DC2000V及以下光電復合型鋁合金芯多芯一體化光伏用耐火柔性電纜的研制

張金成

（雙登電纜股份有限公司）

1 研制背景

光伏發(fā)電系統(tǒng)用電纜（簡稱“光伏電纜”）長期暴露在外界自然環(huán)境中，受到強烈的太陽紫外線光的照射，還要在炎熱、寒冷、潮濕和污染的（如灰塵、沿海地區(qū)的鹽霧、工業(yè)區(qū)的化學污染等）環(huán)境中使用。同時，由于光伏場合的特殊性，即電纜敷設(shè)空間狹小和安裝過程中不可避免的拖拽折彎操作，要求電纜具有一定的柔軟特性；其次，隨著綠色安全理念的不斷深入和智能制造時代的到來，消防耐火和光電復合的要求也對本產(chǎn)品提出特殊的設(shè)計要求。另一方面，為了迎合用戶對本電纜運行系統(tǒng)的持續(xù)降本需求，多芯一體化結(jié)構(gòu)也日益成為設(shè)計熱點。

1）早些時候，受系統(tǒng)接口和工作習慣的影響，常規(guī)光伏場合用直流電纜的工作電壓一般為DC1500V（系統(tǒng)最高允許電壓為DC1800V），然而隨著相關(guān)國際標準的更新，加之光伏電站總功率的提升，迫切需要將直流電纜的系統(tǒng)電壓升至DC2000V。

2）在過去的一個多世紀，銅芯電纜因其良好的導電性能，一直是電纜導體的主流選材，然而由于我國銅礦資源日益緊張、鋁礦資源豐富，在滿足相同電氣性能的條件下，鋁合金電纜的使用成本要低于銅芯電纜。

3）早期，光伏組串只是用于所發(fā)電能的匯聚，但隨著各行各業(yè)對大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計要求，特別是隨著智能電網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)，每一組甚至每一串的實時發(fā)電數(shù)據(jù)必須被采集和分析，如采用電氣的方式不僅經(jīng)濟性不好還會造成信息的失真，“光”的方式便成為最佳的選擇。

4）一般來說，光伏發(fā)電系統(tǒng)末端回路均采用兩芯專用電纜，并采用網(wǎng)絡式的串接和并聯(lián)的形式，以上方式不僅成本高而且安裝敷設(shè)工作量極大，要求有可直接敷設(shè)于組串至逆變器之間，能夠省去直流配電箱（匯流箱），成本低和使用方便的產(chǎn)品，單元組合式的多芯一體化的光伏電纜產(chǎn)品成為搶占市場的“賣點”。

5）雖然因本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的所有材料均具有自熄性，電纜已具有優(yōu)異的阻燃性能，但光伏電纜為用于電能的傳輸，其工作時卻連接著智能管理系統(tǒng)，外部環(huán)境不可抗的火源造成的事故不僅是停電動作本身，更會因某一點的故障對整個電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生毀滅的打擊，因此消防要求中的耐火要求也成為設(shè)計目標之一。

6）因本產(chǎn)品為多元件疊加，加之設(shè)計有鎧裝結(jié)構(gòu)，必須從整體設(shè)計上考慮柔軟特性；另外，又因本產(chǎn)品為“雙碳”領(lǐng)域的配套產(chǎn)品，作為高端裝備型元器件，柔軟便捷的安裝體驗也是賦予產(chǎn)品設(shè)計的必要元素之一。

2 產(chǎn)品設(shè)計

1）導體：本著為用戶創(chuàng)造價值的理念，材質(zhì)選型為鋁合金；為規(guī)避鋁合金材易氧化的不足，單線表面涂覆有石墨烯；作為電纜柔軟性能的重點設(shè)計環(huán)節(jié)，導體設(shè)計為第5種束合結(jié)構(gòu)；為提高電纜的抗拉力，設(shè)置纖維編織層。

2）絕緣：選用125℃抗靜電荷積累型輻照交聯(lián)阻燃聚烯烴絕緣料，通過引進三嗪超分子微膠囊合成技術(shù)，采用自主研發(fā)的納米界面改性雜化方法及大剪切作用、多工位加工技術(shù)，制備電纜絕緣用特種阻燃材料；在參照相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，進行充分的機械和電氣工藝驗證，依據(jù)直流電場的設(shè)計原理，最終確定適用于DC2000V工作電壓場合的電纜絕緣尺寸；采用半擠壓/半擠管式方式擠出。

