1、光纤与电缆及其应用技术Optical Fiber Electric Cable2015 年 第 3 期No3 2015檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏生 产工艺光伏电缆制造工艺的改进黄 晓军( 安徽明星电缆有限公司 ， 安 徽 无为 238339) 摘 要 结合光伏电缆的结构特点和产品特性 ， 通过对现有的制造工艺进行改进和对改进前后的使用效果进行对比 ， 着重分析了改进后的制造工艺的优势 ， 并阐述其推广应用前景 。 关键词 光伏电缆 ; 制造工艺 ; 改进 中图分类号 TN247 文献标识码 B 文章编号 1006-1908( 2015) 03-0022-04Improvement of Ph
2、otovoltaic CableManufacturing ProcessHuang Xiaojun( Anhui Star Cable Co， Ltd， Wuwei 238339， Anhui， China)Abstract: Combined with the structure features and product characteristics of PV cables， the comparison between theapplication effects of the cables manufactured with the original manufacturing t
3、echniques and the improved ones is made， theadvantages of the improved process are analyzed emphatically， and its application prospect is describedKey words: photovoltaic cable; manufacturing process; improvement 收 稿日期 2014-08-04 作者简介 黄晓军 ( 1984) ， 男 ， 安徽明星电缆有 限公司助理工程师 作者地址 安徽省无为县高沟工业园区高新大道 18 号 ，安徽
4、明星电缆有限公司 ， 2383391 光伏电缆的简介光伏电缆主要用于连接太阳能电池组件与逆变器 ， 目前尚无国家标准和行业标准 ， 各生产厂家执行的企业标准主要是依据德国莱茵认证公司技术规范TV 2Pfg 1169 编 写的 。光伏电缆结构单一 ( 如图 1所示 ) ， 多为单芯软电缆 ， 通 常导体截面积不超过 35mm2， 尤 以 4 mm2、6 mm2的 居多 。表 1 列出了常用光伏电缆结构参数 ， 虽然 TV 2Pfg 1169 中规定绝缘 、护套最薄点不小于 0. 5 mm 即可 ， 但结合各生产厂家实际验证情况以及终端客户的要求 ， 绝缘和护套厚度更倾向于表 1 中的尺寸 1。通
5、常光伏电缆设计的使用环境温度为 40 90 ， 导 体最高工作温度为 120 ， 绝缘和护套采用耐热等级 150 的低烟无卤聚烯烃材料 ， 通过辐照交联 ， 提高其机械性能 、热学性能和化学性能 ， 使用寿命为 25 年以上 。2 光伏电缆制造工艺的改进由 于光伏电缆长年暴露在空气中 ， 运行期间持图 1 2Pfg 1169 PV1-F 光伏电缆的结构续 受到紫外线 、臭氧 、高低温度剧烈变化和化学侵蚀等各种自然环境因素的影响 ， 因此电缆必须具有优良的耐热 、耐寒 、耐酸碱 、耐紫外线 、耐臭氧等性能 2， 以 确保电缆的使用寿命 ， 降低光伏发电系统故障频次和维护费用 。整个光伏发电系统是
6、由标准化程度非常高的各组件集合而成 ， 光伏电缆必须与标准化的光伏连接器配套使用 ， 尺寸的统一与否将直接影响到两者之间配合的精密性 ， 甚至敷设安装的效率 、成本等 ， 因此在光伏电缆制造中必须严格控制表 1 中列出的成品外径公差 。此外 ， 光伏电缆对于圆整度 、同心度及包覆层的偏心度等其他外观方面的技术指标也都有较高要求 ， 这提高了 6 mm2及以 下规格光伏电缆的制造难度 。为满足安装要求 ，电缆还应具备足够的柔软度 ， 同时应确保护套容易剥离 ， 且不损伤绝缘 。以上光伏电缆的各项要求均对其制造工艺质量提出了较高的要求 。电缆品质是设计和制造出来的 ， 质优的原材料只是质量控制过程
7、中的一个环节 ， 科学 、合理的制造工艺流程及与之黄 晓军 : 光伏电缆制造工艺的改进 23配套的制造设备对电缆制造过程起着难以估量的 影 响 ， 甚至直接决定了生产效率和产出效益 。表 1 常用光伏电缆的结构参数导 体截面积 /mm2结 构 近似外径 /mm绝 缘厚度 /mm 护套厚度 /mm 成品外径 /mm1. 5 30 根 ， ( 0. 250 0. 004) mm 1. 6 0. 7 0. 8 4. 8 0. 32. 5 49 根 ， ( 0. 250 0. 004) mm 2. 1 0. 7 0. 8 5. 4 0. 34 56 根 ，( 0. 300 0. 004) mm 2.
