风能电缆耐扭曲特性改进的研究 

河南通达电缆股份有限公司 周青海

1、引言

风能具有储量巨大，分布广泛、清洁无污染和可再生的特点，符合人类可持续发展的要求，越来越受到世界各国的关注。风电的发展也给其配套用软电缆提出新的要求。风力发电用软电缆目前国内外均无统一的技术规范，国外风电机厂商自定的电缆技术规范主要依据本国行业标准，比如美国公司参照UL标准；欧盟一些国家参照HD标准制定。我国风力发电专用电缆尚处于起步阶段，各个企业没有相关标准参考，2013年底才有相应的国家标准，之前只能消化吸收国外实物技术自定企业标准，造成大量不合格或劣质电缆充斥市场，不仅给用户带来经济损失，也给风电场运行设备造成隐患。近期，国家电线电缆质量监督检测中心于2009年起草了风力发电用耐扭曲软电缆技术规范，并逐步转化为行业和国家标准，提升了我国风电电缆的水平，为风电电缆的制造、检验、采购提供了依据。

风力发电用软电缆为应用于风电发电设备机舱内、塔筒内及风电机组至箱变的耐扭转软电缆。这种电缆必须随风力电机不断正向及反向旋转，所以对电缆要求即是柔软结构还必须有足够的抗张强度、耐扭曲、耐低温、耐紫外线等特点。

       

本工作研究了电缆外护层低烟无卤阻燃配方，其主体材料EVM（乙烯-醋酸乙烯共聚体）具有优良的耐热、耐油、耐臭氧、耐气候老化性能、低温柔软性能和耐磨性能。本工作采用过氧化物硫化体系、硅烷表面处理型氢氧化镁、加工助剂等材料及不同用量，探讨了有关EVM弹性体材料的开发与应用。

2、实验部分

2.1 主要原材料

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVM），450和700XL，均为德国LANXESS产品；硅烷表面处理型氢氧化镁，ATH—40，日本昭和化工公司；其它助剂均为市售橡胶工业常用原材料。

2.2 主要设备

开炼机，φ160×320，上海勤奋机械厂；平板硫化机，QLB—D350×350×2C25T，上海第一橡胶机械厂；拉力试验机，MZ—4000D型，江苏明珠试验机械有限公司；热空气老化箱，140B型，上海试验仪器厂；转子硫化仪，MDR—2000，上海德杰仪器设备有限公司；氧指数测试仪，HC—2型，江宁分析仪器厂。

2.3 测试标准

成品物理机械性能按GB/T2951和IEC60811—2001测试，电缆成束燃烧试验及烟密底试验按GB/T 18380—2001测试。其它测试按GB/T 29631-2013的规定进行。

3 结果与讨论

风力发电对专用电缆的性能要求较高，换句话说，该电缆的使用条件极为苛刻，对护套层的物理性能要求较高，因此护套胶料配方尤为关键，除合理选用各种配合材料之外，还应考虑各种配合材料对胶料综合性能的影响。

3.1主体材料的选择

风能电缆的性能要求除了良好的电气绝缘性能外，还应具有高效无卤低烟阻燃、耐油、耐热、耐扭转和耐磨性能。考虑到胶料所要满足的物理机械性能，确定选用VA含量较高的乙烯——醋酸乙烯酯共聚物（EVM）作其主体材料。

EVM属于非极性饱和主链分子结构聚合物材料，具有优良的耐高温性、耐气候老化性、耐臭氧老化性及耐紫外线；其分子结构中含极性醋酸酯侧基，耐油性和耐化学药品性较好；VA含量越高，耐油性和耐化学药品性越好，但耐低温性及机械性能却较差。针对此矛盾，拟采用两种不同牌号的EVM材料并用，以使之产生互补作用。

试验发现，低门尼粘度牌号的胶料用量多，加工性好，但炼胶过程中易粘辊；预交联牌号的胶料粘度高，有利于护套层的挤出；考虑到护套胶料应有以上特性要求，所以选用以EVM700XL为主，EVM450为辅的并用体系。

表1为EVM700XL/EVM450用量对并用胶耐老化性能的影响。由表1中可以看出随着EVM450用量的增加，并用胶的物理性能及耐热空气老化性能都得到较大的改善，但由于EVM450中VA含量降低，其耐油、阻燃性、耐化学药品性下降。综合考虑，选用EVM700XL/EVM450并用比为70/30时胶料综合性较好。