3）纜芯：選型匹配的光纜，并采用發(fā)泡形彈性體擠制而成的馬鞍形光纖單元作為中心結(jié)構(gòu)；因模具設(shè)計已允許考量回路兩芯絕緣的尺寸，馬鞍形光纖單元的兩邊各絞制和內(nèi)置一根絕緣線芯，故成纜工序雖未包制扎緊帶，但結(jié)構(gòu)卻緊湊完整。

4）內(nèi)護套：為了實現(xiàn)成品電纜具有確定的抗拉力，且保證內(nèi)護套擠制時的穩(wěn)定性，在內(nèi)護套擠制時縱包放置具有“子午線”的軟質(zhì)包帶（設(shè)計有帶材縱包裝置），該包帶縱包時與纜芯的包覆性好，既能夠綁緊纜芯也可與內(nèi)護套粘結(jié)成一個整體，有效地保證光纖單元不斷芯；內(nèi)護套材料為陶瓷化阻燃彈性體，采用擠壓式擠出，該結(jié)構(gòu)是電纜實現(xiàn)耐火特性的重要載體。

5）鎧裝：小規(guī)模雙層鋼帶間隙包制，設(shè)計有鋼帶寬度實時采集反饋系統(tǒng)，確保包制過程的穩(wěn)定（不“露包”）和高效。

6）外護套：選用125℃抗靜電荷積累型輻照交聯(lián)阻燃聚烯烴護套料，通過引進三嗪超分子微膠囊合成技術(shù)，采用自主研發(fā)的納米界面改性雜化方法及大剪切作用、多工位加工技術(shù)，制備了電纜護套用特種阻燃材料；在參照相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，進行充分的機械和電氣工藝驗證，依據(jù)直流電場的設(shè)計原理，最終確定適用于DC2000V工作電壓場合的電纜護套尺寸；采用半擠壓/半擠管式方式擠出。

7）一體化：以上單元已是具有獨立功能的成品，為了能夠延伸產(chǎn)品的使用效果，可以根據(jù)光伏場合具體的布線型式設(shè)計匹配的一體化方案（如7芯、19芯、37芯等），子單元通過絞制（間隙繞包扎緊帶）而并不擠制封閉型的防護套管，從而給用戶的使用拓展了無限的空間。

3 工藝方案

（1）導體

首先，鋁合金材質(zhì)因其化學性質(zhì)較活潑，常規(guī)環(huán)境下表面易形成致密的氧化層，特別是束絞和復絞的“拐點”處，因接觸電阻增大易致成品導體電氣特性不穩(wěn)定，同時可能形成更多的材料消耗，采用真空爐人工生長的方式涂覆具有導電性能的納米級新型石墨烯材料，在成本增加并不明顯的前提下完全能夠解決以上問題；其次，電纜規(guī)格較小（最大需求僅為10mm2），絞合時極易拉細而造成導體電氣性能不合格，為了精準地控制股線張力，借鑒了繞包型航空導線絕緣設(shè)備的經(jīng)驗，對絞線機的每一個放線盤增加動力反饋系統(tǒng)，可根據(jù)存線量和設(shè)備的傳動狀態(tài)實時反饋并調(diào)整放線張力；因鋁合金材質(zhì)強度較低，加之規(guī)格較小，必須設(shè)置增強結(jié)構(gòu)，借鑒了采煤機用電纜的經(jīng)驗，以編織的形式整體包覆導體，既保證導體的完整性，也使絕緣擠出時較為方便。

（2）絕緣、護套

絕緣在第5種導體（即第5種鋁合金導體）、護套在鋼帶鎧裝層上擠出，以上表面并不十分光滑，如采用擠管式，因壓力不夠包覆性能并不能確保，而如果采用擠壓式，則會出現(xiàn)中途退模現(xiàn)象。兼顧“擠管式”的穩(wěn)定性和“擠壓式”的密封性優(yōu)點，刪減了前者模芯的“承嘴”和后者模套的“承徑”，在充分驗證材料流動性的前提下，將塑料擠出的“壓力角”增加3度，取得兩種擠出方式優(yōu)缺點的平衡。