8、5 0. 8 0. 8 6. 3 0. 36 84 根 ，( 0. 300 0. 004) mm 3. 4 0. 8 0. 8 7. 1 0. 310 84 根 ，( 0. 400 0. 004) mm 4. 6 0. 9 1. 0 9. 1 0. 516 126 根 ，( 0. 400 0. 004) mm 5. 7 0. 9 1. 0 10. 2 0. 525 196 根 ，( 0. 400 0. 004) mm 7. 5 1. 0 1. 2 12. 6 0. 535 196 根 ，( 0. 400 0. 004) mm 9. 0 1. 2 1. 4 14. 5 0. 52. 1 现有工艺
9、流程的不足目 前 ， 电缆行业的光伏电缆生产工艺流程如图2 所示 。其中主要生产工序有拉丝 、导体绞制 、绝缘挤出 、绝缘辐照交联 、护套挤出 /喷印标示 、护套辐照交联共计 6 道 ， 每道生产工序均设置首检和完工检 。这种严格按产品结构制定的生产工序有诸多不足 ，主要包括 : a生产效率低 。生产工序越多 ， 生产线越长 ， 提高生产效率越难 ， 同时诸多无效益的中间环节( 如半成品周转 、检验等 ) 也消耗了宝贵的工时 ， 增加了提高生产效率的难度 。b制造成本高 。生产工序越多 ， 单位产量使用的设备数量也越多 ， 总能耗就越高 ， 这直接导致生产成本上升 ， 随之而来的设备维护保养费
10、用 、设备操作和过程检验人员的劳务费用 、半成品的检验费用等间接成本也会增加 。c制造质量的控制难度增加 。生产工序越多 ， 增加了半成品的周转频率 ， 以及对因不同操作人员之间技术水平差异和因不同时间段换盘减速 、停机 、升速等正常操作差异造成的误差的控制难度 ， 从而提高了在制造过程中对产品质量控制的难度 。2. 2 工艺流程的改进2. 2. 1 工艺流程的精简通过对现有光伏电缆生产工艺流程的仔细分析 ， 我们发现流程中绝缘和护套的挤出 、辐照交联工序相似 。绝缘和护套在挤出工序中均采用了辐照交联聚烯烃 ， 材料的基本特性相同 ， 在设备的选用 、操作人员技能的要求 、产品检验过程的控制等
11、方面也大体相似 ， 而绝缘和护套的辐照交联工序操作过程几乎完全一致 ， 只是对产品的控制要求略有差异 。这种相似性给精简生产工艺流程提供了基础 ， 使得我们可通过合并相似的绝缘和护套的挤出 、辐照交联工序精简光伏电缆的生产工艺流程 ， 改进后的光伏电缆生产工艺流程如图 3 所示 。可见 ， 新工艺方案是在现有制造流程基本框架上 ， 通过一道挤出工图 2 现有的光伏电缆生产工艺流程序 完成绝缘挤出 、护套挤出 、喷印标示 ， 一道辐照交联工序完成绝缘辐照交联 、护套辐照交联 ， 改进后的生产工序只有拉丝 、导体绞制 、双层挤出 ( 绝缘挤出 + 护套挤出 + 喷印标示 ) 、辐照交联共计 4 道
12、 。2. 2. 2 生产线的改进在改进后的光伏电缆新生产工艺方案中双层挤出工序是唯一需要对制造设备进行优化组合的制造工序 。由于双层挤出工序必须同时完成电缆绝缘和护套的挤出 ， 挤出的护套不能与绝缘粘连 ， 挤出外径 、偏心度 、不圆度等结构尺寸都必须达到较高的指标要求 ， 同时还要确保挤出效率和挤出品质 ， 因此我们对双层挤出生产线进行了重新设计和反复改进 。在该双层挤出生产线中 ， 为了提高线速的稳定性 ， 配置了电磁张力控制系统 ; 为了减小绝缘层的内应力 ，增加了导体预热器 ; 绝缘挤出机和护套挤出机均配24 光纤与电缆及其应用技术 2015 年 第 3 期置低压缩比螺杆 ， 并一前一
