【風(fēng)能抗扭電纜設(shè)計(jì)開發(fā)探究6000字（論文）】

風(fēng)能抗扭電纜設(shè)計(jì)開發(fā)研究摘要風(fēng)能作為清潔無污染的可再生能源，是最具大規(guī)模開發(fā)和利用潛力的能源，風(fēng)能電纜作為風(fēng)電的主要部件。由于它與普通電纜不同，在生產(chǎn)制造過程中必須采用特殊的工藝技術(shù)才能保證其質(zhì)量，所以風(fēng)能電纜的研發(fā)工作非常重要。本文根據(jù)風(fēng)電特點(diǎn)及運(yùn)行環(huán)境要求，對(duì)風(fēng)能電纜特點(diǎn)進(jìn)行說明，以及風(fēng)能電纜選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械性能、扭轉(zhuǎn)性能等，并對(duì)其加工工藝作了較細(xì)致地分析。在此基礎(chǔ)上提出了適合我國國情的風(fēng)能電纜結(jié)構(gòu)形式和制造工藝方案，為今后的研究奠定基礎(chǔ)。希望能通過本次設(shè)計(jì)，能給風(fēng)能電纜的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。關(guān)鍵詞：風(fēng)能電纜；抗扭性能；加工工藝目錄TOC\o"1-3"\h\u312531引言 引言廣泛使用的常規(guī)能源（例如，石油，天然氣，煤和核能）是有限的，且會(huì)造成污染。隨著人們生活水平的提高和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，開發(fā)和利用新能源已成為世界各國政府關(guān)注的焦點(diǎn)之一。以及清潔的可再生能源（例如，太陽能，潮汐能，風(fēng)能），近幾年有很大發(fā)展，在這些可再生能源中，風(fēng)能是一種清潔，無污染，是最具大規(guī)模開發(fā)和利用潛力的能源，是一種很有競爭力的非常規(guī)能源之一。作為清潔能源，早在19世紀(jì)后期丹麥人就率先開發(fā)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)。世界上第—個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是丹麥于1891年建立的。盡管目前風(fēng)能發(fā)電量還不及全世界總發(fā)電量，但是，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷提高的今天，在歐洲各國受到了廣泛關(guān)注。到2020年能供應(yīng)全球10%的電力需求，并且在世界范圍內(nèi)降低二氧化碳廢氣100多億噸。因此，開發(fā)和利用風(fēng)能成為人類社會(huì)關(guān)注的一個(gè)重要課題。風(fēng)能發(fā)電有很大優(yōu)勢(shì)一，風(fēng)力為清潔自然能源，不存在環(huán)境污染問題。其次，風(fēng)能可以緩解目前電力供應(yīng)緊張和環(huán)境污染等一系列問題。風(fēng)能在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，去年底，全世界風(fēng)電裝機(jī)已達(dá)4000余萬千瓦。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，風(fēng)電將成為未來最重要的綠色能源供應(yīng)之一。2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)12.31億千瓦，年發(fā)電量為屆時(shí)全球電力需求的12%，風(fēng)電將朝著滿足全球20%電力需求的趨勢(shì)發(fā)展。風(fēng)能作為一種清潔、可再生和可再生能源，具有廣闊的開發(fā)前景。所以業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在構(gòu)建資源節(jié)約型社會(huì)這個(gè)國家，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)不是微不足道的補(bǔ)充能源了，但它是一個(gè)新興的能源產(chǎn)業(yè)，具有商業(yè)化發(fā)展前景。當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電受到了很大關(guān)注，還充分認(rèn)識(shí)到風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，并有產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。我國風(fēng)能資源十分豐富，技術(shù)可開發(fā)量在10億千瓦左右，開發(fā)潛力很大。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平提高，對(duì)電能需求量將日益增多。加快風(fēng)電開發(fā)，對(duì)增加能源供應(yīng)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等，維護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著更為重要的地位和作用。