制定我國光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)的意義與建議

吳 江

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇宜江214205）

制定我國光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)的意義與建議

吳 江

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇宜江214205）

近年來我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的興盛帶動了光伏電纜等配套產(chǎn)品的快速發(fā)展，而作為光伏發(fā)電系統(tǒng)重要組成部分的光伏電纜卻缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致我國光伏發(fā)電系統(tǒng)存在較大的安全隱患。主要介紹了制定我國光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)的意義，同時針對我國光伏發(fā)電系統(tǒng)使用環(huán)境的差異，提出制定適用于不同區(qū)域光伏電纜的特殊試驗項目。

光伏電纜；國家標(biāo)準(zhǔn)；試驗項目

0 引 言

近年來，由于全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化、常規(guī)能源短缺等問題，發(fā)展可再生能源得到各國政府的重視和支持。在技術(shù)進(jìn)步的推動和各國政府的激勵政策驅(qū)動下，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和市場得以迅速發(fā)展。從2007年開始，我國的太陽能光伏應(yīng)用從較低的水平連續(xù)4年保持100%以上的年增長率。截至2010年末，我國太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到893 MW，位居世界第7。預(yù)計到2020年，我國的太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⒊^30 000 MW。

光伏發(fā)電已帶動相關(guān)產(chǎn)品，如光伏電纜的迅速發(fā)展。通常光伏發(fā)電產(chǎn)生的低壓直流電需轉(zhuǎn)換為交流電，連接光伏電池與交直流逆變器間的電纜即為光伏電纜。一個光伏組件一般需要2根0.8 m的單芯電纜，或者說，1 MW的光伏發(fā)電量需要40～60 km的光伏電纜。由此可以得出，未來10年我國光伏電纜的用量將達(dá)到12～20萬km。

目前，應(yīng)用于我國光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏組件、逆變器及蓄電池等部件必須取得國家批準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。光伏電纜作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組件卻因缺乏相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)而沒有此要求。國內(nèi)光伏電纜在采購過程中，招標(biāo)文件中技術(shù)規(guī)格及要求部分缺乏相關(guān)參考依據(jù)，采購方通常采用TUV萊茵認(rèn)證公司標(biāo)準(zhǔn)2 Pfg 1169或UL 4703標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，這樣導(dǎo)致電纜生產(chǎn)企業(yè)不得不將產(chǎn)品送往TUV或UL等認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品測試及認(rèn)證。這類國外認(rèn)證機(jī)構(gòu)不但認(rèn)證費用高昂、認(rèn)證耗時長，而且他們依據(jù)本國使用環(huán)境特點進(jìn)行產(chǎn)品測試，測試項目側(cè)重點各不相同。而我國光伏發(fā)電系統(tǒng)使用環(huán)境與他們差異很大，按照國外技術(shù)要求生產(chǎn)及測試的產(chǎn)品在國內(nèi)長期使用過程中，難以保證其可靠性，使光伏發(fā)電項目安全性存在較大隱患。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計使用壽命一般為25年，通常投資巨大，動輒幾千萬甚至上億，其運(yùn)行也直接關(guān)系到社會的生產(chǎn)和生活。百年大計，質(zhì)量第一，光伏發(fā)電項目也不例外。質(zhì)量保證是光伏發(fā)電項目的關(guān)鍵，是光伏應(yīng)用和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本前提。因此制定我國光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)，不但可以減小電纜生產(chǎn)企業(yè)對國外認(rèn)證機(jī)構(gòu)的依賴，降低生產(chǎn)成本，更能提高光伏發(fā)電項目運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，對我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

1 光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)試驗項目探討

我國地處北半球，南北距離和東西距離都在5 000 km以上。在我國廣闊的土地上有著豐富的太陽能資源，我國大多數(shù)地區(qū)平均日輻射量在4 kW·h/m2以上，西藏日輻射量最高達(dá)7 kW·h/m2。與同緯度的其它國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多。按接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可以分為以下四類地區(qū)（見圖1）。

圖1 我國太陽能資源分布圖

Ⅰ資源豐富帶每年6 700 MJ/m2---主要指青藏高原，這是中國太陽能資源最豐富的地區(qū)，全年日照時間為3 200～3 300 h，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當(dāng)。特別是西藏，地勢高，太陽光的透明度好，太陽輻射總量僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二。

Ⅱ資源較富帶每年5 400～6 700 MJ/m2---主要包括新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙、寧夏、河北西北、海南等地，全年日照時間為3 000～3 200 h，此地區(qū)為中國太陽能資源較為豐富地區(qū)。

Ⅲ資源一般帶每年4 200～5 400 MJ/m2---主要包括東北、長江中下游地區(qū)、福建、浙江、廣東、廣西等地區(qū)，全年日照時間2 000～3 000 h，此地區(qū)為中國太陽能資源一般地區(qū)。

