第42卷第3期2015年3月世界橡胶工业World Rubber Industry 0 前 言
随着我国经济的快速发展，工业化、城市化进程的加快，能源需求快速增长。近年来雾霾天气的不断加重让人们对环境保护、清洁能源和节能减排更为关注，政府在工作报告中已明确提出：要优化能源结构，降低石化能源占比，大力发展新能源。风能、光伏太阳能、生物质能和地热能等可再生能源再次迎来了发展机遇。
风力发电行业的发展催生了对风力发电机组用特种橡胶电缆的需求，如最上节塔筒内的动力和控制信号电缆都需随风机不断转动，对电缆的性能要求很高。近年来，国内许多电缆生产企业都对此进行了研发，1.8 kV/3 kV （相电压1.8 kV ，线电压3 kV ）及以下电压等级的耐低温、耐紫外线和抗扭转风力发电机组用橡胶电缆已能完全满足用户要求，相对应的国家标准GB/T 29631—2013已发布实施，但对额定电压6~35 kV 中压风能低烟无卤阻燃橡胶电缆的研
发还停留在试验阶段，主要还依靠进口。宝胜科技与某国外风机厂对额定电压21 kV/35 kV （相电压21 kV ，线电压35 kV ）风力发电用耐扭转低烟无卤阻燃橡胶电力电缆进行了联合研制。就该电缆技术要求、产品结构、材料、试验方法等内容进行了介绍和探讨。
1 电缆使用场合及技术要求
把变压器安装在机仓上可以减少低压电缆的用量，能节省成本、减少安装的麻烦。并且使用中压电缆输电，只需要一根，比较容易适用于扭转工况，输电电损耗较小。故国外某2MW 风机的电缆输电方案为：风机发动机在机舱内，发出的电压为690 V ，连接到变压器的低压侧。变压器位于机舱的后部，为35 kV/690 V 三相干式变压器（通过此变压器，电压从35 kV 变为690 V ）。从变压器出来的35 kV 电压经过35 kV 电缆输送到塔筒底部的开关柜，经过开关柜再输送到外面的
风力发电机组用额定电压21 kV/35 kV耐扭转低烟
无卤阻燃橡胶电力电缆的研制
甘胤嗣, 房权生, 王 永
(宝胜科技创新股份有限公司, 江苏 宝应 225800)
摘 要：
介绍了风力发电机组用额定电压21 kV/35 kV （相电压21 kV ，线电压35 kV ）耐扭转低烟无卤阻燃橡胶电力电缆的研制情况，详细分析了电缆的结构、材料、工艺控制要点和试验方法。
关键词：
风力发电机组；橡胶电力电缆；低烟无卤阻燃（LSZH ）；耐扭转中图分类号：
TQ336.5 文献标志码：B 文章编号：1671-8232(2015)03-0034-06V ol. 42 No.3：34～39
Mar. 2015
作者简介：甘胤嗣（1968— ），男，湖北省咸宁市人，工程师，从事特种电缆材料的配方设计和技术管理工作。
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技 术 应 用
第42卷第3期35 kV 电网。研发的额定电压21 kV/35 kV 风力发电用耐扭转橡胶电力电缆用于变压器的高压侧同位于塔筒底部的开关柜的连接，电缆在最上面的一节塔筒内承受悬吊和扭转，悬吊长度根据塔型的不同而不同，最长为28 m 。
电缆布置图如图1所示。
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??ネ?咫?ポ图1 2 MW 风机用电缆布置图
电缆的一般物理性能按照国际电工委员会标准IEC 60502的规定测试。比较关键的是电缆模拟试验——耐扭转试验。由于没有现行的试验标准，根据风机运转情况制订了如下试验方法：
取10 m 试样垂直悬挂安装，上端用可以旋转的夹具夹紧，下端用夹具夹紧固定在支架上，并在其下夹具上方10 cm 处的样品上挂上相当于17 m 长电缆质量的重物。
（1）常温扭转试验：电缆样品应在环境温度20 ℃±1 ℃下进行试验。电缆样品先顺时针扭转1080 °，然后恢复到自然状态，再逆时针扭转1080 °，随后再被恢复到自然状态，以此为一个周期，共进行5000 个周期的试验。扭转速度为720 °/min~1080 °/min 。其间进行8 h 通电加热和16 h 自然冷却的热循环试验，通电期间应使导体稳定在电缆的工作温度90 ℃下，通电和冷
