷絲的風險,進而可能刺穿絕緣屏蔽層甚至絕緣層,造成電纜被擊穿,本工作設計的電纜采用地線芯的形式作為金屬屏蔽層,護套設計采用低煙無鹵綠色環(huán)保材料。

2.1 電纜結構

66 kV 耐扭轉軟電力電纜的結構示意圖見圖3。

圖3 66 kV 耐扭轉軟電力電纜結構示意圖

66 kV 耐扭轉軟電力電纜設計主要考慮以下因素:①滿足低煙無鹵C 類阻燃性能;②主要用于渦輪機頂部變壓器連接到塔底部的開關設備,電纜必須具有耐扭轉性能,且具有足夠的柔軟性;③主要使用在近?；蛘哌h海等場合,大氣中長期含有無機鹽霧,電纜必須對鹽霧有耐受性;④為避免主線芯在二次硫化時被地線芯擠壓變形,須使用異形擠包方式擠包地線芯;⑤選用耐低溫性能好的絕緣護套材料,絕緣基料乙丙橡膠屬于柔順性很好的非極性材料,其玻璃化轉變溫度可達-55 ℃,低溫性能良好;護套基料乙烯-乙酸乙烯酯(EVM)的低溫性能較差,并且隨著乙酸乙烯(VA)質量分數的增加低溫性能越來越差,如EVM 700 牌號(VA 質量分數為70%)的玻璃化轉變溫度為-9 ℃,但可以通過與橡膠并用,添加耐低溫增塑劑制成特殊的混合物,其低溫性能也能達到技術要求[2]。

2.2 主要材料選擇

(1)導體。該電纜導體采用第五類鍍錫軟銅導體(含銅量99.999 9%),溫度在20 ℃下銅的電阻率小于0.016 90 [Ω·(mm2·m-1)],依據IEC 60287《電纜連續(xù)負荷額定電流計算》中的規(guī)定,載流量計算公式為

式中: Δθ為導體溫升與環(huán)境溫度的溫差,K;R為90 ℃時導體交流電阻,Ω·m-1;n為電纜中載流導體數量;Wd為絕緣介質損耗,W·m-1;λ1為護套和屏蔽損耗因數;λ2為金屬鎧裝損耗因數;T1為導體與金屬護套間絕緣層熱阻,K·(m·W-1);T2為金屬護套與鎧裝層之間內襯層熱阻,K·(m·W-1);T3為電纜外護層熱阻,K·(m·W-1);T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻,K·(m·W-1)。

由(1)式可以看出,相同截面積的銅導體,最高工作溫度下,電阻越小,載流量越高,銅材電阻率越小;本工作選用銅材的電阻率不大于0.016 90 [Ω·(mm2·m-1)],確保電纜滿足載流量的要求下可以保證導體截面積最小化,進而減小導體直徑,降低電纜整體外徑。另外,導體采用復絞結構第五類軟銅導體,確保電纜有足夠的柔軟性。

(2)絕緣材料。電纜絕緣采用以三元乙丙膠為基料乙丙橡膠絕緣料,三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和少量的二烯烴所形成的共聚物,因其分子主鏈是由化學性能穩(wěn)定的飽和烴組成,故三元乙丙具有優(yōu)異的耐候性、耐臭氧、耐熱、耐酸堿,以及耐老化等性能。與交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣料相比,三元乙丙橡膠絕緣又具有耐水蒸氣性能的優(yōu)點。電性能方面,乙丙橡膠絕緣具有抗水樹性能,尤其在海上濕度大,在潮氣和交流電場的共同作用下,XLPE 很容易形成水樹現(xiàn)象,誘發(fā)高壓電力電纜絕緣層材料被破壞,而三元乙丙橡膠絕緣則大大降低了該風險。

(3)外護套材料。外護套材料采用兩種質量分數不同的鹵乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVM),乙烯-乙酸乙烯酯共聚物A 10～20 份、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物B 80～ 90 份、特殊硅烷改性的氫氧化鎂160～180 份、消煙劑5～10 份、石蠟35 份、潤滑劑25 份、防黏劑12 份、防老劑12 份、炭黑35 份、交聯(lián)劑35 份、促進劑12 份。成品電纜外護套主要性能指標符合IEC 60092-360 中無鹵橡膠SHF2 的要求,具體性能指標對比見表2。

