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鋁合金芯耐扭電纜由多股鋁合金單線絞合軟導(dǎo)體、隔離層、絕緣層和護套層組成。鋁合金芯耐扭電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鋁合金芯耐扭電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)電纜的技術(shù)要求，電纜的導(dǎo)體應(yīng)具有良好的電性能和機械物理性能。與常規(guī)純鋁相比，8030系鋁合金配方體系中添加了銅、鐵、鎂等元素后，其綜合性能較好。因此，導(dǎo)體選用符合GB/T 3954—2014《電工圓鋁桿》要求的8030系鋁合金桿，經(jīng)大拉、中拉和細拉等3道工序后，將直徑為9.5mm的鋁桿加工成直徑為0.5~0.6mm的鋁合金單絲。鋁合金單絲經(jīng)束絞、復(fù)絞工序，得到鋁合金軟導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 鋁合金軟導(dǎo)體結(jié)構(gòu)參數(shù)

由多股鋁合金單線絞合而成的軟導(dǎo)體表面空隙較多，為避免絕緣材料嵌入導(dǎo)體表面空隙影響絕緣層的剝離，導(dǎo)體與絕緣層之間的隔離層不可缺少。常用包覆帶材料有無紡布帶、聚酯帶和涂橡膠棉布帶等。

依據(jù)標準GB/T 29631—2013《額定電壓1.8/3kV及以下風力發(fā)電用耐扭曲軟電纜》，絕緣材料選用乙丙橡膠（EPR），其抗張強度不小于6.5MPa，斷裂伸長率不小于250%；護套材料選用SH型熱固性彈性材料，其抗張強度不小于12MPa，斷裂伸長率不小于300%。絕緣和護套材料工作溫度等級均為90℃。在-40℃溫度下，絕緣和護套材料的斷裂伸長率不低于80%。

在相同載流量的前提下，鋁合金導(dǎo)體應(yīng)比銅芯導(dǎo)體高兩個規(guī)格。因此，本工作采用鋁合金芯軟電纜FDLHEH 1×300mm2替代銅芯電纜FDEH 1×185mm2，在實驗室條件下進行扭轉(zhuǎn)試驗。扭轉(zhuǎn)試驗方法參照GB/T 29631—2013附錄B，扭轉(zhuǎn)試驗示意圖見圖2。

圖2 扭轉(zhuǎn)試驗示意圖

圖2中，電纜樣品長度為12m，垂直段高度（h）為7～9m。為驗證鋁合金芯導(dǎo)體斷絲率的影響因素，本工作對不同導(dǎo)體絞合方向和節(jié)徑比的多根電纜樣品進行試驗，考察了不同扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)周期后的斷絲情況，其試驗結(jié)果見表2。其中，取3段5號電纜樣品進行試驗，分別在扭轉(zhuǎn)10000，20000，50000次時取出解剖，檢查其斷絲結(jié)果。

表2 電纜扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

（1）導(dǎo)體絞合方向?qū)嘟z率的影響

表2中1號電纜樣品和3號電纜樣品導(dǎo)體絞合方向不同，在相同的試驗條件下，異向絞合導(dǎo)體的斷絲率高于同向絞合導(dǎo)體。

通常，導(dǎo)體絞合時采用相鄰層方向相反即異向絞合的方式有利于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但對于扭纜，異向絞合的方式增加了導(dǎo)體斷絲的可能性。當電纜向與導(dǎo)體最外層絞向一致的方向扭轉(zhuǎn)時，外層導(dǎo)體承受拉伸力，相鄰內(nèi)層受到擠壓力，次內(nèi)層承受拉伸力；當電纜向與導(dǎo)體最外層絞向相反的方向扭轉(zhuǎn)時，外層導(dǎo)體承受擠壓力，相鄰內(nèi)層受到拉伸力，次內(nèi)層承受擠壓力。

在絕緣和護套層的包覆下，導(dǎo)體各層緊密接觸，因此電纜扭轉(zhuǎn)時導(dǎo)體內(nèi)部各層股線存在不同方向的拉伸和擠壓交替變化的應(yīng)力，這種應(yīng)力不能得到緩沖消除，最終使股線產(chǎn)生疲勞形變而斷裂。若在某一點出現(xiàn)斷絲情況，內(nèi)部應(yīng)力會得到集中釋放，引起斷絲范圍擴大，相鄰的多股或多層斷裂。檢查完成扭轉(zhuǎn)試驗后的電纜導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)靠近外層的次外層股線斷絲更多，見圖3。

圖3 扭轉(zhuǎn)后導(dǎo)體斷絲情況

（2）絞合節(jié)徑比對斷絲率的影響

導(dǎo)體絞合節(jié)徑比是指導(dǎo)體股線繞中心軸前進一周的距離與當前股線所處的外徑之比。一般情況下，絞合節(jié)徑比越小，電纜越柔軟，彎曲性能越好。表2中，3號電纜樣品和4號電纜樣品的導(dǎo)體復(fù)絞節(jié)徑比不同，復(fù)絞節(jié)徑比增加，導(dǎo)體斷絲率減小，其機理分析如下。

