塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜的結構設計

發布時間：2024-07-16 文章來源：本站瀏覽次數：1554

摘要：文中介紹了耐熱90 ℃塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜的主要技術性能要求，闡述了交聯聚乙烯絕緣耐熱90 ℃塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜的材料選型及生產過程控制。通過對塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜的結構設計和主要電氣性能的計算實例，說明了耐熱90 ℃塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜其關鍵參數設計、測試原理和方法，并對塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜進行了測試，其實測值符合設計要求，滿足了塔式太陽能光熱發電鏡場RS-485現場通信用需求，應用市場前景廣闊。

關鍵詞：太陽能光熱發電；鏡場；RS-485總線電纜；特性阻抗；衰減；相對傳播速度

Structural Design of RS-485 Bus Cable for Tower Solar Photothermal Power Mirror Field Communication

WANG Hailing¹，WANG Yi²，ZHANG Hongyan³

（1.Anhui Xinke Cable Group Co., Ltd.，Wuwei 238300，China；Anhui Tiexin Optoelectronic Technology Co., Ltd.，Wuwei 238300，China；2. China Academy of Railway Sciences Corporation Limited Standard & Metrology Research Institute，Beijing 100081，China；3.AnHui Zongheng HI-TECH Cables CO.,LTD.，Hefei 230051，China）

Abstract: Main technical performance requirements of RS-485 bus cables for communication in the 90 ℃ towersolar photothermal power generation mirror field were introduced.Material selection and production process controlof the cros-linked polyethylene insulation heat-resistant RS-485 bus cable for communication in the 90 ℃ towersolar photothermal power generation mirror field were elaborated.Through structural design and calculationexamples of the main electrical performance of RS-485 bus cable for tower solar photothermal power generationmirror field communication， key parameter design，testing principles and testing methods were explained.The RS-485 bus cable for tower solar photothermal power generation mirror field communication was also tested.Resultsshowed that actual measured values met design requirements，satisfied the demand for RS-485 on-sitecommunication in tower solar thermal power generation mirror field，which could have broad application prospects。

Key words: solar thermal power generation；mirror field；RS-485 bus cable；impedance；attenuation；relative velocity of propagation

0 引言

太陽能作為取之不盡、用之不竭的清潔環保能源，在人類能源使用中占據重要地位。目前，太陽能光伏發電和太陽能光熱發電已成為開發和利用太陽能的重要渠道。太陽能光伏發電技術在我國已日趨成熟，實現了商業化和規模化，但其易受晝夜、天氣等自然條件的影響，存在電能難以儲存、太陽光不穩定、對電網產生沖擊的缺點，一定程度上制約了光伏發電的進程；太陽能光熱發電方式以可儲熱、可調峰、可連續發電的優點，逐漸成為可再生能源領域開發和投資的熱點^[1]。

太陽能光熱發電包括槽式、塔式、碟式和線性菲涅式等4種方式，這4種方式雖然各有差異，但在發電方式上均可以分為太陽能集熱、熱傳輸和交換、發電等3個基本系統。本工作介紹的塔式太陽能光熱發電也被稱為集中式太陽能光熱發電，利用定日鏡將太陽光聚集在中心吸熱塔的吸熱器上，對塔頂的吸熱介質熔鹽進行加熱，將太陽光輻射能轉化為熱能，熱能與水進行交換形成水蒸氣，再驅動汽輪機做功發電。塔式太陽能光熱發電系統具有聚光比，具備工作溫度高、熱傳遞路程短、熱損耗少、系統綜合效率高等特點，適合大規模、大容量商業化應用^[2]。但是，塔式太陽能光熱發電站占地面積較大，其中太陽能收集鏡場面積就有2～10km²。定日鏡與吸熱器的距離通常在100～1000m之間，每臺定日鏡均需要通過RS-485總線電纜進行通信。一個50MW塔式太陽能光熱發電站需要約上百千米的RS-485總線電纜。

太陽能光熱發電有槽式、塔式、碟式和線性菲涅式等4種方式，這4種方式雖然各有差異，但在發電方式上都可以分為太陽能集熱、熱傳輸和交換、發電等3個基本系統。本文介紹的塔式太陽能光熱發電也被稱為集中式太陽能光熱發電，是利用定日鏡將太陽光聚集在中心吸熱塔的吸熱器上，對塔頂的吸熱介質熔鹽進行加熱，將太陽光輻射能轉化熱能，熱能與水進行交換形成水蒸氣，再驅動汽輪機做功發電。塔式太陽能光熱發電系統具有聚光比和工作溫度高、熱傳遞路程短、熱損耗少、系統綜合效率高等特點，非常適合于大規模、大容量商業化應用^[2]。但塔式太陽能光熱發電站占地面積, 較大，其中太陽能收集鏡場面積就有2～10 km²。定日鏡與吸熱器的距離通常在100～1000 m之間，每臺定日鏡都需要RS-485總線電纜進行通信，一個50 MW塔式太陽能光熱發電站需要約上百公里的RS-485總線電纜。