却过程应该贯穿整个试验过程。
（2）低温扭转试验：电缆样品应在环境温度-40 ℃±1 ℃下进行试验。电缆样品先顺时针扭转1080 °，然后恢复到自然状态，再逆时针扭转1080 °，随后再被恢复到自然状态，以此为一个周期，共进行270 个周期的试验。扭转速度为720 °/min~1080 °/min 。
（3）试验结果评定：
在完成上述试验程序中规定的试验后，试样表面应目测无裂纹及扭
曲现象；3.5U 0（U 0表示电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压）下5 min 交流耐压试验不击穿；1.73U 0电压下局部放电应不大
于10 pA·s ；所有试验完成后应解剖电缆，并确定电缆内各部分无破裂。
2 产品设计
额定电压21 kV/35 kV 耐扭转低烟无卤阻燃橡胶电力电缆主要参照IEC 60502、德国电气工程师协会标准DIN VDE 0250—813以及用户的技术资料，并参考国外同类产品进行设计和研制。2.1 产品结构
图2为电缆的结构示意图。
由于电缆的使用环境恶劣、使用寿命长、耐常温或低温扭转要求特殊，结构设计上作如下考虑：
（1）结构的柔软性。要使电缆有良好的柔软性和弯曲性能，一是电缆导体结构和铜材质量方面，在达到IEC 60228标准中第5类或第6类软铜导体的基本要求上，选用连铸连轧低氧铜杆，铜单丝采用多次退火、多头连拉连退工艺，绞合采用同向小节径工艺，这样可使导体线芯有很好的柔韧性；二是作为中压电缆的两种绝缘材料，毫无疑问，只能选择柔软性好的乙丙橡胶（EPR ），而交联聚乙烯（XLPE ）太硬，不能用于移动场合；三是护套材料同样要选择柔软性好的特殊配方乙烯醋酸乙烯共聚物（EVM ），也曾考虑采用热塑性低硬度聚氨酯（TPU ）作为护套，TPU 柔性和物理性能很好，但耐热性、烟密度和阻燃性不如EVM 材料，国外也尚未有采用TPU 的报道。
甘胤嗣, 等. 风力发电机组用额定电压21 kV/35 kV 耐扭转……
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2015
（2）结构的稳定性。采用“3+3对称式”结构，防止电缆扭转时各元件承受的应力不一致。
（3）电缆的耐低温性。选用的绝缘基料乙丙橡胶属于柔顺性很好的非极性材料，玻璃化转变温度可达-55 ℃，低温性能良好；护套基料EVM 的低温性能不是很好，并且随着醋酸乙烯（VA ）含量的增加而越来越差，如EVM 700牌号（VA 含量70%）的玻璃化转变温度只有-9 ℃，但可以通过橡胶并用和添加耐低温增塑剂制成特殊的混合物，其低温性能也能达到要求。
（4）电缆的抗扭转性。由于电缆需要在常温、低温条件下正反向扭转，因此需要设置抗扭转性能好的综合加强护套层。EVM 耐低温低烟无卤阻燃护套的物理性能中等，抗撕性也较差，用单一护套估计难以满足抗扭转要求。故我们采取了内护套层加抗扭转加强层加外护套层的特殊结构，以这一类似“三明治”的结构形成一个整体。
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图2 电缆结构示意图
2.2 关键材料
2.2.1 导体和绝缘屏蔽层材料
为保护绝缘层免受由于电场应力集中造成的破坏，
均匀电场，降低绝缘层电应力，防止导体与绝缘表面发生局部放电及短路时因导体过热引起绝缘层的损伤，电缆需要在导体与绝缘层之间以及绝缘层外部各挤包一层半导电屏蔽
层，分别称为内屏蔽层(导体屏蔽层)和外屏蔽层(绝缘屏蔽层)。2.2.2 绝缘材料
同XLPE 绝缘材料相比，
EPR 绝缘材料柔软性好，有更好的过载抗形变特性、优良的耐水和热循环老化性，能更有效抑制电缆水树和电树的引发和生长，特别适合各种高压移动电缆。其基本性能应符合IEC 60502中高硬度乙丙橡胶（HEPR ）混合物的要求。2.2.3 内、外护套材料