本試驗以FDLHEH 1×300 mm2電纜為例。設(shè)定電纜在扭轉(zhuǎn)試驗機上沿導(dǎo)體絞合的方向扭轉(zhuǎn)，忽略扭轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)體軸向長度的變化，則電纜在被扭轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體節(jié)距減小，扭轉(zhuǎn)長度內(nèi)節(jié)距數(shù)量增加。扭轉(zhuǎn)后節(jié)徑比計算公式為

式中：L為扭轉(zhuǎn)長度，m；m為初始狀態(tài)絞合節(jié)徑比；m'為扭轉(zhuǎn)后節(jié)徑比；n為扭轉(zhuǎn)圈數(shù)；D為導(dǎo)體外徑，mm。

1個節(jié)距內(nèi)股線的實際長度與節(jié)距長度之比為絞入系數(shù)，其計算公式為

式中：K為絞入系數(shù)；M為絞合節(jié)徑比。

在試驗條件下L取值9m，實際安裝條件下L取值30m，絞合節(jié)徑比m取值14~30，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)n取值2或4，導(dǎo)體外徑D取值26mm。由式（1）和式（2）可以計算出導(dǎo)體最外層股線扭轉(zhuǎn)過程中絞入系數(shù)的變化值，進而得到伸長率，伸長率－節(jié)徑比曲線圖見圖4。

圖4 不同條件下伸長率－節(jié)徑比曲線

由圖4可知：導(dǎo)體股線絞合節(jié)徑比越小，扭轉(zhuǎn)過程中股線伸長率越大。在絞合節(jié)徑比為14、扭轉(zhuǎn)長度為9m、扭轉(zhuǎn)4圈時，導(dǎo)體股線伸長率為0.84%。當電纜開始逆著股線絞合的方向扭轉(zhuǎn)時，股線的伸長率逐漸降為零，繼而有被壓縮的趨勢。因有外層股線、包帶層、絕緣層和護套層的束縛作用，導(dǎo)體股線受到擠推力，僅在局部出現(xiàn)輕微彎曲變形的現(xiàn)象，見圖5。

圖5 扭轉(zhuǎn)后導(dǎo)體變形

經(jīng)過一定周期的扭轉(zhuǎn)后，鋁合金導(dǎo)體股線反復(fù)受力產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)斷絲的概率大幅度增加。通常，在電纜設(shè)計時采用較小的節(jié)徑比以提高電纜的柔軟性能和耐彎曲性能，但對于鋁合金芯扭纜，減小節(jié)徑比不利于電纜的耐扭轉(zhuǎn)性能的改善。

（3）扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長度對斷絲率的影響

由表2的試驗結(jié)果可知：扭轉(zhuǎn)角度小，導(dǎo)體斷絲率低；在扭轉(zhuǎn)角度為 720°時，股線的斷絲率可以降為零。由圖4可知：在長度為9m、節(jié)徑比為14、扭轉(zhuǎn)角度為1440°時，股線的伸長率達到0.84%，斷絲的概率極大；在長度為30m，節(jié)徑比為30，扭轉(zhuǎn)角度為720°時，股線的伸長率約為0.06%，斷絲的風險降到了最低。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，電纜的扭轉(zhuǎn)角度由偏航系統(tǒng)控制。當風力發(fā)電機組自動偏航在某個方向達到720°時，觸發(fā)軟件限位，機組將停機并自動解纜，向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)，將機組返回電纜無纏繞位置。因此，正反兩圈的扭轉(zhuǎn)試驗更具有實際意義。

綜上，試驗過程中扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長度對導(dǎo)體斷絲率的影響極為明顯。然而，在電纜實際應(yīng)用中，因電纜扭轉(zhuǎn)角度達到限位設(shè)定值的頻次并不高，同時電纜安裝長度一般在18～40m之間，所以扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)長度對斷絲率的影響可以被忽略。

（4）扭轉(zhuǎn)周期對斷絲率的影響

試驗通過考察扭轉(zhuǎn)周期對斷絲率的影響，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)周期越長，出現(xiàn)斷絲的可能性越大。本工作采用改進后的結(jié)構(gòu)方案，在正反兩圈的條件下同時進行多根電纜扭轉(zhuǎn)試驗，檢查不同階段的狀態(tài)。結(jié)果表明，在10000次和30000次扭轉(zhuǎn)時沒有出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，即使增加到50000次，導(dǎo)體的斷絲率仍為零。

（5）其他非金屬材料對斷絲率的影響

在鋁合金導(dǎo)體拉絲過程中，鋁拉絲油起到潤滑作用，能防止單絲拉斷，增加表面光滑度。在此也認為，鋁合金單絲拉拔完成后表面存留的少量油性潤滑劑有利于導(dǎo)體彎曲或扭轉(zhuǎn)時股線之間的相對滑動，但不宜過多。類似地，為了增加導(dǎo)體股線之間的可滑移性，減弱導(dǎo)體包覆層對導(dǎo)體的束縛作用，包帶材料應(yīng)采用涂橡膠棉布帶。絕緣和護套材料除了滿足基本的性能要求之外還應(yīng)具有優(yōu)良的柔軟性，特別是在低溫環(huán)境下，還應(yīng)具有優(yōu)良的回彈性能。

（6）生產(chǎn)工藝對斷絲率的影響

為確保導(dǎo)體絞制過程中的一致性，股線放線張力應(yīng)一致，避免蛇形出現(xiàn)；其次，應(yīng)精準控制絕緣和護套的偏心度不大于8%。