莫抒志 陳益民 黎 勉 張秋偉 張 濤

(廣東工業(yè)大學信息工程學院1，廣東 廣州 510006;廣東優(yōu)科檢測技術服務有限公司2，廣東 東莞 523072)

0 引言

目前，我國有遠東、上上、新亞光等數百家具有一定規(guī)模的電纜生產企業(yè)，行業(yè)總產值高達數百億元，其中大部分產品出口到世界各地，占據了全球線纜行業(yè)的大半壁江山。同時，由于光伏電纜具有耐候性好、環(huán)保高效等特點，也日益受到用戶青睞，其市場份額正在逐步提高［1-2］。

無論是生產廠家還是質量檢測機構，都常常采用人工氣候加速老化試驗方法對光伏電纜產品進行耐候性檢測試驗。而現(xiàn)有的耐候性試驗箱大多是針對某一項試驗要求而設計的，一套耐候性試驗設備往往只能產生一類試驗環(huán)境，進行單一類型的環(huán)境試驗，例如濕熱環(huán)境試驗箱僅能進行濕熱試驗。這樣，要完成光伏電纜產品的整個耐候性試驗，往往需要多套不同的耐候性試驗設備配合使用，使得試驗成本上升、靈活性下降，試驗效率較低。

為了解決這一問題，現(xiàn)提出一種新型復合式耐候性試驗箱設計方案。該方案可產生濕熱試驗、耐臭氧試驗、抗紫外線試驗等三種不同類型的試驗所需環(huán)境，也可應用于一些新型復合式人工氣候加速老化試驗［3］;采用可編程邏輯控制器(programmable logical controller，PLC)和人機界面(human machine interface，HMI)相結合的方式對系統(tǒng)進行監(jiān)測控制，對試驗倉的結構進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可靠性和試驗效率。

1 試驗箱構成及工作原理

1.1試驗箱總體性能參數要求

目前，國內還沒有針對光伏電纜的國家標準或行業(yè)標準，而國際上流行的光伏電纜標準主要有德國TUV萊茵集團的2Pfg 1169/08.2007《光伏系統(tǒng)用電纜要求》、美國保險商實驗室的UL4703《光伏電纜調查概述》，以及相關的IEC標準、日本PSE認證標準等［3］。考慮到試驗箱的兼容性和通用性［3-10］，同時具有較好的經濟效益，設定試驗箱的總體技術指標如下。

①最大試驗溫度200℃，溫度誤差:±2 K。在試驗運行且試驗箱處于非溫度調整狀態(tài)時，試驗倉有效試驗區(qū)域內任意兩點溫差不超過1 K。

②最大試驗相對濕度95%，相對濕度誤差±5%。

③ 最大臭氧濃度(體積比，下同)500×10-6%，臭氧濃度誤差±50×10-6%。

④最大紫外線輻照度90 W/m2，紫外線輻照度誤差±2 W/m2。

⑤ 最長總試驗時間2 000 h，計時精度1 min;其他時間計時精度1 s。

1.2 試驗箱結構

根據上述性能參數要求，設計了一種光伏電纜耐候性試驗箱。試驗箱主要由箱體、試驗倉、環(huán)境產生系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作面板六大部分組成。

箱體是整個試驗箱的外殼與機械結構支承，帶有開閉式倉門，門上裝有紫外線過濾功能的偏光鏡片觀察窗，并有與試驗倉配合的密封框條。

試驗倉是樣品進行試驗的空間，包含有倉體與試樣架，倉體上有混合氣體進氣孔和廢氣排出的排氣口，并有排水孔供凝露水滴排出。

環(huán)境產生系統(tǒng)是試驗箱產生合適試驗環(huán)境的裝置，從而使得試驗倉內的環(huán)境符合試驗要求。

環(huán)境檢測系統(tǒng)用于檢測試驗倉內的環(huán)境情況，并將信號反饋給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是試驗箱的神經中樞，其根據試驗箱的運行情況，對各個部分進行控制。

操作面板用于對試驗箱進行設置操作以及監(jiān)測試驗箱的實時工作情況。

1.3 試驗箱系統(tǒng)工作原理

光伏電纜耐候性試驗箱的總體框圖如圖1所示。

圖1 試驗箱總體框圖Fig.1 Block diagram of test chamber

試驗倉為試驗提供一個相對獨立的空間，整個系統(tǒng)在可編程邏輯控制器(PLC)的控制下進行工作。紫外線輻照度傳感器、黑標溫度計、臭氧濃度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器組成環(huán)境檢測系統(tǒng)，對試驗倉內的環(huán)境指標進行檢測，并將信息發(fā)送給PLC，作為系統(tǒng)下一步決策的依據。熒光紫外燈、臭氧發(fā)生器、電熱絲、超聲波加濕器組成環(huán)境產生系統(tǒng)，配合進氣閥門、排氣閥門和排氣扇的工作，可改變試驗倉內的環(huán)境指標。減速電機作為驅動，使試樣架能在試驗倉內旋轉，從而使得試樣接受試驗的環(huán)境更為均勻。人機界面(HMI)對系統(tǒng)進行設定，同時顯示系統(tǒng)的實際工作情況。