Ⅳ資源貧乏帶每年小于4 200 MJ/m2---主要包括四川、貴州兩省，該地區(qū)雨量大、大霧天氣多、晴天較少，年平均日照時間低于2 000 h。這類地區(qū)為中國太陽能資源貧乏地區(qū)。

然而，同樣由于我國幅員遼闊，東西部氣候差異相當(dāng)大，因此在不同區(qū)域使用的光伏電纜需要有不同的耐環(huán)境性能。國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（江蘇）綜合國外標(biāo)準(zhǔn)中光伏電纜測試項目及技術(shù)指標(biāo)要求，并結(jié)合我國光伏發(fā)電項目使用地區(qū)的氣候環(huán)境特點，建議在我國光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)制定過程中按照光伏電纜使用環(huán)境特點分別制定試驗項目及技術(shù)指標(biāo)，具體建議如下：

1.1 制定適用于Ⅰ類及Ⅱ類地區(qū)的太陽能光伏電纜試驗項目

這兩類地區(qū)主要為西部高原地區(qū)，氣候特征表現(xiàn)為高原山地氣候，與東部平原地區(qū)相比，日夜溫差變化迅速，干燥，日照時間長，紫外線輻射強(qiáng)度大。適用于該類地區(qū)的光伏電纜應(yīng)當(dāng)具備耐受上述惡劣天氣的性能。

（1）耐紫外輻射性能試驗

光伏電纜主要指連接光伏電池與交直流逆變器間的電纜，一般暴露于陽光照射下，屬于戶外電纜中的一種。太陽光特別是紫外線部分，由于能量高，電纜絕緣及護(hù)套等高分子材料內(nèi)部的化學(xué)鍵易發(fā)生斷裂，致使絕緣性能急劇下降，甚至引發(fā)電力事故，造成巨大損失［1］。因此，光伏電纜應(yīng)具有優(yōu)異的耐紫外輻射性能才能保證其在長期的戶外使用過程中具有較高的可靠性。

UL 4703及2 Pfg 1169對光伏電纜的耐候性能均有具體要求。以2Pfg 1169中規(guī)定的光伏電纜的耐候性試驗為例，具體試驗要求為：溫度（63± 3）℃，相對濕度（65±2）%，氙燈光譜中300～400 nm部分波長最小輻射強(qiáng)度為（60±2）W（一般選擇60W進(jìn)行試驗），每2 h為一個周期，每個周期前18 min噴淋試樣，后102 min干燥試樣，試驗持續(xù)時間720 h。處理結(jié)束后對試樣進(jìn)行彎曲試驗，要求試樣表面護(hù)套不開裂。但是這種試驗要求相對電纜在實際使用過程中受到的紫外輻射量明顯過低，無法體現(xiàn)光伏電纜在實際情況下受紫外線輻射的影響。

以我國紫外輻射較弱的太湖地區(qū)為例，紫外輻射瞬時極大值為50 W/m2，300～400 nm波長范圍紫外線年輻射總量達(dá)到266.45 MJ/m2［2］，相當(dāng)于在2 Pfg 1169試驗條件下進(jìn)行1230 h的試驗。而西北及青藏高原地區(qū)的紫外輻射強(qiáng)度相對于太湖地區(qū)高出很多，紫外輻射瞬時極大值超過100 W/m2［3］，這種強(qiáng)烈的紫外輻射會極大地加快光伏電纜絕緣護(hù)套材料的老化速度，縮短電纜的使用壽命。

因此，在我國使用的光伏電纜產(chǎn)品在某些特殊性能試驗項目上不適合使用國外標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求去考量。建議在制定適用于該類地區(qū)的光伏電纜耐紫外輻射性能技術(shù)參數(shù)時，應(yīng)考慮提高試驗要求中紫外輻射強(qiáng)度，以保證試驗結(jié)果具有較高的可參考性。

（2）耐高低溫交變性能試驗

光伏發(fā)電系統(tǒng)在白天工作狀態(tài)下，光伏電纜中有電流通過，導(dǎo)體發(fā)熱使得電纜溫度較高；日落后系統(tǒng)停止工作，電纜溫度隨環(huán)境溫度降低。這種冷熱的交替使得光伏電纜的絕緣護(hù)套材料在長期的使用過程中經(jīng)歷劇烈的熱脹冷縮變化，使材料的物理及化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致材料力學(xué)性能及電性能降低。

國外光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)對該試驗項目均沒有做出要求，而在我國Ⅰ類及Ⅱ類地區(qū)使用的太陽能光伏電纜，因該地區(qū)氣候特征幾乎每天都要經(jīng)歷高低溫交變的過程，因此建議在該類地區(qū)使用的光伏電纜增加該試驗項目要求。