國家提出到2020年，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)3000萬千瓦。為確保這一目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)。以及一系列配套政策與舉措的制定，目前已進(jìn)入快速發(fā)展的階段。隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到很大提高，一些大型風(fēng)機(jī)已經(jīng)能夠安全穩(wěn)定地在海上或陸上正常運(yùn)行。但現(xiàn)在，全國正在運(yùn)行中的風(fēng)電裝機(jī)容量只有6萬千瓦，且85%以上的設(shè)備是引進(jìn)國外的。現(xiàn)在國家發(fā)改委已經(jīng)明確風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化率必須在70%以上，未達(dá)到設(shè)備國產(chǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)電場(chǎng)，不得施工。在這樣的背景下，我國的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)將面臨巨大挑戰(zhàn)，只有提高裝備技術(shù)水平才能生存下來。所以風(fēng)能電纜是風(fēng)電的主要部件，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化勢(shì)在必行。在我國，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大部分都采用電纜連接。由于風(fēng)力發(fā)電環(huán)境的惡劣，對(duì)風(fēng)機(jī)使用年限有較長要求，電纜隨著風(fēng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，故對(duì)電纜結(jié)構(gòu)有特殊要求。目前市場(chǎng)上常用的電纜是普通電纜，其最大缺點(diǎn)就是壽命較短。通常電纜的使用壽命需要20-30年?；诖?，本文根據(jù)國內(nèi)行業(yè)需要和國際對(duì)同類型電纜提出的特殊要求進(jìn)行研究，研制開發(fā)風(fēng)能系統(tǒng)系列電纜。該系列電纜主要應(yīng)用在大型風(fēng)電機(jī)組中，具有優(yōu)良性能、安全可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于海上平臺(tái)、陸上油田、核電站以及其他領(lǐng)域。為了讓企業(yè)不斷的發(fā)展，風(fēng)能電纜的開發(fā)勢(shì)在必行。2風(fēng)能電纜發(fā)展及開發(fā)現(xiàn)狀2.1風(fēng)能電纜發(fā)展現(xiàn)狀原本陸地風(fēng)力發(fā)電只是與主電網(wǎng)相輔相成，以引流為主，但是在國家提出可持續(xù)綠色發(fā)展理念下，把風(fēng)能利用與發(fā)展置于新時(shí)期能源開發(fā)戰(zhàn)略地位之后，我國風(fēng)能資源開發(fā)突飛猛進(jìn)，成為冉冉升起的新能源“黑馬”，2009年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量已躍升至全球第二位，當(dāng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為2601萬KW，之后，風(fēng)電裝機(jī)容量提高了1380萬KW，成為世界之最。一方面是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)人多地少的地理環(huán)境，我國可承載風(fēng)電裝機(jī)容量仍有較大空間；另一方面，作為一個(gè)人口眾多的國家，我國對(duì)于風(fēng)力發(fā)電提出了要求，足以促進(jìn)國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。同時(shí)，由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得人們的生活水平不斷提高，電力需求量與日俱增。從而對(duì)國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展、發(fā)展風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電設(shè)備需求和電網(wǎng)發(fā)展而言，均為空前發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)組件研究和開發(fā)剛剛起步，還存在較大發(fā)展空間。由于風(fēng)能資源豐富，并且具有分布范圍廣、能量密度大等特點(diǎn)，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)將成為一種重要能源之一。而風(fēng)能電纜是風(fēng)力發(fā)電所必需的主要部件，不管是技術(shù)力量，研發(fā)投入或技術(shù)水平，均在較落后水平上，遠(yuǎn)沒有達(dá)到風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展的要求。