表1  EVM700XL/EVM450用量对并用胶耐老化性能的影响

EVM450用量，份	100	80	70	50	30	20	0
EVM700XL用量，份	0	20	30	50	70	80	100
拉伸强度，MPa	13.1	12.8	12.7	12.0	11.5	12.4	12.0
断裂伸长率，%	358	343	340	325	318	348	297
110℃×7d，热空气老化后
拉伸强度变化率，%	—7.7	—8.5	—9.3	—10.0	—10.5	—11.0	—11.4
断裂伸长率变化率，%	—10	—10.7	—12.0	—13.1	—14.0	—15.0	—15.8
100℃×7d，耐油试验903#油
拉伸强度变化率，%	—	—35	—25	—27	—29	—34	—20
断裂伸长率变化率，%	—	—30	—24	—28	—32	—33	—40

3.2硫化体系的选用

因EVM主链结构不含双键，属于饱和结构，设计时要求胶料要有良好的耐热性，故一般采用过氧化作其硫化剂。

实验发现，选用具有中高分解温度的过氧化物Perdox14或Varox时，硫化胶的硫化特性、物理机械性能和耐热空气老化性能较好；其原因是这两种过氧化物的活化能较高，需要较高温度才能分解，适合于高温橡胶连续硫化工艺；在高温条件下，两者均不会导致橡胶中残存过氧化物分解而加速橡胶老化，从而提高了橡胶制品的高温稳定性。

为改善胶料的硫化程度，提高硫化胶的物理机械性能，须加入共硫化剂。共硫化剂可抑制硫化过程中聚合物分子断链和歧化等副反应发生，提高交联效率。另外，共硫化剂可在交联点加入橡胶分子结构，引起胶料物理性能发生变化，特别是耐热性、压缩永久变形和电性能获得改善。常用的共硫化剂有：TAIC，TAC和HVA-2等。经实验，确定选用TAC。

3.3阻燃剂的选择

阻燃剂的选择是本工作的关键部分，它直接影响胶料的阻燃特性、低温扭转性能和加工性能。由于本工作要求胶料具有低烟、低温扭转和阻燃性，因此最有效和使用最多的无机阻燃剂是氢氧化铝，其阻燃机理在于加热时能分解出大量水蒸汽：

Mg（OH）2——→MgO+H2O

这是一个吸热反应，填充到高聚物材料里的Mg（OH）2在高温下分解出H2O，可吸收高聚物燃烧过程中放出的热，降低了温度，减缓了降解速度。同时Mg（OH）2分解出的水蒸汽还可稀释在火焰区的气体及反应物的浓度和产生的黑烟，可降低烟雾浓度；另外，Mg（OH）2还有一个作用，就有有助于高聚物燃烧时形成碳化层，该碳化层可阻挡热量和氧气的进入，又可阻止可燃气体逸出。优质的Mg（OH）2在低于245℃下，其脱水反应非常缓慢，因此填充Mg（OH）2的聚合物在高温混炼时不会影响其阻燃性。

实验发现，氢氧化镁的体积分数为35%时才会具有有效阻燃性。为获得大于36%的氧指数，必须添加150份以上的氢氧化铝镁。添加大量的氢氧化镁对硫化胶物理机械性和电气性能有很大的影响，因此宜选用粒径在0.8~1.0μm       ，经硅烷表面处理的氢氧化镁，以改善填料与胶料的相容性和湿润性，增强两者之间的反应活性，也就是改善填料的分散性。

3.4加工助剂的选择

EVM是一种极性较强的热塑性弹性体，门尼粘度低，加工过程中易粘辊。为了改善各种配合剂的分散性，可在胶料中添加2~3份的硬脂酸锌；添加4~6份的增塑剂DOS，可增强胶料的硫动性，利于高速挤出，改善制品的表面质量和光滑度，还可提高硫化胶的耐寒性。防老剂选用高温难挥发的防老剂RD。另外，还可以添加2~3份的低分子聚乙烯蜡，以改善胶料的加工性能。

4、配方、工艺与性能

4.1 优化配方

综上试验并经实践证实，风力电缆耐扭转护套胶配方为（质量份）：EVM，100；硫化剂+共硫化剂，3.2；阻燃剂，175；防老剂，1.5；软化及加工助剂，8；其它，15份。