我國太陽能光熱發電站多分布于人煙稀少、日照時間長，光照充足的西北空曠地區。由于西北地區具有晝夜溫差大、紫外線輻射強、土地鹽堿性較大等特點，且鏡場用電纜均為土壤挖溝直埋敷設（簡稱直埋敷設），鏡場通信用的RS-485總線電纜除了電氣性能滿足要求外，還必須滿足耐高溫90 ℃、低溫-40 ℃、抗紫外線、耐鹽堿等環境要求。本工作根據塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485總線電纜的使用要求，著重介紹鏡場通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²總線電纜的結構設計、材料選型和生產過程的控制、二次參數（特性阻抗和衰減）的測試原理和方法。

1 主要技術性能要求

鏡場通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²總線電纜的主要技術指標見表1。對技術指標進行綜合分析，電纜設計的重點為材料選型、電纜結構和電氣性能指標的設計。

表1 鏡場通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²總線電纜的主要技術指標

2 材料選型和生產過程的控制

2.1 導體

根據鏡場通信用RS-485總線電纜的性能指標要求，導體材料采用鍍錫軟銅絲，以提高電纜導體的抗腐蝕能力；導體結構為19×0.16 mm，19根鍍錫軟銅絲采用1+6+12的排列方式，同向、同節距、一次性絞合，可有效地降低電纜導體的直徑和電阻；導體絞合應緊密圓整，絞合方向為左向，絞合節距為10～12 mm；導體外徑控制在0.78～0.80 mm內。

2.2絕緣

鏡場通信用RS-485總線電纜的敷設均為直埋敷設，需要提高電纜的抗側壓能力。為了保證導體間距及相關性能參數穩定，采用實心形式的絕緣。考慮到太陽能光熱發電鏡場晝夜溫差較大，白天室外地表溫度高，以及制造成本和生產效率，采用90 ℃高潔凈溫水硅烷交聯聚乙烯料作為絕緣，即可以提高電纜工作溫度，降低生產制造成本，又能滿足電纜電氣傳輸性能要求。

絕緣擠出時，嚴格控制絕緣外徑的均勻性，防止絕緣線芯的外徑波動和偏心超差現象，確保電纜特性阻抗的均勻性。

2.3成纜與屏蔽

鏡場通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²總線電纜為三芯結構，其中，2×0.35 mm²為工作線對， 0.35 mm²為接地線芯，工作線對為白色、橙色兩色，接地線芯絕緣為藍色。為保證纜芯的圓整和結構穩定，設計接地絕緣線外徑和填充繩一致，成纜時，將接地線芯和1根填充條對稱放置在兩根工作線對兩側，達到結構與穩定和圓整。

為降低電纜的電容，成纜時采用聚丙烯發泡帶進行繞包和隔離。采用厚度為0.05 mm的單面鋁塑復合帶繞包加鍍錫銅絲編織屏蔽，復合帶繞包搭蓋率不小于25 %，其金屬面朝外，與鍍錫銅絲編織層相接觸，鍍錫編織銅絲直徑不小于0.12 mm，編織密度不小于80 %，在復合帶與編織層之間添加一股0.35 mm²的鍍錫軟銅線作為引流線，以便在接地時焊接接線端子或連接器。

2.4隔離套與鎧裝

為了防止土壤沉降、擠壓等外力作用損傷電纜，采用鍍鋅鋼絲編織來提高電纜的抗壓性能和抗拉性能。鎧裝材料與屏蔽材料不同，為了防止不同金屬材料之間的電化學腐蝕，在鎧裝層下擠包一層厚度為1.0mm的聚氯乙烯護套進行隔離。聚氯乙烯護套材料的耐熱性與絕緣材料一致，護套擠制工序采用工頻火花試驗以確保護套的完整性。編織鎧裝用鍍鋅鋼絲直徑不小于0.2mm，編織密度不小于80%。

2.5護套

考慮到西北晝夜溫差較大、紫外線輻射強、土壤鹽堿性較大，外護套采用耐低溫 -40 ℃、耐高溫 90 ℃、耐鹽堿、防紫外線、阻燃的聚氯乙烯材料。鏡場通信用RS-485總線電纜的外護套一般為灰色，但也可以根據實際需求進行選擇。

3 關鍵結構及性能設計

鏡場通信用RS-485總線電纜的結構示意圖見圖1。導體根數和直徑分別為19和0.16mm，導體絞合外徑為0.8mm，工作線對絕緣外徑為2.50～2.60 mm，接地線芯和填充條直徑為1.60～1.70 mm。成纜后，繞包聚丙烯發泡帶，屏蔽層采用單面鋁塑復合帶繞包加鍍錫銅絲編織，擠包護套后電纜的外徑為12.6～13.0mm。根據鏡場通信用RS-485總線電纜結構，對其電氣和傳輸性能參數進行計算，以驗證此總線電纜結構參數能否滿足設計要求。