内护套材料采用无卤低烟EPR ，其基本性能应符合DIN VDE 0207中GM1b 的规定，主要目的是提高护套的耐低温性能并有利于加强层的粘合；外护套材料采用特殊配方的耐低温EVM 无卤低烟阻燃混合物材料，其基本性能应符合IEC 60092—359中SHF2的规定。由于外护套兼顾了耐低温、耐油、无卤低烟阻燃和耐水等多项性能，对该种材料进行了自主配方研发。配方设计的关键要点如下：
（1）基料的选用。VA 含量增加，EVM 的耐寒性下降，耐油性提高，故选择VA 含量适中的EVM 型号，平衡各项性能。仅仅采用EVM ，胶料耐寒性无法达到-40 ℃，故需采用橡胶并用的方法改善之。研究发现：并用EPR 效果显著，EVM/EPR 的并用比为70/30时效果最佳。
（2）耐寒增塑剂的选择。相容性好的增塑剂的加入能削弱橡胶分子间的作用力，使橡胶分子链更容易活动，从而导致玻璃化转变温度降低。不同分子质量和分子结构的增塑剂对橡胶耐寒性的影响是不同的，一般含有直链烷基的增塑剂耐寒性比较好，而含支链或环状结构越多则耐寒性越差。试验研究表明：在胶料中添加同等量的二乙二醇丁醚（TP-90B ）、己二酸二（丁氧基乙氧基乙）酯（TP-95）、癸二酸二辛酯（DOS ）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP ）增塑剂，胶料耐寒性依次为TP-90B ＞TP -95＞DOS ＞DOP 。但由于TP-90B 相对分子质量和沸点较低，老化性能较TP-95、DOP 的差；此外，增塑剂用量较大，会使胶料烟密度和阻燃性下降，故经综合考虑，选择TP-95最佳。
经过配方优化设计，得到的外护套胶料的典型性能数据见表3。
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技 术 应 用
第42卷第3期
3 生产工艺
3.1 内、外屏蔽和绝缘层采用三层共挤出工序
从德国Troester 公司引进的、
配备水汽平衡系统、悬垂控制系统、在线检测系统的橡胶绝缘三层共挤连硫生产线具有国际先进水平，可实现导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽层同时一次挤包，确保了挤出各结构尺寸的稳定性，保证了绝缘系统具有良好的电气绝缘性能。关键工艺控制如下：
（1）挤出机温度
胶料在挤出前要避免早期焦烧，对挤出机温度，特别是机头温度的控制十分重要。对内外屏蔽材料而言，同等重要的还有挤出后导电网络不受破坏。由于屏蔽材料配方中添加有较多的导电炭黑，挤出流动容易摩擦生热，除采用25:1长径比的专用螺杆外，在保证无早期焦烧的情况下，挤出机温度要尽可能高，以实现低剪切应
力的挤出，熔融压力以不超过400 MPa 较为合理。为保证21 kV/35 kV 电压等级的乙丙橡胶绝缘材料的电气绝缘性能，通常配方中采用乙烯含量较高的三元乙丙橡胶，矿物填料的添加比例小，润滑油也不多，所以挤出温度要比低压电缆用乙丙橡胶要高（通常应控制在90~110 ℃范围内），才能保证胶料良好的流动性。判定流动性好坏的简单办法是在挤出机与机头连接前，观察胶料从螺杆头排出的连续性和软硬度。依照经验，挤出胶料的连续性好、软硬度适当，设定的机头温度就是合理的。另外挤出速度要与挤出温度相匹配，过高的挤出速度往往导致胶料塑化速度跟不上，绝缘表面会出现非连续性凹陷现象，导致绝缘厚度达不到要求。
（2）绝缘偏芯度
绝缘偏芯度是影响产品质量的重要因素。绝缘厚度不均产生偏芯后，电场分布也不均匀，厚度薄的一侧电场强度会增加，当电场的不均
表3 耐低温EVM 外护套典型性能
按上述设计思路和原材料选择，生产了规
格为“21 kV/35 kV 3×35+3×16”结构的电缆。