（3）防老鼠啃咬性能試驗

每年因老鼠對電纜的啃咬造成的電力事故在電纜運(yùn)行事故中占有很高的比例。據(jù)統(tǒng)計，美國城市火災(zāi)約有四分之一是由老鼠啃壞電線電纜而造成的；意大利全國動力系統(tǒng)的事故中，約有三分之一是由老鼠引起的；我國每年因老鼠咬噬電線電纜造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，間接經(jīng)濟(jì)損失不可估量。如2000年，上海某特大企業(yè)一根敷設(shè)不久的中壓電力電纜因老鼠啃咬引起爆炸，使得三座轉(zhuǎn)爐全面停產(chǎn)，32天后才恢復(fù)生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。光伏電纜通常裸露在地表，很容易遭到老鼠破壞，而我國西北及青藏地區(qū)為鼠災(zāi)多發(fā)地區(qū)，因此用于該類地區(qū)的光伏電纜需要具有優(yōu)良的防鼠能力，而國外標(biāo)準(zhǔn)對這一性能均沒有做出具體要求。為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，建議國內(nèi)光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)對光伏電纜防鼠啃咬性能做出具體要求。

1.2 制定適用于Ⅲ類及Ⅳ類地區(qū)的太陽能光伏電纜試驗項目

我國東部沿海地區(qū)是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地帶，也是光伏發(fā)電項目應(yīng)用發(fā)展最為迅速的地區(qū)。目前沿海地區(qū)光伏發(fā)電項目主要應(yīng)用于寫字樓及高檔智能小區(qū)。該類地區(qū)氣候特征表現(xiàn)為海洋性氣候，天氣變化多樣，比內(nèi)地潮濕多雨，受臺風(fēng)災(zāi)害頻繁，空氣中含有鹽霧，因此適用于該類地區(qū)的光伏電纜應(yīng)當(dāng)具備耐受上述惡劣天氣的性能。

（1）耐濕熱性能試驗

我國太陽能資源Ⅲ類及Ⅳ類地區(qū)主要為東部沿海及南部地區(qū)，該類地區(qū)雨量多，空氣中濕度大，因此在該類地區(qū)使用的光伏電纜需要有較強(qiáng)的耐濕熱性能。水分對高分子材料的作用主要有：使高分子發(fā)生溶脹，使界面產(chǎn)生徑向的拉應(yīng)力，加速水的吸收；溶脹作用使分子間距增大，產(chǎn)生物理增塑作用；水向高分子材料的吸濕性擴(kuò)散，產(chǎn)生滲透壓而使材料內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋或縫隙，加大吸濕量；水助長裂紋的擴(kuò)散，導(dǎo)致材料破裂；水解導(dǎo)致大分子斷鏈［4］。濕熱老化試驗是一種人工模擬環(huán)境試驗，它是用濕熱試驗設(shè)備產(chǎn)生一定的濕熱環(huán)境條件，來模擬產(chǎn)品在儲存、運(yùn)輸和使用過程中可能遇到的濕熱環(huán)境條件，以考核產(chǎn)品的濕熱環(huán)境適應(yīng)性。建議適用于我國Ⅲ類及Ⅳ類地區(qū)光伏電纜考慮加入耐濕熱性能試驗項目。

（2）耐鹽霧及酸堿性能試驗

鹽霧腐蝕是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。鹽霧是指含氯化物的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽---氯化鈉，因此應(yīng)用于我國沿海地區(qū)的光伏電纜應(yīng)具有優(yōu)良的耐鹽霧性能。另外，沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大氣污染較為嚴(yán)重，空氣中酸性氣體及堿性氣體濃度相對較高，與雨水結(jié)合后生成酸性或堿性溶液，造成對光伏電纜較強(qiáng)的腐蝕。同樣，適用于該類地區(qū)的光伏電纜需要具有優(yōu)良的耐酸耐堿性能。建議在該類地區(qū)使用的光伏電纜應(yīng)增加耐鹽霧及耐酸堿性能試驗項目。

（3）低煙無鹵阻燃耐火性能試驗

因人口密集、土地資源緊張，我國東部沿海地區(qū)的光伏發(fā)電項目主要應(yīng)用于建筑物屋頂或墻面。通常把封裝好的光伏組件安裝在建筑物的屋頂或墻面，再與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載等裝置組成一個發(fā)電系統(tǒng)。電線電纜大多采用塑料和橡膠作為絕緣和護(hù)套材料，這些材料均為可燃性材料，一旦發(fā)生火災(zāi)，火焰將快速蔓延，嚴(yán)重危害人民生命及財產(chǎn)安全。我國僅由電纜引起的火災(zāi)損失，每年高達(dá)幾十億元人民幣。因此，隨著電線電纜的阻燃問題越來越引起關(guān)注，人們開始研究各種阻燃防火材料［5-7］。