PLC控制可調式電子鎮(zhèn)流器，從而控制紫外熒光燈的發(fā)光功率，改變試驗倉內的紫外線輻照度。同時，PLC控制臭氧發(fā)生器、電熱絲、超聲波加濕器的工作，使進入圖1中虛線框內部的空氣變?yōu)闇囟?、濕度、臭氧濃度合適的混合氣體，混合氣體通過進氣閥門進入試驗倉，從而改變試驗倉內的溫度、濕度和臭氧濃度。排氣閥門和排氣扇可將試驗倉內的廢氣排出試驗倉外。此外，蓄水箱為超聲波加濕器提供凈化水，內置的液位傳感器負責檢測蓄水箱內凈化水的容量，水量過低時將報警，提示試驗人員添加凈化水。

2 系統(tǒng)關鍵部分與方案設計

2.1 試驗箱初始化設置

試驗箱初始化設置如圖2所示。

圖2 試驗箱的試驗初始化設置Fig.2 Initialization settings of the test chamber

大部分的線纜以及類似材料的人工氣候加速老化試驗都有相關的國際標準、國家標準或者行業(yè)標準。將這些常用的標準數據(如環(huán)境指標、試驗時間等)預先錄入控制系統(tǒng)，以樹形菜單的形式逐級選取，操作人員就能很方便地通過人機界面對試驗箱進行試驗參數的初始化設置，避免每次試驗都要進行繁瑣的參數設置。

為了提高試驗箱的兼容性和通用性，試驗箱的控制系統(tǒng)也提供自定義模式的試驗參數的初始化設置。

2.2 試驗倉內環(huán)境監(jiān)控

試驗箱的核心任務是保證試驗倉內的試驗環(huán)境符合預定的試驗參數。這就需要環(huán)境檢測系統(tǒng)將試驗倉內的環(huán)境情況進行數據采樣后發(fā)送給PLC，PLC根據試驗倉內的實際情況反饋與設定值進行對比得到控制決策，從而控制環(huán)境產生系統(tǒng)的工作。試驗倉內環(huán)境監(jiān)控流程圖如圖3所示。

圖3 試驗倉內環(huán)境監(jiān)控流程圖Fig.3 Flowchart of environmental monitoring inside test chamber

此外，當調整時間1、2、3、4中任意一個到達設定時間(如5 min)時，則認為系統(tǒng)此時已經出現(xiàn)錯誤，無法靠自身程序對試驗倉內的環(huán)境進行正確調整;系統(tǒng)將進入報警中斷程序，試驗箱的環(huán)境產生模塊復位，進氣閥門、排氣閥門關閉，同時發(fā)出聲光報警，并在人機界面上顯示系統(tǒng)的錯誤類型以及當前的試驗情況等信息，提示試驗人員進行錯誤排查。

2.3 試驗倉與試樣架

由于進行人工氣候加速老化試驗時，試驗倉內的環(huán)境十分惡劣，所以試驗倉內的所有部件都應該采用耐腐蝕材料制造或者經過耐腐蝕處理，使得部件本身不被試驗環(huán)境老化。如倉體由鏡面不銹鋼材料制造，這樣也能提高紫外熒光燈的效率。

試樣架與圓錐滾子軸承組配合，懸掛安裝在支承機架上，通過同步帶或者鏈傳動，由減速電機驅動其在試驗倉內旋轉。這種方案不僅經濟性好，而且易于實現(xiàn)、可靠性高［11］。同時，由于試樣架使夾持試樣在試驗倉內旋轉，使得試樣接受試驗的環(huán)境更為均勻合理，試驗效果更理想。

3 結束語

本文設計的光伏電纜耐候性試驗箱可進行濕熱試驗、耐臭氧試驗、抗紫外線試驗等三類人工氣候加速老化試驗，為現(xiàn)有試驗箱只能進行單一類別環(huán)境試驗這一問題提供了詳實可行的解決方案?？刂葡到y(tǒng)應用了PLC和HMI等主流的控制單元，具有結構簡單、操作方便等特點。此外，對試驗箱的細節(jié)特別是試樣架進行了優(yōu)化設計，大大提高了試驗箱的經濟性和可靠性。

實踐證明，本文所設計的試驗箱可廣泛應用于線纜以及類似材料的人工氣候加速老化試驗，有較好的發(fā)展前景，且對其他類似技術問題的解決提供了借鑒方法。

［1］UL公司.UL主辦電線電纜行業(yè)供應鏈產品安全高峰論壇·東莞電線電纜行業(yè)協(xié)會同期成立［J］.電氣制造，2011(8):12.

［2］代康，吳東艷，漆鉅虹.光伏電纜技術簡介［C］//中國通信學會2010年光纜電纜學術年會論文集，2010:438-455.

［3］陳益民，莫抒志，張濤，等.光伏電纜耐候性試驗方法的探討［J］.光纖與電纜及其應用技術，2012(3):8-10，14.

［4］ 2Pfg 1169/08.2007 Requirements for cables for use in photovoltaicsystems［S］.TüV，2007.

［5］ UL4703-2007 Outline of investigation for photovoltaic wire［S］.UL，2007.

［6］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 2421電工電子產品環(huán)境試驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［7］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 2423電工電子產品環(huán)境試驗第2部分［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［8］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 2951電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［9］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 14522機械工業(yè)產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［10］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 16422塑料實驗室光源暴露試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［11］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.