DC2000V及以下光电复合型铝合金芯多芯一体化光伏用耐火柔性电缆的研制

张金成

（双登电缆股份有限公司）

1 研制背景

光伏发电系统用电缆（简称“光伏电缆”）长期暴露在外界自然环境中，受到强烈的太阳紫外线光的照射，还要在炎热、寒冷、潮湿和污染的（如灰尘、沿海地区的盐雾、工业区的化学污染等）环境中使用。同时，由于光伏场合的特殊性，即电缆敷设空间狭小和安装过程中不可避免的拖拽折弯操作，要求电缆具有一定的柔软特性；其次，随着绿色安全理念的不断深入和智能制造时代的到来，消防耐火和光电复合的要求也对本产品提出特殊的设计要求。另一方面，为了迎合用户对本电缆运行系统的持续降本需求，多芯一体化结构也日益成为设计热点。

1）早些时候，受系统接口和工作习惯的影响，常规光伏场合用直流电缆的工作电压一般为DC1500V（系统最高允许电压为DC1800V），然而随着相关国际标准的更新，加之光伏电站总功率的提升，迫切需要将直流电缆的系统电压升至DC2000V。

2）在过去的一个多世纪，铜芯电缆因其良好的导电性能，一直是电缆导体的主流选材，然而由于我国铜矿资源日益紧张、铝矿资源丰富，在满足相同电气性能的条件下，铝合金电缆的使用成本要低于铜芯电缆。

3）早期，光伏组串只是用于所发电能的汇聚，但随着各行各业对大数据的统计要求，特别是随着智能电网系统的开发，每一组甚至每一串的实时发电数据必须被采集和分析，如采用电气的方式不仅经济性不好还会造成信息的失真，“光”的方式便成为最佳的选择。

4）一般来说，光伏发电系统末端回路均采用两芯专用电缆，并采用网络式的串接和并联的形式，以上方式不仅成本高而且安装敷设工作量极大，要求有可直接敷设于组串至逆变器之间，能够省去直流配电箱（汇流箱），成本低和使用方便的产品，单元组合式的多芯一体化的光伏电缆产品成为抢占市场的“卖点”。

5）虽然因本产品结构的所有材料均具有自熄性，电缆已具有优异的阻燃性能，但光伏电缆为用于电能的传输，其工作时却连接着智能管理系统，外部环境不可抗的火源造成的事故不仅是停电动作本身，更会因某一点的故障对整个电网系统产生毁灭的打击，因此消防要求中的耐火要求也成为设计目标之一。

6）因本产品为多元件叠加，加之设计有铠装结构，必须从整体设计上考虑柔软特性；另外，又因本产品为“双碳”领域的配套产品，作为高端装备型元器件，柔软便捷的安装体验也是赋予产品设计的必要元素之一。

2 产品设计

1）导体：本着为用户创造价值的理念，材质选型为铝合金；为规避铝合金材易氧化的不足，单线表面涂覆有石墨烯；作为电缆柔软性能的重点设计环节，导体设计为第5种束合结构；为提高电缆的抗拉力，设置纤维编织层。

2）绝缘：选用125℃抗静电荷积累型辐照交联阻燃聚烯烃绝缘料，通过引进三嗪超分子微胶囊合成技术，采用自主研发的纳米界面改性杂化方法及大剪切作用、多工位加工技术，制备电缆绝缘用特种阻燃材料；在参照相关标准的基础上，进行充分的机械和电气工艺验证，依据直流电场的设计原理，最终确定适用于DC2000V工作电压场合的电缆绝缘尺寸；采用半挤压/半挤管式方式挤出。

3）缆芯：选型匹配的光缆，并采用发泡形弹性体挤制而成的马鞍形光纤单元作为中心结构；因模具设计已允许考量回路两芯绝缘的尺寸，马鞍形光纤单元的两边各绞制和内置一根绝缘线芯，故成缆工序虽未包制扎紧带，但结构却紧凑完整。

4）内护套：为了实现成品电缆具有确定的抗拉力，且保证内护套挤制时的稳定性，在内护套挤制时纵包放置具有“子午线”的软质包带（设计有带材纵包装置），该包带纵包时与缆芯的包覆性好，既能够绑紧缆芯也可与内护套粘结成一个整体，有效地保证光纤单元不断芯；内护套材料为陶瓷化阻燃弹性体，采用挤压式挤出，该结构是电缆实现耐火特性的重要载体。

5）铠装：小规模双层钢带间隙包制，设计有钢带宽度实时采集反馈系统，确保包制过程的稳定（不“露包”）和高效。

6）外护套：选用125℃抗静电荷积累型辐照交联阻燃聚烯烃护套料，通过引进三嗪超分子微胶囊合成技术，采用自主研发的纳米界面改性杂化方法及大剪切作用、多工位加工技术，制备了电缆护套用特种阻燃材料；在参照相关标准的基础上，进行充分的机械和电气工艺验证，依据直流电场的设计原理，最终确定适用于DC2000V工作电压场合的电缆护套尺寸；采用半挤压/半挤管式方式挤出。