13、后成直线串联式排列 ， 两者之间依次配置恒温水槽 、强力热风吹干机 、外 径测量仪 、过粉机 ， 护套挤出机后配置恒温水槽 、外径测量仪 、常温冷却水槽 ， 以满足绝缘和护套双层挤出要求 ; 此外 ， 生产线还配置了储线长度不小于 200 m 的储线器和不停机换盘收线装置 ， 可最大限度减少停机换盘频率 ， 为在线质量监测提供支持 。改进后的光伏电缆双层挤出生产线如图 4 所示 。2. 2. 3 挤出工艺的优化为满足光伏电缆对结构尺寸较高的控制要求 ，我们对改进后的光伏电缆绝缘 /护套双层挤出生产线进行了大量的挤出工艺试验 ， 以期获得最佳的工艺设置 。经过多次试制 ， 按照辐照交联聚烯烃绝缘
14、和护套材料的加工特性 ， 挤塑机宜配置低压缩比图 3 改进后的光伏电缆生产工艺流程图 4 改进后的光伏电缆双层挤出生产线( 1. 2 1. 4) 螺 杆 ， 挤出温度加料段为 90 120 ，压缩段为 120 145 ， 均化段为 140 160 ， 机头为 140 160， 恒温水槽水温控制在 60 80 。为缩短绝缘表面水分干燥的时间 ， 提高挤出产量 ， 绝缘线芯出水槽后应采用热风干燥 ， 热风温度宜控制在 40 60 。为确保护套容易剥离 ， 且不损伤绝缘 ， 有些光伏电缆制造厂采用在绝缘外绕包一层隔离带或在绝缘外添加隔离粉的方式 ， 但前者需要增加绕包工序 ， 降低生产效率 ， 外观
15、也容易呈现绕包带的螺旋纹 ， 后者在粉末添加不均匀时会导致护套与绝缘粘连或在护套表面产生包块 ， 严重影响产品外观 。对此 ， 我们采用了在绝缘线芯进入护套挤出模具前通过过粉机的方式 ( 如图 4 所示 ) ， 避 免护套与绝缘之间产生粘连 。过粉机粉槽中的粉末为粒径不超过 75 m 的白炭黑或滑石粉 ， 粉末在 40 60 加温环境下被持续搅拌成 “粉雾 ”状 ， 均匀附在绝缘表面 ， 在绝缘与护套之间形成粉膜隔离层 。大量经验数据表明 ， 挤压式挤出工艺的优点是挤制紧实 、圆整 ， 挤包层强度高 、表面光滑 ， 能够弥补挤出前制品的部分外观缺陷 ， 缺点是对配模的精度要求较高 ， 当制品尺
16、寸较大时产量较低 ; 挤管式挤出工艺虽然充分利用了塑料的可拉伸特性 ， 通过模芯和模套挤出管状成型后经拉伸实现包覆 ， 且包覆层厚度可以通过调整模芯 、模套的尺寸以及牵引速度加以控制 ， 操作简单 、效率高 ， 但包覆层的致密性较差 ， 表面容易呈现被包覆制品的外观和轮廓 ; 半挤压式则兼具了前两者的特点 。经反复试制对比 ， 我们图 5 双层挤出配模方式最 终确定了图 5 所示的双层挤出配模方案 ， 绝缘挤出时采用挤压式配模 ， 同时为了提高配模精度 ， 减小操作难度 ， 采用了 “防呆 ”设计理念 ， 针对光伏电缆设计了自定心免调偏挤压式模具 ， 这样既省略了模具装配过程 ， 提高了操作效
17、率 ， 又可确保绝缘的圆整度和紧实度 ; 护套挤出时采用半挤压式配模 ， 拉伸比为 2 4， 半挤压式模具可以确保挤塑质量 ， 满足产量要求 ， 同时在绝缘线芯只能短暂停留高温机头内的情况下 ， 半挤压模芯又可以给予足够的尺寸空间完成 “穿线 ”过程 ， 提高挤塑调试的工作效率 。为了使批量生产的光伏电缆产品状态稳定 、一致 ， 在挤塑生产过程还应注意 : a在起机前必须对测黄 晓军 : 光伏电缆制造工艺的改进 25径 仪进行校准 ， 校准时应模拟在挤塑状态下进行 ;b应在调试稳定后再取样进行首检 ， 检测项目应包括表面质量 、导体直流电阻 、绝缘厚度 、护套厚度 、偏心度 、挤出外径等 ，
18、必须确保批量生产时的产品状态与首检结果保持一致 ; c虽然生产线可以实现不停机收线换盘 ， 在不停机的情况下可以完成较大批量的生产任务 ， 但为防止因设备 、操作等异常因素导致产品状态发生改变 ， 在换盘时仍应随机取样抽检 。3 工艺改进后的效果我 们选取需求量最大 、生产批次最多的 PV1-FAC 0. 6 kV/1 kV 1 4 mm2光 伏电缆 ， 以同样的产品技术要求 、原材料 、操作人员 、盘具工装 、检测方法 、数据统计和处理方式 ， 对采用改进前后的光伏电缆生产工艺生产 300 km 时的相关数据进行了统计对比 ， 结果如表 2 所示 。通过对比 ， 改进后的光伏电缆生产工艺在以