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匀性达到一定程度时，电缆寿命会大大缩短，所以要严格控制偏芯度（一般控制在5%以内）。采用配置了Sikora 公司先进的X-RAY 8000在线测径装置的生产线，对内屏蔽层/绝缘/外屏蔽层结构尺寸和偏芯度的控制提供了保障。
（3）避免杂质进入
目前国内三层共挤连硫生产线现场较为简陋，基本上都没有材料烘房、净化室，甚至真空自动上料装置都没有，而是采用人工加料方式，这特别容易造成杂质混入。更严重的是夏季人工加料，汗水还会滴入料中。这些都影响着乙丙橡胶绝缘材料的质量。另外，一般生产线都是多用途的，切换至生产中压电缆前必须清洗设备的每个部位，最好更换专用螺杆。3.2 外护套炼胶工序
橡胶型E V M 的主要生产厂家为德国Lanxess 和美国Dupont ，其产品特点是黏度低、填充量大，尤其易于挤出，但炼胶容易黏辊，对此也作了一些摸索：
（1）氢氧化铝[Al(OH)3]对黏辊的影响。配方中需添加多达200份Al(OH)3，
以满足阻燃性要求，但同时会带来拉伸强度的大幅下降。试
验发现：如果Al(OH)3平均粒径（D 50）在1.6 μm 以下、BET 比表面积在6 m 2
/g 以上，拉伸强度就基本能达到标准要求,且粒径越细、比表面积越大，强度越高，但同时黏辊越来越严重，不但会黏开炼机，还会黏密炼机转子。因此应根据配方体系选择适当粒径的Al(OH)3材料。
（2）炼胶工艺对黏辊的影响。黏辊有两种情况：一是密炼机黏转子，无法卸料；二是开炼机、三辊压延机黏辊，胶料无法切胶下料进行打
卷、压片等操作。黏辊的原因主要在于温度，温度越高，黏辊越严重。故密炼机应采取低转速、低温、增加间歇时间的方式操作，开炼机、三辊压延机应将辊温控制在40 ℃以下，黏辊即可得到明显改善。在开炼机或压延机辊筒表面涂蜡或喷硅油，也能起着防黏辊的效果。密炼机、开炼机、三辊压延机采用通水冷却的方式冷却，辊温要得到较好控制，水温的控制是关键，冷却用水要有专用的循环水池，夏季要经冷却塔降温后使用。
4 电缆的第三方测试
经过为期半年左右的测试，研制的2 MW 风力发电机组用“21 kV/35 kV 3×35+3×16”结构耐扭转低烟无卤阻燃橡胶电力电缆通过了国家电线电缆质量监督检验中心的全性能测试，与合作方就双方共同关心的耐扭转试验进行了跟踪和现场见证试验。经检验，扭转试验后电缆的外观、局部放电、耐电压试验均满足设计要求，并对试验后的电缆进行了解剖，导体无断裂、绝缘表面无开裂现象。
5 结 语
研制的风力发电机组用额定电压为21 kV/35 kV 耐扭转低烟无卤阻燃橡胶电力电缆，达到了国内兆瓦级风力发电机组用中压耐扭转电力电缆的领先水平，是国内兆瓦级风力发电机组实现低成本输电的一种优良解决方案。在风力发电行业的发展再次提高到国家能源战略的今天，必将得到进一步的推广应用。
Development of a Torsion Resistant LSZH Flame-Retardant Rubber Power
Cable with 21 kV/35 kV Rated Voltage for Wind Turbine Power Generation
Gan Yinsi, Fang Quansheng, Wang Yong
(Baosheng Science & Technology Innovation Co., Ltd., Baoying 225800, China)
Abstract: The development of a torsion resistant LSZH(Low Smoke-Zero Halogen) flame-retardant rubber power cable with 21 kV/35 kV rated voltage for wind turbine power generation is presented. The cable construction, materials, essentials of process control and tests were analyzed in detail.