表2 外護套性能指標對比表

3 生產工藝控制

(1)絕緣與內外屏蔽層擠出。電纜絕緣層和半導電屏蔽層界面是否光滑、潔凈、緊密是影響電纜使用壽命的關鍵因素之一。絕緣結構采用“導體屏蔽+絕緣+絕緣屏蔽”的形式三層共擠,采用德國特勒斯特連續(xù)硫化生產線,運用三層共擠機頭一次成型,減少灰塵雜質、氣孔等存在于屏蔽層與絕緣層中的情況,產品擠出質量好,界面光潔、緊密,無導體屏蔽的析出物或者氧化物,避免了內屏蔽層擦傷等情況的發(fā)生,降低電纜局部放電過大的可能性,提高電纜防擊穿水平。

(2)控制絕緣偏芯度。絕緣偏芯度在中高壓電纜中是至關重要的質量影響因素。出于控制電纜絕緣偏芯度的需求,高壓電纜采用立塔的方式垂直擠出。一般中低壓橡膠軟電纜偏芯度控制在10% 以內,對于66 kV 橡膠型軟電纜而言,偏芯度要求控制在5% 以內,因為絕緣偏芯度過大會造成絕緣厚度分布不均,致使電纜耐壓試驗時被擊穿,或耐壓試驗時不能被擊穿,在使用過程中,經過長期機械應力、化學物質應力、電場應力等作用,會較早出現(xiàn)破損、擊穿,對電纜造成不可逆轉的破壞,電纜壽命大大縮短,影響使用,甚至危害人民的生命財產安全。作為耐扭轉電纜,要求電纜具有柔軟性,采用第五類軟銅導體,導體經過儲線輪、牽引輪擠壓后,已變形成橢圓狀,給偏芯度控制帶來極大的挑戰(zhàn),為此,本工作設計了特制絞合導體,該導體為完全正規(guī)絞合結構,配合束線和復絞線絞合方向以及束線規(guī)格的設計,減小了單絲滑移距離,提升了導體穩(wěn)定性和抗擠壓能力。此外,在擠橡模具口增加導體整圓裝置,確保導體進入擠橡模具時一定是圓整的。另一方面,利用擠橡設備配置的德國進口SIKORA 測偏儀,全程監(jiān)控絕緣線芯各層厚度和偏芯度,為降低絕緣線芯偏芯度提供了可能。

(3)異形地線芯設計。本工作摒棄了傳統(tǒng)中壓電纜的金屬絲編織、金屬絲疏繞和銅帶繞包屏蔽,改用地線芯形式作為金屬屏蔽層,特制的高導電性橡膠型半導電材料異形擠包地線芯(見圖4)與主線芯一同成纜。采用異形地線芯的目的一方面是保證主線芯在二次硫化時,大大減小地線芯對主線芯產生的擠壓,防止出現(xiàn)主線芯絕緣擠壓變形的情況,降低因局部絕緣厚度不足而產生的擊穿風險;另一方面是保證電纜在扭轉過程中“3+3”結構的穩(wěn)定,避免地線芯和主線芯產生相對位移、跳浜等影響產品質量的現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 異形地線芯

4 結束語

海上風電建設工程規(guī)模將迅速擴大,并向深海發(fā)展。66 kV 集電系統(tǒng)傳輸容量約為35 kV 集電系統(tǒng)的1.8 倍,應用于同樣規(guī)模海上風電場,與35 kV集電電纜相比,66 kV 集電電纜長度減少,線路損耗大幅降低,海纜投資和相應的海纜鋪設工程費用下降。未來大容量海上風電機組將成為海上風電發(fā)展的必然趨勢,從經濟性和技術性兩個角度來看,66 kV 海上風電集電方案都具有良好的應用前景。66 kV 風電設備用耐扭轉電纜是目前國內應用的較高電壓等級的橡膠型電力電纜,為目前風機塔筒內最高的電壓等級。本工作研發(fā)的66 kV 風電設備用耐扭轉電纜已經完成各項性能檢測,符合設計預期要求,將在大功率海上風電產業(yè)中得到進一步的推廣應用。