風(fēng)電機(jī)組使用鋁電纜替代銅電纜的可行性分析

陳志剛，秦本才

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200241；2.上海電氣風(fēng)能有限公司，上海 200241）

風(fēng)電機(jī)組使用鋁電纜替代銅電纜的可行性分析

陳志剛1，秦本才2

（1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200241；2.上海電氣風(fēng)能有限公司，上海 200241）

本文介紹了風(fēng)電場使用的電纜種類及性能要求，分析了在銅電纜的價(jià)格不斷攀升的情況下，在風(fēng)電機(jī)組中使用鋁電纜替代銅電纜的可行性，并通過案例介紹對(duì)鋁電纜在技術(shù)、工藝、成本等方面進(jìn)行了可行性分析。

風(fēng)電；鋁電纜；載流導(dǎo)體；電化學(xué)腐蝕

0 引言

隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源價(jià)格的不斷上漲，人們?nèi)找姘严ＭD(zhuǎn)向新能源的發(fā)展，而風(fēng)電是近幾年發(fā)展最為迅速的綠色能源。

新興的風(fēng)電市場為競爭激烈、日趨飽和的電纜行業(yè)提供了難得的機(jī)會(huì)。在風(fēng)電機(jī)組中，有用于機(jī)艙內(nèi)的軟電線、控制電纜，有用于塔架內(nèi)的塔架電纜等。以一臺(tái)1.25MW的風(fēng)電機(jī)組為例(塔架和機(jī)艙內(nèi))，塔架高度一般為90m左右，僅電力電纜就需要約1km左右。以1個(gè)50MW的風(fēng)場計(jì)算，則需要電力電纜40km[1]?！缎屡d能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中預(yù)計(jì),到2020年，風(fēng)電裝機(jī)接近150GW的規(guī)劃，風(fēng)電用電纜市場需求巨大[2]。

但是隨著國際銅價(jià)的不斷攀升，傳統(tǒng)以銅為主要材料的銅電纜（銅在整個(gè)電纜中占的成本達(dá)到70%以上）價(jià)格也水漲船高。在可實(shí)現(xiàn)同樣電氣性能的前提下，尋找價(jià)格比等品質(zhì)銅電纜低的載流導(dǎo)體有助于大幅降低風(fēng)電場的建設(shè)成本。

1 風(fēng)電機(jī)組使用的電纜種類及性能要求

1.1 風(fēng)電機(jī)組使用的電纜種類

(1)連接機(jī)艙和塔筒部位的抗扭轉(zhuǎn)型電纜

該種電纜通常稱為扭纜。電纜能隨風(fēng)電機(jī)組偏航不斷正反向旋轉(zhuǎn)，對(duì)電纜的柔軟性、抗張強(qiáng)度、抗扭轉(zhuǎn)、耐低溫、耐紫外線(耐候性)、耐鹽霧腐蝕、阻燃等眾多技術(shù)指標(biāo)都有較高要求[3](具體根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行要求和環(huán)境而定)。

(2)機(jī)艙中連接用的耐高溫電纜；

(3)設(shè)備、儀器、儀表用屏蔽型控制電纜；

(4)數(shù)據(jù)連接線；

(5)低壓柔性電纜；

(6)中、高壓電纜等。

1.2 風(fēng)電場用電纜性能要求

1.2.1 滿足常規(guī)電纜的性能要求

(1)電氣性能（耐電壓、導(dǎo)體電阻和絕緣電阻等）；

(2)絕緣和護(hù)套機(jī)械物理性能；

(3)結(jié)構(gòu)尺寸；

(4)導(dǎo)體（一般為5類導(dǎo)體）。

1.2.2 特殊性能要求

(1)電纜的壽命要求（一般要求20年）；

(2)護(hù)套耐油性能要求；

(3)護(hù)套耐紫外線（耐日光）要求；

(4)護(hù)套耐海水要求等。

2 風(fēng)電載流導(dǎo)體使用鋁材的可行性分析

長期以來，人們?cè)趯?dǎo)體的選擇上，通常是以銅為主。認(rèn)為銅導(dǎo)體在電氣性能及可靠程度上都高于其他導(dǎo)體。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，包括銅鋁連接、鋁鋁連接技術(shù)工藝的提高，以及鋁合金等新材料的研發(fā)，鋁導(dǎo)體類電纜的使用已經(jīng)越來越廣泛。鋁合金電纜材質(zhì)較軟、牢固性和抗壓性很高，在電纜相對(duì)重要的衰減率方面也僅比銅電纜略遜2%－4%。