在目前國內(nèi)市場(chǎng)上，由于風(fēng)能電纜價(jià)格較高，且對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)格，使得很多用戶不愿意購買或不愿接受。所以我國多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用風(fēng)能電纜多依賴進(jìn)口，不但成本高，與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電成本也有所增加，延緩風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，開發(fā)風(fēng)能電纜就成了某些電纜廠家正在涉足的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，也就成為各電纜廠家增加盈利的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。目前，我國的風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)雖然已具備一定規(guī)模和實(shí)力，但是與國際上先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。針對(duì)上述情況，政府增加戰(zhàn)略投資，以期能加速風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和電網(wǎng)建設(shè)的不斷成熟，風(fēng)電行業(yè)得到快速地發(fā)展，帶動(dòng)了整個(gè)電力電子技術(shù)和相關(guān)設(shè)備制造業(yè)的進(jìn)步與創(chuàng)新，使得風(fēng)能電纜行業(yè)取得突破性進(jìn)展。但同時(shí)風(fēng)能電纜市場(chǎng)空檔期也不只是國內(nèi)廠商爭相追捧的焦點(diǎn)，還引來國外知名企業(yè)欲在中國電纜市場(chǎng)上分一杯羹，并借此搶占市場(chǎng)制高點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)廠商通過積極引進(jìn)人才和高技術(shù)，以期望能在激烈的市場(chǎng)競爭中占據(jù)一席之地，但因?yàn)閷?duì)于風(fēng)能電纜來說、材料缺少系統(tǒng)研究，加之投入的經(jīng)費(fèi)有限，對(duì)于風(fēng)能電纜研制一直不盡如人意。我國的風(fēng)力發(fā)電起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，因此風(fēng)能電纜的研發(fā)工作就顯得尤為重要。當(dāng)時(shí)風(fēng)能電纜主要根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)及德國標(biāo)準(zhǔn)來研制生產(chǎn)，因而忽視區(qū)域間的差別，造成了未能形成自身核心技術(shù)，缺乏核心競爭力。此外，對(duì)于風(fēng)能電纜來說，其原材料成本高，并且使用年限較長，容易老化失效，因此，很多企業(yè)都選擇了購買其他種類的產(chǎn)品，以降低其生產(chǎn)成本。而且隨著最近幾年風(fēng)能電纜市場(chǎng)的日益擴(kuò)大，風(fēng)能電纜等附件也在逐步提價(jià)，造成部分電纜廠家只追求眼前利益最大化，用普通電纜取代風(fēng)能電纜以次充好，擾亂市場(chǎng)秩序，觸發(fā)了更大的市場(chǎng)價(jià)格的變化，嚴(yán)重影響風(fēng)能和風(fēng)電的良性發(fā)展。盡管我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步晚，但現(xiàn)已躍居世界前茅。隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電成為了可再生能源利用最重要的組成部分，也是我國發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)。風(fēng)能電纜是其中的一個(gè)主要部件，全國仍供不應(yīng)求，必須下大力氣投入人力和物力，進(jìn)行適合中國生態(tài)環(huán)境專用電纜研發(fā)，誰掌握了專用電纜這一核心技術(shù)，都可以搶先進(jìn)入風(fēng)能電纜市場(chǎng)，搶占市場(chǎng)制高點(diǎn)。2.2風(fēng)能電纜的開發(fā)發(fā)展風(fēng)能電纜，首先要研制風(fēng)能電纜配件。在對(duì)風(fēng)能電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮其絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度。在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，絕緣護(hù)套材料選用等方面，需使用滿足GB/T3956-2008《電纜導(dǎo)體》種屬規(guī)定的第五類軟銅導(dǎo)體的構(gòu)造，經(jīng)過單絲直徑的測(cè)定，便可求得導(dǎo)體絞合的根數(shù)。