Тенденции развития кабелей для ветровой энергетики

Силовые кабели, используемые в ветровых энергетических комплексах, могут подвергаться более тяжёлым условиям эксплуатации, чем провода воздушных линий передачи электроэнергии. В гондоле ветровой установки силовой кабель, идущий от генератора, должен выдерживать миллионы вращений, воздействие трансмиссионного масла и холодных зимних температур.

Ветровые турбины передают энергию от генераторов к наземному оборудованию по кабелям большого сечения, способным передавать ток величиной во много ампер.  Но при этом нет токосъёмных (контактных) колец для получения этой энергии из вращающейся гондолы. Для того чтобы кабель мог справиться с необходимым «раскачиванием», его прокладывают вдоль башни ветроэнергетической установки, разворачивают на 180° через устройство снятия напряжения петлёй длиной примерно 3 метра и затем направляют в гондолу. Такое «провисание» кабеля даёт ему возможность приспособиться к движению гондолы. Но в холодную зимнюю погоду кабели становятся более жёсткими, поэтому скрученные многопроволочные медные жилы и изоляция должны представлять собой такую  конструкцию, которая остаётся гибкой при любых условиях экусплуатации.

Управляющий выпуском новой продукции из компании Lapp USA г-н Рик Орсини (Rick Orsini) говорит, что испытания таких кабелей, которые его компания проводит в Европе, предусматривают выполнение пяти миллионов кручений со скоростью примерно 5 оборотов в минуту. Повышенная стойкость кабелей к условиям холодной погоды – одно из главных условий. При температуре -40°C кабельная изоляция может стать настолько хрупкой, что она разрушится и обнажит токопроводящие жилы.  Во время одного из испытаний, проводимых компанией Lapp в лабораторных условиях, небольшой груз, который падает на кабель, замороженный до  -40°C, способен раздробить изоляцию, как будто она из стекла. Как отмечает г-н Орсини, такая температура, конечно, является экстремальной, но она возможна в турбинах в регионах с холодными зимами.

Ещё одна тенденция развития кабелей для ветровой энергетики заключается в разработке изоляционных материалов, устойчивых к воздействию трансмиссионного масла. В зависимости от типа изоляционного материала при значительном воздействии масла изоляция может постепенно разбухнуть и отслоиться или стать хрупкой и разрушиться, обнажив жилы. Несмотря на то, что в последние годы блоки коробки передач были значительно усовершенствованы, в них по-прежнему используется масло, которое периодически приходится менять, и тогда возможны капли и брызги, которые могут найти себе путь вдоль большой петли кабеля под гондолой. Некоторые специалисты считают, что разбрызгивание масла в гондоле неизбежное явление.

Изготовители турбин, создавшие такие производства в США, часто стремятся применять силовые кабели с изоляцией из безгалогенных компаундов. В случае воздействия пламени материалы, не содержащие галогенов, не будут выделять вредные газы, опасные для работающих поблизости людей. Однако, учитывая тот факт, что нахождение людей во вращающейся гондоле при возникновении пожара маловероятно, необходимость применять более дорогостоящие безгалогенные материалы становится менее насущной, как объясняет г-н Орсини. Не удивительно, что производители комплексного оборудования ищут возможности использования более дешёвых материалов, и это, вероятно, в настоящее время самая распространённая тенденция. Изоляционные материалы на основе ПВХ дешевле и обеспечивают необходимую стойкость изоляции к воздействию масел и различных температур. До сих пор компания Lapp USA производила кабели с изоляцией, не содержащей галогенов, сохраняющие свои функции при воздействии температуры до -25°C.

Конечно, по мере того, как турбины становятся всё большего размера, выходное напряжение генераторов возрастает. Так, например, генератор одной из последних 3-МВт моделей вырабатывает 12 000 В. В часто упоминаемом стандарте UL WTTC 1227 на кабели для ветровых турбин (WTTC - wind turbine tray cable) установлены требования для кабелей на напряжение 600 В. Более поздний стандарт WTTC 2227 теперь предусматривает требования для кабелей на 1000 В.

Как насчёт затрат за срок службы? Здесь также нет ничего удивительного: не все кабели созданы равными. Для большинства сетей передачи и распределения электроэнергии используются силовые кабели высокого или среднего напряжения, которые обычно специфицированы в технических условиях.  Такие кабели часто прокладывают под землёй или под водой для соединения ветровых энергоустановок с электроэнергетической системой. Компоненты силовых кабелей обычно состоят из нескольких различных материалов, включая сшитый полиэтилен, этиленпропиленовый каучук и сшитый полиэтилен, устойчивый к образованию водных триингов.

Однако не все материалы кабельной конструкции обеспечивают одинаковые результаты. Следовательно, данные испытаний и промышленные стандарты должны прогнозировать эксплуатационные характеристики. Важно, чтобы разработчики ветровых энергоустановок знали, как ведут себя различные материалы в условиях эксплуатации силовых кабелей. Например, один кабельный производитель говорит, что результаты изучения его кабелей в реальных условиях эксплуатации на протяжении тридцати лет свидетельствуют о том, что эти кабели подверглись незначительному или совсем не подверглись износу. И это благодаря материалам наружной оболочки и изоляции, устойчивой к воздействию влаги. На основании принятых в отрасли испытаний их технический ресурс оценивается периодом, превышающим сорок лет. Такие эксплуатационные качества подходят разработчикам ветровых энергокомплексов, для которых устанавливается аналогичный срок службы. 

Испытания кабельных компонентов в лабораторных и полевых условиях проводят также независимые организации, такие как Испытательный и исследовательский центр при основанном в 1885 году Технологическом институте Джорджии (Georgia Tech’s National Electric Energy Testing Research and Applications Center -NEETRAC), г. Атланте, штат Джорджия, США. Специально для силовых кабелей, предназначенных для ветровых энергоустановок, предусмотрено испытание кабельной конструкции на старение (Cable Design Aging Test, проект NEETRAC 97-409).

И, наконец, ещё одна тенденция. Те, кто ворует медь, всё чаще охотятся также за кабелями заземления вокруг ветровых турбин, потому что в большинстве таких кабелей применяются медные жилы, и их легко добыть. Один из производителей кабелей борется с этой тенденцией при помощи тонкого слоя олова вокруг двух медных жил, на котором лазером гравируются серийный номер и адрес веб-сайта, которые помогут сборщикам и переработчикам металлолома определить, была ли поступившая к ним медь украдена или нет.