Keywords: Wind Turbine Power Generation; Rubber Power Cable; Low Smoke-Zero Halogen(LSZH) Flame-Retardant; Torsion Resistance
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参考文献：
[1] Gamesa Corporation. Length of G8X-G9X Medium Voltage Cables: Gamesa PDTD-Product[R]. Gamesa Corporation Internal, 2011.
[2] Vestas Wind Systems A/S. High Voltage Cables: Vestas Document 0000-9660[R]. Vestas Wind Systems A/S, 2013.
[责任编辑：朱 胤]
收稿日期：2014-12-15
甘胤嗣, 等. 风力发电机组用额定电压21 kV/35 kV
耐扭转……
Future Tire Conference将与REIFEN、RubberTech Europe
在德国埃森同期举办
欧洲国际橡胶技术展RubberTech Europe 继2014
年首秀之后，主办方中联橡胶有限责任公司和德国埃森展览公司已将此项目合作期延长至2020年。该针对轮胎生产上游相关行业的展览会将会与全球第一专业轮胎展“德国埃森轮胎展REIFEN ”一起在德国埃森展览中心举行，因此REIFEN 不仅能确保其在专业轮胎展览领域的领先地位，同时也成为了全世界唯一一个覆盖到整个轮胎产业链的展会。REIFEN 和RubberTech Europe 展出范围将完整涵盖轮胎生产、轮胎流通直至轮胎的翻新和循环利用等各个环节。展商包括世界领先的轮胎生产商和贸易公司，同时也包括橡胶化学品、橡胶原材料企业和橡胶机械制造商等等。
同时由国际著名传媒公司Crain Communications
组织的Future Tire Conference 也将于2016年第一次与REIFEN 和RubberTech Europe 同期、同地举办。Crain 出版集团旗下的RPN （Rubber & Plastic News ）和ERJ （European Rubber Journal ）分别是北美和欧洲的著名橡胶专业刊物，拥有遍布全球的会员和读者。其出版和活动主管Steve Crowhurst 先生对此次合作给予了高度赞扬，他说：“埃森展览中心将是Future Tire Conference 的绝佳举办地，行业内重要企业决策者和专家都会齐聚埃森。此展会将会有三分之二的展商和观众都来自德国以外的世界各地，这是会议成功的绝对因素。我们期待与德国埃森展览公司、中联橡胶有限责任公司团队的合作，他们在此领域内颇有经验。”
（中 联）
R&R发布2019年全球轮胎市场预测报告
R&R Market Research 于近日发布汽车轮胎行业研究预测报告，揭示了2019年全球橡胶轮胎市场规模。
全球橡胶轮胎行业在未来几年预计将达到年增长4.5%。目前, 汽车用新的充气橡胶轮胎主导着橡胶轮胎市场，占全球需求的45.4%，其余的市场份额分为卡车和公共汽车用新的充气橡胶轮胎 (占32.6%)、摩托车用新的充气橡胶轮胎 (1.6%)、自行车用新的充气橡胶轮胎(1.2%)、飞机用新的气动橡
胶轮胎(0.5%)、其他新的充气橡胶轮胎(14.5%)、翻新橡胶轮胎(0.5%)、翻新橡胶轮胎(0.1%)、缓冲和实心橡胶轮胎(1.5%)、汽车用橡胶内胎(0.7%)、自行车用橡胶内胎 (0.6%)、其他橡胶内胎(0.7%)。
中国、德国、印度、印度尼西亚和美国代表了最大的橡胶轮胎市场，而最强劲的年增长预计将发生在塞内加尔(32.0%)、摩洛哥(14.6%)、玻利维亚(13.0%)、美国(10.9%)以及约旦(9.4%)。
（钱伯章）