從制作工藝來看，采取先束絲再復(fù)絞，且為同向絞合結(jié)構(gòu)，既能充分保障電纜柔軟性，也可避免導(dǎo)體內(nèi)的跳浜和斷絲。另外，為了提高電纜的強(qiáng)度，還可以采用雙絞線或多線對(duì)繞包法。最后導(dǎo)體外包覆聚酯帶，借此來提高電纜順滑程度，方便電纜彎曲和移動(dòng)。其中電纜絕緣性特別重要，絕緣材料既要能有優(yōu)良的絕緣性能，還要耐低溫、耐氣候等特點(diǎn)。其次對(duì)電纜護(hù)套橡皮優(yōu)化時(shí)，這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理選擇電纜材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以確保其具有良好的性能及安全性。因我國土地遼闊，地理環(huán)境優(yōu)越，利用風(fēng)能和電力的區(qū)域分布在全國，所以，風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)多位于西北荒漠、戈壁和其他寒冷地帶，或在高溫地區(qū)，如海島類。這些地方的環(huán)境氣候都很差，對(duì)于風(fēng)能電纜提出了更高的需求，不只是有絕緣、阻燃，但也要耐高溫，耐濕和其他性能，以適應(yīng)不同區(qū)域的需要是風(fēng)力電纜目前發(fā)展的趨勢(shì)。3風(fēng)能電纜的設(shè)計(jì)3.1標(biāo)準(zhǔn)制訂目前，各國尚無風(fēng)能電纜的標(biāo)準(zhǔn)，本文以UNE21-150-86為主參考、HD22.4S4和HD22.12S等標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，加入軸向扭轉(zhuǎn)測(cè)試方法及數(shù)據(jù)指標(biāo)，并對(duì)其低溫拉伸性能提出嚴(yán)格要求，制訂了Q12/YJ4573-2009《額定電壓0.6/1kV及以下橡膠絕緣風(fēng)能電纜》，對(duì)額定電壓為0.6/1kV及其以下的橡膠絕緣風(fēng)能電纜提出技術(shù)要求與性能指標(biāo)。3.2設(shè)計(jì)依據(jù)1.額定電壓：0.6/1kv，450/750V。規(guī)格1-36芯，1-500mm2。2.耐礦物油：100℃X24h，護(hù)套抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率最大變化率±40%。3.耐扭轉(zhuǎn)（1）常溫扭轉(zhuǎn)：扭轉(zhuǎn)角度108度/米，扭轉(zhuǎn)次數(shù)10000次。（2）低溫扭轉(zhuǎn)：低溫-40℃，扭轉(zhuǎn)角度108度/米，扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于50次。4.燃燒特性：單根垂直燃燒試驗(yàn)5.低溫性能：-35℃3.3確定性能指標(biāo)3.3.1電性能指標(biāo)及機(jī)械性能指標(biāo)的確定風(fēng)能電纜由于能夠適應(yīng)移動(dòng)輸電，動(dòng)力配線等、信號(hào)傳輸和其他需要的各種配電場(chǎng)合，本文參考了國外有關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)UNE21-150-86、HD22.4S4-2004與HD22.12S1-1996的標(biāo)準(zhǔn)要求決定它們的電性能與物理機(jī)械性能。3.3.2耐扭轉(zhuǎn)指標(biāo)的確定考慮到風(fēng)能電纜特殊的運(yùn)行環(huán)境，本課題在査閱有關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，最終建立起完善的耐扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)手段。3.3.3耐低溫性能指標(biāo)的確定風(fēng)能電纜實(shí)質(zhì)上是在野外環(huán)境中應(yīng)用的，它的周圍環(huán)境晝夜溫差變化很大，根據(jù)目前國內(nèi)風(fēng)能電纜應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，文中把低溫拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)則定為-45℃，從而滿足國內(nèi)多數(shù)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用需求。3.4原材料選擇3.4.1導(dǎo)體材料的確定為確保電纜物理和電性能良好，我們按照GB/T3956-1997中的標(biāo)準(zhǔn)選擇風(fēng)能電纜銅導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)。電纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，需要電纜導(dǎo)體層之間具有良好的相對(duì)滑動(dòng)和柔軟度，并且導(dǎo)體在束合或絞合時(shí)節(jié)距應(yīng)盡量小，從而確保電纜符合整體扭轉(zhuǎn)特性要求。