1-鍍錫軟銅導體；2-實心交聯聚乙烯絕緣；3-交聯聚乙烯填充條；4-聚丙烯發泡帶繞包；5-引流線；6-單面鋁塑復合帶

繞包；7-鍍錫銅絲編織；8-聚氯乙烯隔離套；9-鍍鋅鋼絲編織鎧裝；10-灰色、阻燃、耐鹽堿、防紫外線聚氯乙烯護套。

圖1 鏡場通信用RS-485總線電纜的結構示意圖

3.1主要電氣性能計算

鏡場通信用RS-485總線電纜主要電氣性能參數為電阻、電感、電容、電導及特性阻抗、衰減、相對傳播速度等，其計算過程已在相關文章中有詳細介紹^[³^]，主要參數的計算結果見表2。

3.2特性阻抗和衰減測試原理及方法

電纜其它參數的測試方法在標準中均有規定，此處主要介紹特性阻抗和衰減的測試原理及方法。

表2 鏡場通信用RS-485總線電纜主要參數的計算結果

3.2.1特性阻抗測試原理及方法

鏡場通信用RS-485總線電纜的特性阻抗和衰減參數測試均要求頻率為1 MHz。特性阻抗測試的基準方法為單端開、短路阻抗測試，其原理如下。例如，在頻率為1 MHz、電纜終端開路時，其始端測試阻抗為^[⁴^]

電纜同一終端短路時，其同一始端測試阻抗為^[⁴^]

電纜的特性阻抗為開路和短路測試時輸入阻抗乘積的平方根^[⁴^]，即

式中：Zc為電纜的特性阻抗，Ω；Z_∞為電纜同一端開路時測試的阻抗，Ω；Z₀為電纜同一端開路時測試阻抗，Ω；γ為電纜的傳輸常數；為電纜長度，km；th為雙曲正切函數。

3.2.2 衰減的測試方法

在單端開、短路阻抗測試時，測得1 MHz下，開、短路阻抗的相角，并按公式（4）進行計算^[⁵^]：

式中：α為溫度為20 ℃時電纜的衰減，dB·km^-1；t為電纜測試時環境溫度，℃；φ₀為電纜短路時測試相角，°；φ_∞為電纜開路時測試相角，°。

4 性能測試

按上述結構設計、材料選型、工藝控制及關鍵性能設計的RS-485 3×0.35+0.35mm²鍍錫軟銅導體實心交聯聚乙烯絕緣現場總線電纜經檢測，其性能符合工藝設計要求。具體測試結果見表3。

5 結束語

本工作設計的鏡場通信用RS-485 3×0.35+0.35 mm²總線電纜，其結構尺寸、電氣性能指標、耐高溫、耐低溫、耐環境性等方面均達到了塔式太陽能光熱發電鏡場通信用電纜的技術要求。絕緣采用90 ℃高潔凈溫水硅烷交聯聚乙烯料，相較于普通聚乙烯絕緣RS-485總線電纜，導體工作溫度由70 ℃升高至90 ℃，提高了RS-485總線電纜絕緣的耐熱性，滿足了太陽能光熱發電現場晝夜溫差大，白天溫度高的使用環境要求；電纜的纜芯使用鍍鋅鋼絲編織鎧裝，絕緣采用實心結構，進一步提高了電纜的抗壓性能和抗拉性能，滿足電纜溝土壤直埋敷設方式；絕緣交聯時使用溫水或蒸汽交聯方式，也降低了電纜制造生產成本。

通過對塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS-485 3×0.35+0.35 mm²總線電纜的設計，為塔式太陽能光熱發電鏡場通信用RS485總線電纜的選型提供參考；同時，對鏡場通信用RS-485總線電纜的結構設計和電氣傳輸性能參數有了進一步了解，可為其它RS-485總線電纜的結構設計提供參考。

[參考文獻]

[1]李瓊慧.太陽能光熱發電發展現狀與市場前景[J].電器工業,2011(8):28-31.

[2]袁煒東.國內外太陽能光熱發電發展現狀及前景[J].電力與能源,2015(8):487-490.

[3]王海嶺,蔡青青,張紅艷.航空航天用77 Ω數據總線電纜的設計[J].光纖與電纜及其應用技術, 2019(2):22-25.

[4]鄭玉東.通信電纜[M].北京:機械工業出版社,1982.

[5]中國國家標準化管理委員會.通信電纜試驗方法:GB/ T5441-2016[S].北京:中國標準出版社,2016.

稿件來源：

曾刊登于2024年6月第三期《電線電纜》報

作者及單位：

1.王海嶺：安徽新科電纜集團股份有限公司，無為 238300；安徽鐵信光電科技有限公司，無為238300。

2.王逸：中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京100081