對(duì)于風(fēng)電場的電力線纜系統(tǒng)建設(shè)，也已具備選用鋁材質(zhì)線纜的條件。可根據(jù)布線方式（架空或地埋）的不同，選用不同規(guī)格和型號(hào)鋁材線纜；對(duì)于架空電纜，鋁特有的防腐性能來自鋁表面與空氣接觸自然形成的氧化層，這種氧化層能耐受多種腐蝕。從單純的金屬特性看，鋁的抗腐蝕性能優(yōu)于銅。鋁在空氣中很快形成一層厚度約為2×10-4mm的致密氧化膜，防止內(nèi)部的金屬被進(jìn)一步腐蝕；對(duì)于地埋電纜，可根據(jù)風(fēng)電場的土壤性質(zhì)，堿性土壤和某些類型的酸性土壤環(huán)境對(duì)金屬有較大的腐蝕性，可以有針對(duì)性地選擇鎧裝的鋁材多芯電纜。

3 風(fēng)電機(jī)組中鋁電纜替代銅電纜選型分析

3.1 鋁電纜載流量分析、線徑對(duì)比和固定要求

3.1.1 國內(nèi)某風(fēng)電機(jī)組廠家2MW機(jī)型概況

發(fā)電機(jī)容量2100kW，發(fā)電機(jī)定子額定線電流為1458A(690V)，轉(zhuǎn)子額定線電流為533A(0-750V),系統(tǒng)供電額定電流為66A(400V),變流器位于塔底，塔筒內(nèi)直線段電纜包括三部分:

（1）發(fā)電機(jī)定子(三角接法)線電流為1458A；

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(三角接法)線電流為533A；

（3）系統(tǒng)供電額定單根電流為66A。

3.1.2 銅電纜和鋁電纜選型參數(shù)對(duì)比及載流量核算[4]

該2MW機(jī)型目前使用的銅電纜為國內(nèi)某電纜廠家生產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯電纜,在40°空氣中敷設(shè),單芯電纜品字形排列（表1為核算過程，表2、表3為折算后理論值，表4為鋁電纜型號(hào)及安裝要求）。

表1 國內(nèi)某風(fēng)電機(jī)組廠家2MW機(jī)型理論核算過程

表2 銅電纜選型規(guī)格（按照垂直品字形空氣中敷設(shè)方式）

表3 鋁電纜選型規(guī)格（按照垂直品字形空氣中敷設(shè)方式）

表4 鋁電纜型號(hào)及安裝要求

由于塔筒直線段電纜90%直線固定敷設(shè)，夾塊固定，只承受較小的重力拉力，10%彎曲進(jìn)入柜體部分，原電纜托架按照15D外徑設(shè)計(jì)（一般設(shè)計(jì)要求為20D），現(xiàn)略放大，即增加電纜托架的彎角半徑，完全可滿足鋁電纜的彎曲半徑要求。

3.2 鋁電纜接頭及抗電化學(xué)腐蝕解決方案

3.2.1 銅鋁連接的接頭技術(shù)解決方案

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部電纜接頭主要有扭纜處的銅鋁電纜連接及塔底鋁電纜至柜體銅排的連接，主要克服銅、鋁導(dǎo)體直接接觸時(shí)的電化學(xué)腐蝕問題。（電化學(xué)腐蝕的概念：銅、鋁直接接觸面在空氣中水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液，從而形成的以鋁為負(fù)極、銅為正極的原電池，接觸電阻增大。）

解決措施：選用進(jìn)口過渡接頭，過渡段采用高溫摩擦焊固態(tài)焊接技術(shù)，原子充分融合，性能穩(wěn)定，電阻接近鋁線電阻，選用壓接工具進(jìn)行壓接，接頭處可靠穩(wěn)定，外層絕緣處理采用密封繞包加填充劑的方式，壓接及密封效果見圖1。

3.2.2 鋁電纜的抗氧化及膨脹問題

銅鋁材料特性對(duì)比如表5所示。鋁鋁之間，即鋁電纜之間是同材質(zhì)鋁材連接器，膨脹系數(shù)一致，線性膨脹系數(shù)微米級(jí)別，與銅的膨脹系數(shù)相差不大，加之電纜彎曲段存在余量，線性膨脹不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

