CN101256854A

CN101256854A - 风力发电用高压交联单芯电缆

Info

Publication number: CN101256854A
Application number: CNA2008100197014A
Authority: CN
Inventors: 崔康; 施永久; 李小琴
Original assignee: Jiangsu Zhongmei Cable Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zhongmei Cable Group Co Ltd
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-09-03

Abstract

本发明涉及一种高压交联单芯电缆，该电缆主要用于风力发电，具体讲为一种抗强风耐腐蚀的风力发电用高压交联单芯电缆，该单芯电缆具有同等抗拉力的前提下，大大提高单芯的截流量。同时电缆的总重量相对减小了，电缆的敷设跨距可以增加。该电缆由包括导电线芯、导体屏蔽、绝缘层、外屏和铜带屏蔽层、无纺布和内衬层，以及外护套，外护套内沿圆周方向均匀设有多组集束钢丝加强芯。外护套内沿圆周方向均匀设有四组、六组或八组集束钢丝加强芯，外护套内优选均匀设有四组集束钢丝加强芯。

Description

风力发电用高压交联单芯电缆

技术领域：

本发明涉及一种高压交联单芯电缆，该电缆主要用于风力发电。

背景技术：

目前，世界气候正逐渐变暖，地球两极的冰域面积正在缩小，陸地上的冰川正在减少，海平面上升，世界大气环境正变得越来越坏，现在提出了发展清洁能源、节能减排的要求。我国有十分丰富的风力资源，风能发电已起步发展，而且速度快，电缆也需跟上发展需求。风能发电有其特点，大多建在风能资源丰富的地域，也就是说风能发电站(或场)大多建在邻近海滩或浅海中，或是荒漠旷野中。作为风能发电用的电缆必须适合这些地方的自然条件，具体地说，要求电缆抗强风、耐腐蚀。

现有的高压交联单芯电缆，如图1所示，包括导电线芯1、导体屏蔽2、绝缘层3、外屏和铜带屏蔽层4、无纺布和内衬层5，钢丝铠装6(即加强层)、以及外护套7，这种普通的交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套高压单芯电缆就难以满足风能用电缆抗强风、耐腐蚀的要求。风能用高压交联电缆必须满足如下要求：

一、要能承受塔筒内垂直敷设对电缆产生的拉力，以及筒外敷设强风对电缆的作用；

1、选用YJV型单芯电缆，没有钢丝铠装，不能承受拉力，也就是不适应垂直敷设和强风的作用。

2、选用YJV32型能承受拉力，但单芯电缆不能用有磁性的钢丝铠装，否则将大大降低电缆的载流量。

二、要同时能承受低温，和酸碱、盐雾和海水浸蚀的恶劣条件，一般交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套高压电缆也不能满足要求。

发明内容：

本发明针对以下现有电缆技术存在的问题，提供一种抗强风耐腐蚀风力发电用高压交联单芯电缆，在保持与现有单芯电缆具有同等抗拉力的前提下，大大提高了单芯电缆的截流量，同时电缆的总重量相对减小了，可增加电缆的敷设跨距。

本发明的技术方案如下：

一种抗强风耐腐蚀风力发电用高压交联单芯电缆，该电缆由包括导电线芯、导体屏蔽、绝缘层、外屏和铜带屏蔽层、无纺布和内衬层，以及外护套，其特征在于：外护套内沿圆周方向均匀设有多组集束钢丝加强芯。

外护套内沿圆周方向均匀设有四组、六组或八组集束钢丝加强芯，外护套内优选均匀设有四组集束钢丝加强芯。

外护套外围设有多个突耳，该突耳与外护套内包覆的集束钢丝加强芯位置对应。该结构可以减小外护套的厚度，从而可减轻电缆的重量，且突耳结构更有利于外护套对集束钢丝加强芯的包覆性能。集束钢丝加强芯优选采用航空用钢丝绳。

外护套采用聚氯乙烯弹性体材料制成。

本发明相比现有技术具有如下优点：

关于现有的钢丝铠装YJV32型电缆的载流量，使用该结构不仅载流量会比非铠装电缆YJV型降低50％以上，还有一个缺点，就是因为所有钢丝是紧紧靠在一起的，在钢丝层上会形成涡流，产生感应电压和感到电流，不仅大大降低了电缆的电气安全性能，严重的还会把整根电缆都烧掉。

而本发明的结构，把钢丝之间的距离拉得很开，而且钢丝之间还有护套隔离，阻止了涡流的形成，从而使电缆的载流量近似于非铠装电缆YJV型，从而不仅保证了电缆的电气性能，也使电缆的抗拉力得到了保障。

本发明电缆的特点：

1、本发明的高压交联单芯电缆与现有YJV32电缆相比，克服了单芯装铠电缆截流量大大下降的缺点，在保持单芯电缆具有同等抗拉力的前提下，大大提高单芯的截流量。

2、与现有的YJV32电缆相比，电缆从导体到内衬层结构都相同，由于采用4根φ4.2mm高强度航空钢丝绳加强电缆的拉力，钢丝绳的重量仅是装铠钢丝的80％，电缆的总重量相对减小了，电缆的敷设跨距可以增加。

