塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆的结构设计

发布时间：2024-07-16 文章来源：本站浏览次数：500

摘要：文中介绍了耐热90 ℃塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆的主要技术性能要求，阐述了交联聚乙烯绝缘耐热90 ℃塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆的材料选型及生产过程控制。通过对塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆的结构设计和主要电气性能的计算实例，说明了耐热90 ℃塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆其关键参数设计、测试原理和方法，并对塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆进行了测试，其实测值符合设计要求，满足了塔式太阳能光热发电镜场RS-485现场通信用需求，应用市场前景广阔。

关键词：太阳能光热发电；镜场；RS-485总线电缆；特性阻抗；衰减；相对传播速度

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

太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁环保能源，在人类能源使用中占据重要地位。目前，太阳能光伏发电和太阳能光热发电已成为开发和利用太阳能的重要渠道。太阳能光伏发电技术在我国已日趋成熟，实现了商业化和规模化，但其易受昼夜、天气等自然条件的影响，存在电能难以储存、太阳光不稳定、对电网产生冲击的缺点，一定程度上制约了光伏发电的进程；太阳能光热发电方式以可储热、可调峰、可连续发电的优点，逐渐成为可再生能源领域开发和投资的热点^[1]。

太阳能光热发电包括槽式、塔式、碟式和线性菲涅式等4种方式，这4种方式虽然各有差异，但在发电方式上均可以分为太阳能集热、热传输和交换、发电等3个基本系统。本工作介绍的塔式太阳能光热发电也被称为集中式太阳能光热发电，利用定日镜将太阳光聚集在中心吸热塔的吸热器上，对塔顶的吸热介质熔盐进行加热，将太阳光辐射能转化为热能，热能与水进行交换形成水蒸气，再驱动汽轮机做功发电。塔式太阳能光热发电系统具有聚光比，具备工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点，适合大规模、大容量商业化应用^[2]。但是，塔式太阳能光热发电站占地面积较大，其中太阳能收集镜场面积就有2～10km²。定日镜与吸热器的距离通常在100～1000m之间，每台定日镜均需要通过RS-485总线电缆进行通信。一个50MW塔式太阳能光热发电站需要约上百千米的RS-485总线电缆。

太阳能光热发电有槽式、塔式、碟式和线性菲涅式等4种方式，这4种方式虽然各有差异，但在发电方式上都可以分为太阳能集热、热传输和交换、发电等3个基本系统。本文介绍的塔式太阳能光热发电也被称为集中式太阳能光热发电，是利用定日镜将太阳光聚集在中心吸热塔的吸热器上，对塔顶的吸热介质熔盐进行加热，将太阳光辐射能转化热能，热能与水进行交换形成水蒸气，再驱动汽轮机做功发电。塔式太阳能光热发电系统具有聚光比和工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点，非常适合于大规模、大容量商业化应用^[2]。但塔式太阳能光热发电站占地面积, 较大，其中太阳能收集镜场面积就有2～10 km²。定日镜与吸热器的距离通常在100～1000 m之间，每台定日镜都需要RS-485总线电缆进行通信，一个50 MW塔式太阳能光热发电站需要约上百公里的RS-485总线电缆。

我国太阳能光热发电站多分布于人烟稀少、日照时间长，光照充足的西北空旷地区。由于西北地区具有昼夜温差大、紫外线辐射强、土地盐碱性较大等特点，且镜场用电缆均为土壤挖沟直埋敷设（简称直埋敷设），镜场通信用的RS-485总线电缆除了电气性能满足要求外，还必须满足耐高温90 ℃、低温-40 ℃、抗紫外线、耐盐碱等环境要求。本工作根据塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485总线电缆的使用要求，着重介绍镜场通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²总线电缆的结构设计、材料选型和生产过程的控制、二次参数（特性阻抗和衰减）的测试原理和方法。

1 主要技术性能要求

镜场通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²总线电缆的主要技术指标见表1。对技术指标进行综合分析，电缆设计的重点为材料选型、电缆结构和电气性能指标的设计。