（3）輻照

1）裝備：針對125℃抗靜電荷積累型輻照交聯(lián)阻燃聚烯烴材料擠出層的制備要求，升級輻照交聯(lián)的控制系統(tǒng)，并開發(fā)了專用輻照工藝裝備，采用“交叉循環(huán)式”電纜輻照交聯(lián)工藝，解決了輻照交聯(lián)制品均勻性的難題，保證了電纜產(chǎn)品高耐熱及長壽命使用要求。

2）工藝：一是控制輻照劑量，以保證達到交聯(lián)度要求即可，盡可能降低劑量以減少停留在高聚物中的自由電子；二是提高輻照能量，以加大電子的穿透力，使多余電子能夠及時穿透高聚物并通過導體引出；三是做好半制品導體的接地，以便穿透高聚物的多余電子能及時通過導體引出；四是提高輻照設(shè)備電子能量的均衡性，使得其產(chǎn)生的電子的能量盡量一致；五是盡量降低輻照設(shè)備收線裝置的張力，由于在輻照過程中收線的張力主要作用在有機物上（絕緣或外護套），較大的張力會引起絕緣或外護套結(jié)構(gòu)變形。

（4）纜芯

因光纜單元也承受較大的機械力，為了使馬鞍式填充中的光纜能夠適應苛刻的使用環(huán)境需求，在電纜主體結(jié)構(gòu)確定后，確定光纜單元合適位置成為重點之一。由于電纜導體的工作溫度較高（125℃），光纜適用的溫度最高不得超過60℃，所以光纖單元不能放置在導體內(nèi)，通常考慮放置在電纜的中心部位。為了纜芯結(jié)構(gòu)的緊湊性，設(shè)計馬鞍式光纖單元結(jié)構(gòu)，特別是該單元的槽位為按絕緣外形設(shè)計，能夠保證絞纜后絕緣線芯置于其中空間合適和穩(wěn)定可靠；同時，設(shè)計出的填芯專用擠出模具和帶瓦楞槽的收線盤，能夠保證光纖單元的成型和收盤后不被損傷。

（5）內(nèi)護套

本工序有以下工藝難點，一是制作出帶有“子午線”的軟質(zhì)包帶，具有抗拉功能的“子午線”與基質(zhì)包帶采用熱印的形式復合而成；二是借鑒鋁塑防水層的工藝，設(shè)計制作出帶材縱包裝置，采用多個逐漸收徑的喇叭模，該縱包工藝能夠確保纜芯的緊湊性，也省去二次繞包的成本；三是陶瓷化彈性體內(nèi)護套的工藝實現(xiàn)，通過“三角錐”形的設(shè)計，巧妙地利用彈性體材料擠壓原理，使膠料在最大程度上陷進“子午線”包帶和纜芯的縫隙之間，形成特有的錐形狀，從而使護套及錐體形成統(tǒng)一的整體，有效防止了電纜安裝敷設(shè)過程中纜芯結(jié)構(gòu)的異動甚至破損。

（6）鎧裝

本工序雖然是線纜產(chǎn)品的常規(guī)工序，但因按相關(guān)標準設(shè)計得出的鎧裝帶厚度較薄（標稱厚度僅有0.2mm），薄型金屬帶鎧裝工藝一直是行業(yè)的難點，解決方案是在現(xiàn)有鎧裝設(shè)備上，設(shè)計和制作出具有在線自動裁剪功能的裝置，該工裝能夠捕捉內(nèi)護套外徑的適時尺寸，通過電氣反饋線路傳遞給前端的縱剪分條裝置，其根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)確定最佳的金屬帶寬度并裁剪，進而使金屬帶的繞包既不會產(chǎn)生“露包”，也最大程度提升了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

本項目是基于使用場合對專用電纜的特殊性需求，通過新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計和對材料的配方研究，特別是輔以對工裝模具有效改進的支撐，最終形成能夠代表光伏發(fā)電單元集電連接產(chǎn)品發(fā)展的新方向。