3、与现有的YJV电缆相比，电缆垂直敷设后电缆的导体承受的拉力大大的减小了，电缆自重对导电线芯的拉力，大部分由钢丝绳承受了，电缆垂直敷设的长度可以增加。

4、由于护套材料改用耐低温、耐腐蚀的低温柔软性好的聚氯乙烯弹性体材料，确保电缆能在-40℃温度下、强风、盐雾等恶劣环境下使用。

本发明为了满足风能用高压交联电缆的要求，对电缆的加强芯(层)的选材与结构进行了多方案分析，具体如下：

方案1、用聚丙烯腈碳纤维丝作编织代替钢丝装铠，作为电缆的加强层，以抗拉，性能参数见表1。

方案2、用聚丙烯腈碳纤维布绕包代替钢丝装铠，作为电缆的加强层，以抗拉，性能参数见表2。

方案3、用石墨碳纤维绞绳绕在内衬层的外面，代替钢丝装铠，作为电缆的加强层，以抗拉，性能参数见表3。

方案4、把装铠用的钢丝，集中起来，减少钢丝装铠的损耗，以提高电缆的截流量，性能参数见表5。

考虑到耐低温、耐腐蚀的要求，外护套均选用低温柔软性好的聚氯乙烯弹性体材料。

通过比较：

方案1、从性能上讲聚丙烯腈碳纤维原丝的性能(表1)最能满足作为电缆加强的材料，而且碳纤维是一种无磁材料，特别适合单芯电缆的铠装。但因其直径太小，无论是用作编织还是用作电缆的铠装均不能满足工艺操作要求。

方案2、聚丙烯腈碳纤维布的拉力(表2)虽然随着布厚的增加而增加，但也不是成正比例的增加，从单位截面的拉力来说和钢丝的拉力(表4)也相差几倍，不能满足本发明电缆的抗拉与抗强风的要求。

方案3、从表3可以看出，把碳纤维制成的炭绳后，抗拉强力大大地下降了，而且拉力随着炭绳外径的增大而不变，即拉力强度随着炭绳外径的增加反而下降。从表3和表4比较来看纤维绳的拉力单位是N，钢丝绳的拉力单位是Mpa，如取相同的直径，数值相同，则同规格的钢丝的拉力是碳纤维的断面面积数的倍数。

综上所述，方案1-3均不能满足要求，而方案4可以满足要求，即为本发明的技术方案。

表1碳纤维制品的特性

性能	聚丙烯腈碳纤维原丝
性能	聚丙烯腈碳纤维原丝	比重g/(cm³)	1.7～1.8
直径μm	6～8	比重g/(cm³)	1.7～1.8
直径μm	6～8	抗拉强度Mpa	8000
拉断伸长率(％)	1～1.5	抗拉强度Mpa	8000
拉断伸长率(％)	1～1.5	热膨胀系数(10^-4/℃)	5～8
比电阻(Ω/cm)	0.5~1×10^-1	热膨胀系数(10^-4/℃)	5～8

表2聚丙烯腈碳纤维布性能

产品规格	1K	3K
产品规格	1K	3K	经向拉力(N/25mm)	≥500	≥800
纬向拉力(N/25mm)	≥400	≥600	经向拉力(N/25mm)	≥500	≥800
纬向拉力(N/25mm)	≥400	≥600	幅度mm	～800	～
布厚度mm	0.17±0.02	0.33±0.02	幅度mm	～800	～
布厚度mm	0.17±0.02	0.33±0.02	布长度m	～200	～120

表3石墨基碳纤维性能

表4装铠用镀锌钢丝机械性能

规格化mm	抗拉强度Mpa	拉断伸长率％
规格化mm	抗拉强度Mpa	拉断伸长率％	0.3～6	250～540	12

表5航空钢丝6*19+NF

公称直径NominalDiameter	绳公称抗拉强度NorminalT/S	绳最小破断拉力(Min.b/l)	钢丝总断面积CrossSection	参考重量ApproximeateWeight
公称直径NominalDiameter	绳公称抗拉强度NorminalT/S	绳最小破断拉力(Min.b/l)	钢丝总断面积CrossSection	参考重量ApproximeateWeight	mm	Mpa	KN	mm	kg/100M
3.00	2060	6.27	3.58	3.80	mm	Mpa	KN	mm	kg/100M
3.00	2060	6.27	3.58	3.80	3.30	1770	6.51	4.33	4.50
3.60	1770	7.76	5.16	5.40	3.30	1770	6.51	4.33	4.50
3.60	1770	7.76	5.16	5.40	4.20	1770	10.56	7.02	7.40
4.80	1770	12.94	8.60	9.00	4.20	1770	10.56	7.02	7.40
4.80	1770	12.94	8.60	9.00	5.10	1770	15.57	10.35	10.90
6.20	1670	20.34	14033	15.00	5.10	1770	15.57	10.35	10.90