表1 镜场通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²总线电缆的主要技术指标

2 材料选型和生产过程的控制

2.1 导体

根据镜场通信用RS-485总线电缆的性能指标要求，导体材料采用镀锡软铜丝，以提高电缆导体的抗腐蚀能力；导体结构为19×0.16 mm，19根镀锡软铜丝采用1+6+12的排列方式，同向、同节距、一次性绞合，可有效地降低电缆导体的直径和电阻；导体绞合应紧密圆整，绞合方向为左向，绞合节距为10～12 mm；导体外径控制在0.78～0.80 mm内。

2.2绝缘

镜场通信用RS-485总线电缆的敷设均为直埋敷设，需要提高电缆的抗侧压能力。为了保证导体间距及相关性能参数稳定，采用实心形式的绝缘。考虑到太阳能光热发电镜场昼夜温差较大，白天室外地表温度高，以及制造成本和生产效率，采用90 ℃高洁净温水硅烷交联聚乙烯料作为绝缘，即可以提高电缆工作温度，降低生产制造成本，又能满足电缆电气传输性能要求。

绝缘挤出时，严格控制绝缘外径的均匀性，防止绝缘线芯的外径波动和偏心超差现象，确保电缆特性阻抗的均匀性。

2.3成缆与屏蔽

镜场通信用RS-485 2×0.35+0.35 mm²总线电缆为三芯结构，其中，2×0.35 mm²为工作线对， 0.35 mm²为接地线芯，工作线对为白色、橙色两色，接地线芯绝缘为蓝色。为保证缆芯的圆整和结构稳定，设计接地绝缘线外径和填充绳一致，成缆时，将接地线芯和1根填充条对称放置在两根工作线对两侧，达到结构与稳定和圆整。

为降低电缆的电容，成缆时采用聚丙烯发泡带进行绕包和隔离。采用厚度为0.05 mm的单面铝塑复合带绕包加镀锡铜丝编织屏蔽，复合带绕包搭盖率不小于25 %，其金属面朝外，与镀锡铜丝编织层相接触，镀锡编织铜丝直径不小于0.12 mm，编织密度不小于80 %，在复合带与编织层之间添加一股0.35 mm²的镀锡软铜线作为引流线，以便在接地时焊接接线端子或连接器。

2.4隔离套与铠装

为了防止土壤沉降、挤压等外力作用损伤电缆，采用镀锌钢丝编织来提高电缆的抗压性能和抗拉性能。铠装材料与屏蔽材料不同，为了防止不同金属材料之间的电化学腐蚀，在铠装层下挤包一层厚度为1.0mm的聚氯乙烯护套进行隔离。聚氯乙烯护套材料的耐热性与绝缘材料一致，护套挤制工序采用工频火花试验以确保护套的完整性。编织铠装用镀锌钢丝直径不小于0.2mm，编织密度不小于80%。

2.5护套

考虑到西北昼夜温差较大、紫外线辐射强、土壤盐碱性较大，外护套采用耐低温 -40 ℃、耐高温 90 ℃、耐盐碱、防紫外线、阻燃的聚氯乙烯材料。镜场通信用RS-485总线电缆的外护套一般为灰色，但也可以根据实际需求进行选择。

3 关键结构及性能设计

镜场通信用RS-485总线电缆的结构示意图见图1。导体根数和直径分别为19和0.16mm，导体绞合外径为0.8mm，工作线对绝缘外径为2.50～2.60 mm，接地线芯和填充条直径为1.60～1.70 mm。成缆后，绕包聚丙烯发泡带，屏蔽层采用单面铝塑复合带绕包加镀锡铜丝编织，挤包护套后电缆的外径为12.6～13.0mm。根据镜场通信用RS-485总线电缆结构，对其电气和传输性能参数进行计算，以验证此总线电缆结构参数能否满足设计要求。

1-镀锡软铜导体；2-实心交联聚乙烯绝缘；3-交联聚乙烯填充条；4-聚丙烯发泡带绕包；5-引流线；6-单面铝塑复合带

绕包；7-镀锡铜丝编织；8-聚氯乙烯隔离套；9-镀锌钢丝编织铠装；10-灰色、阻燃、耐盐碱、防紫外线聚氯乙烯护套。

图1 镜场通信用RS-485总线电缆的结构示意图

3.1主要电气性能计算

镜场通信用RS-485总线电缆主要电气性能参数为电阻、电感、电容、电导及特性阻抗、衰减、相对传播速度等，其计算过程已在相关文章中有详细介绍^[³^]，主要参数的计算结果见表2。