4.2 工艺

EVM门尼粘度低，易粘辊，加工过程性能差，易采用低温逆混炼工艺（即倒炼法，加料顺序与一般方法相反）。密炼机混炼工艺为：将50%的增塑剂、阻燃剂和加工助剂投入密炼机内混炼2~3min，投入EVM混炼1~2min，再投入余下的增塑剂、阻燃剂、加工助剂和共硫化剂混炼1min，混炼温度控制在70~80℃。混炼完毕后下放至开炼机，等胶料包辊后加入硫化剂，分别打三角包和平包各3~4次，出片，冷却。混炼胶在室温、通风、干燥条件下静置24h，可供挤出机使用，胶料存放时间不宜太长，一般不超过一周内用完。

4.3 成品电缆的性能

橡皮护套性能要求：

序号	性能项目	单位	护套性能要求
1	老化前试样
	抗张强度	N/mm2	≥10.0
	断裂伸长率	%	≥300
2	空气箱老化试验
2.1	老化条件      温度	℃	110±2
	时间	h	7x24

2.2	老化前后抗张强度变化率，最大	%	±30
2.3	老化后断裂伸长率	%	≥300
	老化前后断裂伸长率变化率，最大	%	±30
3	浸油试验（100℃，6h）903#油
3.1	浸油前后抗张强度变化率	%	最大±40
	浸油前后断裂伸长率变化率	%	最大±30
4	高温压力试验（100℃，6h）
	--压痕中间值/平均厚度	%	最大50
5	抗开裂试验（150℃，1h）		无裂痕
6	低温拉伸试验（-40℃，4h）
	--伸长率	%	最小30
7	低温冲击试验（-40℃，4h）		无裂痕

综合性能要求：

序号	性能项目	单位	性能要求
1	成品电缆低温弯曲试验（-40℃，180°）		无裂痕
2	人工气候老化试验
	42天老化后与老化前对比
	--抗张强度变化率	%	最大±30
	--伸长率变化率	%	最大±30
	42天老化后与21天老化后对比
	--抗张强度变化率	%	最大±15
	--伸长率变化率	%	最大±15
3	耐盐雾试验（336h）
	绝缘抗张强度变化率	%	最大±39
	绝缘断裂伸长率变化率	%	最大±3
	护套抗张强度变化率	%	最大±30
	护套断裂伸长率变化率	%	最大±30
3	负重试验（2775h/7d）

	--护套、绝缘表面		无裂痕
	--导体直流电阻（20℃）		GB/T3956--2008
4	常温下的扭转试验
	在室温环境下，将12m长的电缆悬挂在可旋转的转轮上，电缆下部固定，扭转状态如下：转   轮先顺时针扭转1440°后再逆时针扭转相同 角度使电缆恢复到原始状态，此为一周期，      共10000个周期。		扭转后外观应无开裂或鼓包现象，且浸在水中经受4.5kV电压15min不击穿.
5	低温下的扭转试验
	在-40℃环境下，将12m长的电缆悬挂在可旋转的转轮上，电缆下部固定，扭转状态如下：转轮先顺时针扭转1440°后再逆时针扭转相同角度使电缆恢复到原始状态，此后逆时针扭转1440℃后再顺时针扭转相同角度使电缆恢复  到初始状态，此为一周期，共2000个周期。		扭转后外观应无开裂或鼓包现象，且浸在水中经受4.5kV电压15min不击穿.
6	电缆单根垂直燃烧试验
	--上支架下缘与碳化部分起点间距离	mm	大于50
	--燃烧向下延伸至上支架下缘距离	mm	不大于540

 

成品电缆经上海电缆研究所检测各项性能完全满足设计要求.，证明护套材料配方设计的正确性。

 

5、结束语

（1）、风力电缆用电缆主体材料宜采用VA含量较高的两种或两种以上的EVM并用胶，阻燃剂宜采用硅烷表面处理型氢氧化镁粉未，其粒径在0.8~1.0μm      之间，胶料综合性能好。

（2）采用高温分解、高纯度过氧化物作硫化剂，TAC作共硫剂，可使胶料硫化特性、低温耐扭转性和耐热性得到明显提高。

（3）成品电缆的低烟阻燃性、柔软性与其物理机械性能存在一定矛盾，设计配方时要综合考虑。