銅和鋁比較，鋁在空氣中更抗氧化。雖然鋁比銅活潑，但鋁有固有特性。

圖1 鋁電纜接頭處理

表5 銅鋁材料特性對(duì)比

表6 國內(nèi)某風(fēng)電機(jī)組廠家2MW機(jī)型塔筒電纜費(fèi)用核算

（1）鋁表面與空氣接觸時(shí)形成薄而堅(jiān)固的氧化層，這種氧化層（ Al2O3 ）阻止內(nèi)部金屬繼續(xù)被氧化，特別耐受各種形式的腐蝕；（注：氧化膜很薄，為8-10 μm，鋁電極兩端加上電勢(shì)差后，仍能激發(fā)鋁內(nèi)的電子作定向移動(dòng)，氧化膜因?yàn)楹穸刃〔⒉荒芴峁┖艽蟮碾娮瑁瑢?dǎo)電性沒有太大變化。）

（2）電纜絕緣層和外護(hù)套均采用橡膠材料，接頭處多層絕緣及熱縮和密封劑處理，如圖1所示。金屬導(dǎo)體基本與外界隔絕，杜絕腐蝕；

（3）關(guān)于損耗[5]

P=I2R，取決于電阻R=ρL/S，電阻取決于截面、長度、電阻率，長度相等，則：172/185= 0.93 ；282/300= 0.94。

計(jì)算可知，鋁電阻率略高，但截面積提高，損耗基本一致，不影響整個(gè)機(jī)組的供電系統(tǒng)。

4 銅、鋁電纜經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

同樣以國內(nèi)某風(fēng)電機(jī)組廠家2MW機(jī)型為例，假設(shè)風(fēng)電機(jī)組塔筒高度為80m，分別按照當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)電纜分段敷設(shè)和整根敷設(shè)兩種方案，對(duì)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)電纜費(fèi)用進(jìn)行初步核算，如表6所示。

由分析可知，在風(fēng)電機(jī)組中僅塔架電纜采用鋁電纜一項(xiàng)，即可比原來的銅電纜方案節(jié)約成本40%以上，若在整個(gè)風(fēng)電場中推廣，帶來的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更可觀。鋁電纜應(yīng)用的技術(shù)條件已經(jīng)成熟，加上鋁電纜制造工藝水平的提高，鋁電纜已經(jīng)可以與傳統(tǒng)銅電纜相媲美。

5 結(jié)論

通過上述分析，在風(fēng)電機(jī)組中使用鋁電纜替代銅電纜的方案是可行的，在實(shí)現(xiàn)同樣的電氣性能的前提下，鋁質(zhì)電纜比等品質(zhì)銅質(zhì)電纜具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，這可大幅降低風(fēng)電場建設(shè)成本。面對(duì)不斷攀升的銅價(jià)，鋁的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，且鋁元素在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富，不僅在原材料供應(yīng)方面存在優(yōu)勢(shì)，在質(zhì)量上也有提高。隨著鋁電纜制造水平的不斷提高及無縫焊接技術(shù)等先進(jìn)工藝的運(yùn)用，原先鋁電纜應(yīng)用中遇到的諸多難題得到了解決，使得鋁電纜的推廣應(yīng)用成為了可能。

[1] 國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心上海電纜研究所.風(fēng)力發(fā)電機(jī)用電纜技術(shù)性能及其開發(fā)進(jìn)展[R].2001.

[2] 李俊峰,等.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2011[R].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2011.

[3] 朱永強(qiáng), 王偉勝.風(fēng)電場電氣工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 陳志剛,秦本才.風(fēng)電電纜應(yīng)用綜合分析報(bào)告[R].上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司,2012.

[5] 電線電纜手冊(cè)編委會(huì).電線電纜手冊(cè)(第2冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

Feasibility Analysis of Using Aluminum Cable Instead of Copper Cable in Wind Turbine

Chen Zhigang1, Qin Bencai2
(1. Shanghai Jiao Tong University Department of Electrical Engineering, Shanghai 200241, China;
2. Shanghai Electric Wind Energy Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

This paper introduced the requirements of cable types and properties of wind turbines. It also analyzed the background of copper cable prices and the feasibility of using aluminum cable in a wind turbine instead of copper cable. Through a case, this paper carried out the feasibility analysis of aluminum cable in terms of technology, process, cost ,etc.

wind power; aluminum cable; current-carrying conductor; electrochemical corrosion

TM614

A

1674-9219(2013)09-0104-04

2013-04-15。

陳志剛（1984-），男，碩士，工程師，主要從事大型風(fēng)電機(jī)組電氣工程研究工作。