附图说明

图1为原有8.7/10kV-YJV32-1×95mm2高压交联单芯电缆的截面图。

图2为电缆轴向受力分析图。

图3为本发明8.7/10kV-YJV32-1×95mm2高压交联单芯电缆的截面图。

图4为本发明成形电缆外护套的模具结构示意图。

图5为图4中模套的左视图。

具体实施方式

以YJV328.7/10kV 1×95mm2单芯电缆为例计算钢丝能承受的拉力如图2。

原有的该规格电缆其铠装结构如表6：

表6原有8.7/10kV YJV321×95mm2单芯电缆铠装结构尺寸表

铠装前外径(mm)	钢丝装铠单丝直径/根数mm	钢丝装铠后外径mm
铠装前外径(mm)	钢丝装铠单丝直径/根数mm	钢丝装铠后外径mm	26.9	2.0/35	30.9

钢丝铠装节距倍比取10倍，钢丝许用拉力取300Mpa。电缆轴向受的拉力F为圆周上每根钢丝沿轴向受力之和，F1则为单根轴向力在单根钢丝上的分量之和。根据图2可得；F＝F1/sinα，电缆轴向所承受最大的拉力，应该是每根钢丝所允许的最大承受拉力(钢丝抗拉强度取300Mpa)。

即F＝35*300*π/4*d²/sinα

α＝arctg10/d＝arctg10/(26+2)＝48.29

F＝35*300*3.14159/4*0.002²/sin48.29°

＝0.044187(10⁶N)

＝44187(N)≈4419(kg)

通过计算，YJV321×95mm2单芯电缆允许承受的拉力为4.4T，因此设计的其它结构的电缆其允许的拉力应不低于这个拉力。

实施例1

本发明采用所述的第4种方案：如图3所示，该抗强风耐腐蚀风力发电用高压交联单芯电缆包括导电线芯1、导体屏蔽2、绝缘层3、外屏和铜带屏蔽层4、无纺布和内衬层5、以及外护套7，外护套7内沿圆周方向均匀设有四根集束钢丝加强芯6，且集束钢丝加强芯6优选采用航空用钢丝绳。外护套7外围设有四个突耳11，该四突耳11分别与外护套7内包覆的集束钢丝加强芯6位置对应。该结构可以减小外护套7的厚度，从而可减轻电缆的重量，且突耳11结构更有利于外护套7对集束钢丝加强芯6的包覆性能。

根据表5航空用钢丝绳的性能，用四根φ4.2mm的钢丝绳就能够满足单芯电缆允许承受的拉力要求，根据图2计算如下：

F＝4×10.56/sin48.29°＝56.34(KN)≈5.6(t)

因此本发明把单芯电缆设计如图3的形状，具体加强层结构尺寸见表7。

表7本发明8.7/10kV YJV321×95mm2单芯电缆设加强芯后尺寸表。

内衬层外径(mm)	钢丝加强芯(n*mm)	加钢丝加强芯后外形尺寸(mm)
内衬层外径(mm)	钢丝加强芯(n*mm)	加钢丝加强芯后外形尺寸(mm)	26.9	4*φ4.2	35.3

外护套内的加强芯还可以沿圆周方向均匀设有六组或八组对称分布的集束钢丝加强芯，考虑到对截流的影响，所以本实施例设计的四根钢丝绳较为实用。

本发明电缆的工艺实现：

加工本发明的电缆，采用的设备结构如图3所示，挤出该电缆外护套7的模具采用如图4所示的模具，并把模芯9的形状作成如图5所示的带凸边的结构，挤出即得外护套7带有突耳11的结构。

由于模具的结构复杂，对模具的加工精度要求高，模芯9和模套8间组成的胶路要保证胶流的流动的均匀性，才能保证挤出后的厚度均匀。

Claims

1、一种风力发电用高压交联单芯电缆，该电缆由包括导电线芯、导体屏蔽、绝缘层、外屏和铜带屏蔽层、无纺布和内衬层，以及外护套，其特征在于：外护套内沿圆周方向均匀设有多组集束钢丝加强芯。

2、根据权利要求1所述的高压交联单芯电缆，其特征在于所述外护套内沿圆周方向均匀设有四组、六组或八组集束钢丝加强芯。

3、根据权利要求2所述的高压交联单芯电缆，其特征在于所述外护套内均匀设有四组集束钢丝加强芯。

4、根据权利要求1、2或3所述的高压交联单芯电缆，其特征在于所述外护套外围设有多个突耳，该突耳与外护套内包覆的集束钢丝加强芯位置对应。

5、根据权利要求4述的高压交联单芯电缆，其特征在于所述集束钢丝加强芯采用航空用钢丝绳。

6、根据权利要求5所述的高压交联单芯电缆，其特征在于外护套采用聚氯乙烯弹性材料制成。