針對(duì)風(fēng)能電纜在實(shí)際應(yīng)用和運(yùn)行中存在的問題，并根據(jù)導(dǎo)體加工中的體會(huì)，擬定風(fēng)能電纜導(dǎo)體構(gòu)成及加工工藝。對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出合適的電氣參數(shù)。通過測(cè)試及用戶的應(yīng)用，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性和有效性。以機(jī)型DN-F型風(fēng)能電纜為例，電壓0.6/1kV，斷面3X70mm2，它的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)列于表3.1中。表3.1導(dǎo)體結(jié)構(gòu)3.4.2絕緣、護(hù)套材料的確定風(fēng)能電纜絕緣、內(nèi)襯層與護(hù)套材料關(guān)系到風(fēng)能電纜性能。由于絕緣，護(hù)套材料采用高分子材料作基料，加入各種配合劑和阻燃劑制成混合物。其中阻燃是提高風(fēng)能電纜電氣性能指標(biāo)最重要的因素之一，因此研究如何提高風(fēng)能電纜阻燃性能具有重大的意義。從絕緣的角度來看本論文釆用了進(jìn)口的乙丙基料，通過加入各類配合劑，以確保絕緣電性能為前提，提高絕緣材料抗拉強(qiáng)度，為了滿足風(fēng)能電纜耐扭轉(zhuǎn)要求。在內(nèi)襯方面，選用了丁腈橡膠作為填充膠，可以提高電纜的抗張強(qiáng)度，降低蠕變率，改善電纜的機(jī)械物理性能。護(hù)套中，采用釆用乙丙-氯磺化聚乙烯橡膠共混膠料的方法，改變共混組分所占比例，多種配合劑的加入，賦予電纜護(hù)套材料優(yōu)良的機(jī)械性能、良好的耐久性（如耐熱、耐氧、耐臭氧、耐氣候、耐油和耐化學(xué)藥品）、優(yōu)良的耐低溫性能。在屏蔽層方面，采用了特殊的復(fù)合編織結(jié)構(gòu)，提高了其屏蔽效能，并對(duì)各部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，從而獲得滿足電氣特性和機(jī)械強(qiáng)度等多方面要求的高性能產(chǎn)品。采用上述2種材料，保證電纜物理機(jī)械性能和電性能，經(jīng)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，所有性能指標(biāo)均全面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。絕緣與護(hù)套的物理機(jī)械性能的規(guī)范要求見表3.2和表3.3。表3.2絕緣物理性能表3.3護(hù)套物理機(jī)械性能4風(fēng)能電纜的加工工藝4.1產(chǎn)品工藝路線工藝路線：圖4.1工藝路線4.2產(chǎn)品工藝控制從產(chǎn)品的工藝路線來看，本課題把試制的重點(diǎn)集中于擠出和交聯(lián)工藝，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）選擇合適的裝置；（2）注意對(duì)擠出和收放線的速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)；（3）設(shè)計(jì)模具角度等、成型區(qū)及其他各處的尺寸精度，確保模具表面的光潔度；（4）確定和確保物料的擠出溫度可控；（5）測(cè)定了連續(xù)硫化的生產(chǎn)速度。4.2.1絕緣線芯的擠出調(diào)節(jié)收放線的快慢，確保擠出外徑一致，控制蒸汽壓力，提高生產(chǎn)速度，使物料完全交聯(lián)，為了確保物料的特性。通過對(duì)絕緣紙進(jìn)行不同工藝條件下的試驗(yàn)分析，確定了最佳加工參數(shù)，并提出了相應(yīng)的解決措施。仍然以機(jī)型為DN-F、斷面為3X70mm2的實(shí)例，絕緣釆為EI7型，具體參數(shù)見表4.1。表4.1絕緣結(jié)構(gòu)4.2.2成纜成纜時(shí)應(yīng)選用帶退扭絞合設(shè)備，對(duì)節(jié)距及填充進(jìn)行控制，確保了成纜后纜芯圓整，該規(guī)格電纜選用成纜節(jié)距323-388mm，成纜外徑32.3mm。4.2.3護(hù)套擠出調(diào)節(jié)收放線的快慢，確保擠出外徑一致，控制蒸汽壓力，提高生產(chǎn)速度，使物料完全交聯(lián)，為了確保物料的特性。護(hù)套為EM7型，具體參數(shù)列于表4.2中。表4.2護(hù)套結(jié)構(gòu)4.3產(chǎn)品質(zhì)量控制以滿足廣大用戶對(duì)于風(fēng)能電纜產(chǎn)品需求，本文制定了《風(fēng)能電纜質(zhì)量控制計(jì)劃》，對(duì)于風(fēng)能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，原材料的釆購、在生產(chǎn)制造過程中、半成品的轉(zhuǎn)序，質(zhì)量檢測(cè)儀器、生產(chǎn)加工設(shè)備的運(yùn)行狀況，現(xiàn)場(chǎng)的管理、標(biāo)識(shí)等幾個(gè)環(huán)節(jié)均