7）一体化：以上单元已是具有独立功能的成品，为了能够延伸产品的使用效果，可以根据光伏场合具体的布线型式设计匹配的一体化方案（如7芯、19芯、37芯等），子单元通过绞制（间隙绕包扎紧带）而并不挤制封闭型的防护套管，从而给用户的使用拓展了无限的空间。

3 工艺方案

（1）导体

首先，铝合金材质因其化学性质较活泼，常规环境下表面易形成致密的氧化层，特别是束绞和复绞的“拐点”处，因接触电阻增大易致成品导体电气特性不稳定，同时可能形成更多的材料消耗，采用真空炉人工生长的方式涂覆具有导电性能的纳米级新型石墨烯材料，在成本增加并不明显的前提下完全能够解决以上问题；其次，电缆规格较小（最大需求仅为10mm2），绞合时极易拉细而造成导体电气性能不合格，为了精准地控制股线张力，借鉴了绕包型航空导线绝缘设备的经验，对绞线机的每一个放线盘增加动力反馈系统，可根据存线量和设备的传动状态实时反馈并调整放线张力；因铝合金材质强度较低，加之规格较小，必须设置增强结构，借鉴了采煤机用电缆的经验，以编织的形式整体包覆导体，既保证导体的完整性，也使绝缘挤出时较为方便。

（2）绝缘、护套

绝缘在第5种导体（即第5种铝合金导体）、护套在钢带铠装层上挤出，以上表面并不十分光滑，如采用挤管式，因压力不够包覆性能并不能确保，而如果采用挤压式，则会出现中途退模现象。兼顾“挤管式”的稳定性和“挤压式”的密封性优点，删减了前者模芯的“承嘴”和后者模套的“承径”，在充分验证材料流动性的前提下，将塑料挤出的“压力角”增加3度，取得两种挤出方式优缺点的平衡。

（3）辐照

1）装备：针对125℃抗静电荷积累型辐照交联阻燃聚烯烃材料挤出层的制备要求，升级辐照交联的控制系统，并开发了专用辐照工艺装备，采用“交叉循环式”电缆辐照交联工艺，解决了辐照交联制品均匀性的难题，保证了电缆产品高耐热及长寿命使用要求。

2）工艺：一是控制辐照剂量，以保证达到交联度要求即可，尽可能降低剂量以减少停留在高聚物中的自由电子；二是提高辐照能量，以加大电子的穿透力，使多余电子能够及时穿透高聚物并通过导体引出；三是做好半制品导体的接地，以便穿透高聚物的多余电子能及时通过导体引出；四是提高辐照设备电子能量的均衡性，使得其产生的电子的能量尽量一致；五是尽量降低辐照设备收线装置的张力，由于在辐照过程中收线的张力主要作用在有机物上（绝缘或外护套），较大的张力会引起绝缘或外护套结构变形。

（4）缆芯

因光缆单元也承受较大的机械力，为了使马鞍式填充中的光缆能够适应苛刻的使用环境需求，在电缆主体结构确定后，确定光缆单元合适位置成为重点之一。由于电缆导体的工作温度较高（125℃），光缆适用的温度最高不得超过60℃，所以光纤单元不能放置在导体内，通常考虑放置在电缆的中心部位。为了缆芯结构的紧凑性，设计马鞍式光纤单元结构，特别是该单元的槽位为按绝缘外形设计，能够保证绞缆后绝缘线芯置于其中空间合适和稳定可靠；同时，设计出的填芯专用挤出模具和带瓦楞槽的收线盘，能够保证光纤单元的成型和收盘后不被损伤。

（5）内护套

本工序有以下工艺难点，一是制作出带有“子午线”的软质包带，具有抗拉功能的“子午线”与基质包带采用热印的形式复合而成；二是借鉴铝塑防水层的工艺，设计制作出带材纵包装置，采用多个逐渐收径的喇叭模，该纵包工艺能够确保缆芯的紧凑性，也省去二次绕包的成本；三是陶瓷化弹性体内护套的工艺实现，通过“三角锥”形的设计，巧妙地利用弹性体材料挤压原理，使胶料在最大程度上陷进“子午线”包带和缆芯的缝隙之间，形成特有的锥形状，从而使护套及锥体形成统一的整体，有效防止了电缆安装敷设过程中缆芯结构的异动甚至破损。

（6）铠装

本工序虽然是线缆产品的常规工序，但因按相关标准设计得出的铠装带厚度较薄（标称厚度仅有0.2mm），薄型金属带铠装工艺一直是行业的难点，解决方案是在现有铠装设备上，设计和制作出具有在线自动裁剪功能的装置，该工装能够捕捉内护套外径的适时尺寸，通过电气反馈线路传递给前端的纵剪分条装置，其根据获得的数据确定最佳的金属带宽度并裁剪，进而使金属带的绕包既不会产生“露包”，也最大程度提升了生产效率。

4 结束语

本项目是基于使用场合对专用电缆的特殊性需求，通过新颖的结构设计和对材料的配方研究，特别是辅以对工装模具有效改进的支撑，最终形成能够代表光伏发电单元集电连接产品发展的新方向。