3.2特性阻抗和衰减测试原理及方法

电缆其它参数的测试方法在标准中均有规定，此处主要介绍特性阻抗和衰减的测试原理及方法。

表2 镜场通信用RS-485总线电缆主要参数的计算结果

3.2.1特性阻抗测试原理及方法

镜场通信用RS-485总线电缆的特性阻抗和衰减参数测试均要求频率为1 MHz。特性阻抗测试的基准方法为单端开、短路阻抗测试，其原理如下。例如，在频率为1 MHz、电缆终端开路时，其始端测试阻抗为^[⁴^]

电缆同一终端短路时，其同一始端测试阻抗为^[⁴^]

电缆的特性阻抗为开路和短路测试时输入阻抗乘积的平方根^[⁴^]，即

式中：Zc为电缆的特性阻抗，Ω；Z_∞为电缆同一端开路时测试的阻抗，Ω；Z₀为电缆同一端开路时测试阻抗，Ω；γ为电缆的传输常数；为电缆长度，km；th为双曲正切函数。

3.2.2 衰减的测试方法

在单端开、短路阻抗测试时，测得1 MHz下，开、短路阻抗的相角，并按公式（4）进行计算^[⁵^]：

式中：α为温度为20 ℃时电缆的衰减，dB·km^-1；t为电缆测试时环境温度，℃；φ₀为电缆短路时测试相角，°；φ_∞为电缆开路时测试相角，°。

4 性能测试

按上述结构设计、材料选型、工艺控制及关键性能设计的RS-485 3×0.35+0.35mm²镀锡软铜导体实心交联聚乙烯绝缘现场总线电缆经检测，其性能符合工艺设计要求。具体测试结果见表3。

5 结束语

本工作设计的镜场通信用RS-485 3×0.35+0.35 mm²总线电缆，其结构尺寸、电气性能指标、耐高温、耐低温、耐环境性等方面均达到了塔式太阳能光热发电镜场通信用电缆的技术要求。绝缘采用90 ℃高洁净温水硅烷交联聚乙烯料，相较于普通聚乙烯绝缘RS-485总线电缆，导体工作温度由70 ℃升高至90 ℃，提高了RS-485总线电缆绝缘的耐热性，满足了太阳能光热发电现场昼夜温差大，白天温度高的使用环境要求；电缆的缆芯使用镀锌钢丝编织铠装，绝缘采用实心结构，进一步提高了电缆的抗压性能和抗拉性能，满足电缆沟土壤直埋敷设方式；绝缘交联时使用温水或蒸汽交联方式，也降低了电缆制造生产成本。

通过对塔式太阳能光热发电镜场通信用RS-485 3×0.35+0.35 mm²总线电缆的设计，为塔式太阳能光热发电镜场通信用RS485总线电缆的选型提供参考；同时，对镜场通信用RS-485总线电缆的结构设计和电气传输性能参数有了进一步了解，可为其它RS-485总线电缆的结构设计提供参考。

[参考文献]

[1]李琼慧.太阳能光热发电发展现状与市场前景[J].电器工业,2011(8):28-31.

[2]袁炜东.国内外太阳能光热发电发展现状及前景[J].电力与能源,2015(8):487-490.

[3]王海岭,蔡青青,张红艳.航空航天用77 Ω数据总线电缆的设计[J].光纤与电缆及其应用技术, 2019(2):22-25.

[4]郑玉东.通信电缆[M].北京:机械工业出版社,1982.

[5]中国国家标准化管理委员会.通信电缆试验方法:GB/ T5441-2016[S].北京:中国标准出版社,2016.

稿件来源：

曾刊登于2024年6月第三期《电线电缆》报

作者及单位：

1.王海岭：安徽新科电缆集团股份有限公司，无为 238300；安徽铁信光电科技有限公司，无为238300。

2.王逸：中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京100081

3.张红艳：安徽纵横高科电缆股份有限公司，合肥230051