19、下方面有了明显提高 : a生产效率显著提高 。通过精简工艺流程 、改进生产线和优化挤出工艺 ， 改进后的光伏电缆的生产作业时间减少45. 2%， 中间制造环节的停机换盘次数减少47. 6%， 无效生产作业时间减少 42. 2%， 使生产效率提高将近 1 倍 ， 达到了 83. 1%。b制造成本控制更加理想 。除生产效率的提高对制造成本下降带来直接贡献外 ， 改进后的生产工艺更是将制造人员数量减少三分之一 、返工返修减少 83%、浪费减少58. 2%， 从而带来制造成本 44. 6% 的幅度降低 。c制造水平带来了质的跃升 。改进后的光伏电缆生产工艺不仅改善外观 ， 而且成品外径 ( 特别是不同
20、盘次外径 ) 、挤包层厚度 、同心度等主要的电缆结构尺寸的控制水平以及绝缘 、护套的物理机械性能均得到不同程度的提高 。d制造质量的控制难度降低 。电缆所有制造过程都包括起机 、稳定生产 、停机三个子过程 ， 这之间的转换主要依靠操作经验进行控制 ， 不同操作工的技术水平存在差异 ， 同一操作工在不同时间段的技术能力状态也存在差异 ， 从而导致了表 2 光伏电缆生产线改进前和改进后的效果对比项 目 改进前 改进后生产效率1):单 位时间产量 /( mh 1) 759. 9 1 264. 2生 产作业时间 /( hkm 1) 1. 15 0. 63无效生产作业时间2)/( hkm 1) 0. 1
21、02 0. 059停 机换盘次数 /( 次 km 1) 0. 84 0. 44总 制造成本1):制 造成本 /( 元 km 1) 215. 7 119. 6生产制造人员数量 9 6生产制造人员劳动成本 /( 元 km 1) 22 8. 8燃 料动力费 70. 5 29. 2返工返修次数 /次 12 2正常浪费的数量 /( mkm 1) 1. 77 0. 74电缆外观和结构尺寸3):电 缆外观4)不 同盘次电缆护套颜色度和光泽度有差异 ，粗细不一致比较明显 。护套表面颜色 、光泽度 、圆整度几乎没有差异 ， 一致性非常好 。绝缘厚度 /mm 0. 64 0. 95 0. 72 0. 88绝缘外径
22、 /mm 4. 0 4. 5 4. 1 4. 3绝缘外径波动 /mm 0. 2 0. 3 0. 1护套厚度 /mm 0. 70 0. 95 0. 78 0. 86电缆外径 /mm 6. 1 6. 6 6. 2 6. 4成品外径波动 /mm 0. 3 0. 1同心度 /% 8 15 4 8绝缘 、护套机械物理性能指标3):绝 缘热延伸 /% 40 90 50 80护套热延伸 /% 35 75 40 60老化后拉伸强度变化率 /% 5 25 0 15老化后断裂伸长率变化率 /% 20 5 15 0注 : 1) 数 据为平均值 。2) 无直接产出效益作业时间 ， 如停机换盘 。3) 数据为统计数据的
23、波动范围值 。4) 采用正常视力观察 。( 下 转第 39 页 )裴 清春 ， 等 : 抗冲击电缆的抗冲击强度性能设计 39基 于铠装层钢材的力学性能 ， 铠装层 max与 冲击力 F 垂直作用距离 l( 即冲击力 F 与物体支撑点之间的垂直距离 ) 关系呈正相关 ， 两者与冲击力 F的关系为 2:max=Fl33EI( 4)I =Lh312( 5)式 中 E 为铠装材料的弹性模量 ， 钢材取值为 200GPa; l 的单位为 mm; I 为惯性矩 ; L 为电缆受力长度( 即正方体岩石边长 ) ， 单 位为 mm; h 为编织钢丝或钢带总厚度 ， 单位为 mm。该矿用电缆客户的矿井顶部距地面