為了提高電線電纜的阻燃性能，通常添加鹵系阻燃劑來獲得阻燃電纜材料，但這種阻燃電纜材料在燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧和鹵化氫氣體，容易使人窒息而死，造成二次災(zāi)難。同時，歐盟已經(jīng)明確禁止使用含有鹵素的阻燃電纜。

因此，為保證光伏發(fā)電項目的正常工作及保護(hù)人身財產(chǎn)安全，應(yīng)用于這類光伏發(fā)電項目的光伏電纜必須具有優(yōu)良的環(huán)保阻燃性能。建議應(yīng)用于這類光伏發(fā)電項目的光伏電纜需檢驗其低煙無鹵阻燃性能。

2 結(jié)束語

光伏電纜對絕緣護(hù)套材料性能的要求較高，但其結(jié)構(gòu)卻很簡單，對生產(chǎn)設(shè)備及工藝要求也不復(fù)雜，而其利潤卻相對于其它電纜常規(guī)產(chǎn)品高出不少。部分電纜生產(chǎn)企業(yè)幾年前已經(jīng)開始按照國外標(biāo)準(zhǔn)嘗試生產(chǎn)光伏電纜，其產(chǎn)量在逐年增加。盡管全球光伏產(chǎn)業(yè)在最近幾年因金融危機(jī)遭受巨大沖擊，然而面對氣候環(huán)境及能源安全的挑戰(zhàn)，大力發(fā)展新能源已經(jīng)在全球范圍內(nèi)形成了共識。

據(jù)國家能源局發(fā)展規(guī)劃司人士透露，已上報國務(wù)院審批的《新興能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》為2011年至2020年間的中國新能源開發(fā)利用和傳統(tǒng)能源的升級變革做出了具體部署規(guī)劃，擬在這10年內(nèi)，以開放市場吸引內(nèi)外資的方式，累計增加直接投資5萬億元人民幣，發(fā)展中國新興能源產(chǎn)業(yè)，這為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及國家政策的大力支持，我們有理由相信光伏電纜行業(yè)將迎來跨越式的增長。

然而，到目前為止我國仍然沒有光伏電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺，制定光伏電纜國家標(biāo)準(zhǔn)不但可以提高光伏發(fā)電項目運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，更可以形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏電纜產(chǎn)品，對國外產(chǎn)品設(shè)置技術(shù)壁壘，減小國外產(chǎn)品對我國市場的沖擊，扶持我國電纜生產(chǎn)企業(yè)健康發(fā)展。

［1］ 趙翮選，趙書榮，王聯(lián)章，等.高海拔地區(qū)紫外輻射對硅橡膠復(fù)合絕緣子老化的影響［J］.華北電力技術(shù)，2009（3）：10-13.

［2］ 張運(yùn)林，秦伯強(qiáng).太湖地區(qū)太陽紫外輻射的初步研究［J］.氣象科學(xué)，2002，22（1）：93-99.

［3］ 李 春.拉薩紫外線指數(shù)預(yù)報方法［Z］.專業(yè)氣象服務(wù).

［4］ 張家宜.高分子材料老化壽命的評定方法［J］.特種橡膠制品，2011，32（3）：62-64.

［5］ 柳先友，雷 華.多組分協(xié)效低煙無鹵阻燃電纜料及電纜加工研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2008，36（2）：46-49.

［6］ 孫大沂.無鹵阻燃電纜材料的開發(fā)［J］.絕緣材料通信，1994（32）：15-19.

［7］ 朱中柱.國外電線電纜近期發(fā)展綜述［J］.電線電纜，1994（3）：1-2.

The Significance and Suggestion of Establishm ent of Chinese Photovoltaic Cables Standard

WU Jiang
（Jiangsu Provincial Supervising&Testing Research Institute for Product Quality，Yixing 214205，China）

With the development of photovoltaic industry in China，photovoltaic related products such as photovoltaic cables have developed rapidly in recent years.However，as an important part of photovoltaic system，it is a safety hazard that there is no national standard of photovoltaic cables.Itmainly introduced the significance of establishment of Chinese photovoltaic cable standard，and pointout some special test items for photovoltaic cables to be used in different areas in China.

photovoltaic cable；national standards；testing items

TM246.9

A

1672-6901（2013）03-0001-04

2012-09-19

吳 江（1984-），男，碩士，助理工程師.

作者地址：江蘇宜興市環(huán)科園綠園路500號［214205］.