24、距离 H 不超过 5 m， 落下石块的质量 m 大多不超过 4 kg， 岩石密度 取较大值 3. 0 g/cm3， 电 缆铠装层 max= 3mm， 抗 冲击电缆编织铠装层内径 D 为 10 mm， 根据式 ( 1) 式 ( 5) 可计算出冲击力 F =65 333 N， 电缆受力最短长度 ( 即岩石边长 ) L = 110 mm， 冲击力 F垂直作用距离 l = 5. 856 mm， h = 0. 926 mm。由此 ，为了满足在承受冲击的情况下仍能确保传输性能的要求 ， 抗冲击电缆铠装层的厚度应达到 1. 0 mm。该抗冲击电缆所承受瞬间冲击力主要由钢丝 ( 钢带 )铠装层承受 ， 钢丝或
25、钢带的抗拉强度高达 1 800 MPa以上 ， 如采用一层或多层高强度钢丝 ( 钢带 ) 编织时 ， 编织密度应大于 90%。编织密度越大 ， 钢丝 ( 钢带 ) 与钢丝 ( 钢带 ) 之间的间隙越小 ， 电缆遇到外力时结构越稳定 。由于电缆所受冲击力呈发散型 ， 铠装层横向 、纵向的受力相同 ( 如图 2 所示 ) ， 当 编织角度为 45时 ， 编织铠装层能承受的冲击力最大 ， 能最大限度减小电缆受到强大冲击力 ( 如爆炸 、重物坠落 ) 对铠装层造成的破坏 ， 有效保护绝缘导体 ， 保证电缆能正常工作 。图 2 电缆铠装层受力分解虽然在该铠装层厚度下以钢丝或钢带受力的形变刚可防止电缆铠装
26、内绝缘导体受损 ， 但 内 、外护套承受的部分外力可使电缆的受力形变获得一定裕量 。我们将该抗冲击电缆内护套设计成松套在一组绝缘线芯外 ， 其与绝缘线芯之间留有一定的空间 ， 空间大小根据电缆承受最大冲击力及编织铠装层结构确定 ; 电缆铠装层内的绝缘导体具有一定余长 ， 使其可在内护套内自由移动 ， 在电缆遇到强大冲击力时 ，以防止电缆因伸长形变拉坏绝缘导体 。在本公司简单模拟抗冲击实验中 ， 该电缆能够承受 5 m 高度 4kg 落石的冲击 ， 满足了客户的要求 。本文中介绍的抗冲击强度性能设计方法还可用作电缆其他机械性能 ( 如侧压 、抗拉等 ) 以及用于内外压力管道等特种场合的电缆或管道
27、抗冲击强度的设计 。该抗冲击电缆的设计方案已申请国家实用新型专利 ， 专利号为 ZL201220385498. 4。 参 考 文 献 1 国 家质量监督检验检疫总局 GB/T 39562008 电缆的导体 S 北京 : 中国标准出版社 ， 2008 2 孙训方 ， 方孝淑 ， 官来泰 材料力学 M 北京 : 高等教育出版社 ， 2002( 上 接第 25 页 )不同批次半成品之间质量控制水平的差异 ， 制造流程越复杂 ， 中间环节越多 ， 周转次数越多 ， 这种差异就越难控制 。改进后的光伏电缆生产工艺将光伏电缆最重要的产品结构定型的制造过程 ( 绝缘挤出和护套挤出 ) 合并为一道生产流程 (
28、 绝缘 /护套双层挤出过程 ) ， 精 简了绝缘半成品周转环节 ， 最大限度地实现不停机生产 ， 通过双层挤出 ， 导体即可制造成准成品 ， 而且不停机实现换盘收线的操作方式为中间过程检验创造条件 ， 确保批量生产时的状态与首检时的保持一致 ， 这有助于减少制造过程中的差异 ， 提高质量控制的一致性 。我们采用 “减法 ”思想和半自动化生产线的技术理念改进了现有的光伏电缆制造工艺 。虽然相比国外类似的全自动化的电缆制造技术 ， 仍有一定的差距 ， 但该制造工艺的生产线改造成本较低 ， 几乎不需要额外投资较大的硬件设备 ， 就能在提质 、节能 、降耗 、增效等方面达到事半功倍的效果 。此外 ， 该改进后的生产线还能满足低烟无卤聚烯烃 、交联聚乙烯 、聚氯乙烯 、弹性体等多种塑料绝缘电缆的制造工艺要求 。只要与光伏电缆结构类似的电缆 ， 如轨道交通车辆用牵引电缆 、单芯风力电缆 、单芯绝缘电缆( BVV、VV) 、双层绝缘航空航天电缆 、核电站用电缆 、电子线等 ， 都能借鉴或直接采用该制造工艺方案 ， 应用前景较广 。 参 考 文 献 1 周 俊民 ， 王松显 ， 刘秀敏 ， 等 低烟无卤阻燃光伏电缆的制造 J 光纤与电缆及其应用技术 ， 2011( 2) : 22-25 2 沈 彬 光伏发电场内电缆敷设技术 J 电力与能源 ， 2013， 34( 3) : 275-277
