淺析鋁合金導(dǎo)體光伏發(fā)電系統(tǒng)用電纜

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（上海纜慧檢測技術(shù)有限公司，上海 201206）

光伏發(fā)電系統(tǒng)用電纜（以下簡稱光伏電纜）主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流側(cè)的光伏組件與組件之間的串聯(lián)電纜、組串之間及組串直流配電箱（匯流箱）之間的交聯(lián)電纜和直流配電箱至逆變器之間的電纜，以及逆變器與輸電網(wǎng)間連接用的交流應(yīng)用電纜。光伏電站建設(shè)中電纜造價所占比重較大，已完成或在建的光伏電站所用的光伏電纜以銅導(dǎo)體居多；然而，2020年下半年開始全球電解銅價格瘋狂上漲，我國電解銅價格從最低35000元/噸一路飆升至75000元/噸，創(chuàng)下近15年來的新高，造成光伏電纜投資成本過高、風(fēng)險加大。此外，我國銅礦資源嚴(yán)重缺乏、依賴進(jìn)口，銅導(dǎo)體在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)保問題也日趨嚴(yán)峻。因此，光伏電站建設(shè)用電纜采用“以鋁代銅”是降低成本、提質(zhì)增效的有效途徑和發(fā)展趨勢。

1 鋁合金導(dǎo)體的發(fā)展

1968年，美國成功研制和生產(chǎn)出可代替銅導(dǎo)體的鋁合金導(dǎo)體，并被應(yīng)用于各種電線電纜產(chǎn)品中。在近50年時間里，鋁合金導(dǎo)體被廣泛地應(yīng)用于美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)歷了40多年的運(yùn)行，累計了大量的生產(chǎn)和負(fù)載運(yùn)行的經(jīng)驗。

2006年，我國從北美企業(yè)引進(jìn)了先進(jìn)的鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，使我國鋁合金導(dǎo)體的性能、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝都有了顯著提高，已逐步被國內(nèi)廣大用戶接受。近年，我國先后公布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29920—2013、GB/T 30552—2014和GB/T 31840.1—2014～GB/T 31840.3—2014，明確了鋁合金導(dǎo)體的性能要求，隨著鋁合金導(dǎo)體的優(yōu)越性在安裝敷設(shè)和使用中逐漸體現(xiàn)，光伏電纜使用鋁合金導(dǎo)體替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)體將成為未來的發(fā)展熱點(diǎn)。

2 鋁合金導(dǎo)體的特點(diǎn)

2.1 導(dǎo)電性能

由于電工鋁材料的本身特性限制，純鋁導(dǎo)體一般采用常規(guī)絞合工藝生產(chǎn)，而鋁合金材料大大提高了機(jī)械性能，所以鋁合金導(dǎo)體可以采用緊壓絞合工藝生產(chǎn)，這樣可使鋁合金導(dǎo)體的緊壓系數(shù)不小于0.9，如果采用預(yù)制成型單線絞合工藝其緊壓系數(shù)能達(dá)到0.95，從而可以縮小導(dǎo)體外徑。雖然鋁合金材料的導(dǎo)電率是銅的61.8%，載流量約為銅的78%，但是鋁合金導(dǎo)體生產(chǎn)采用緊壓絞合工藝，從而提高其導(dǎo)電性能，所以當(dāng)鋁合金導(dǎo)體截面大于銅導(dǎo)體截面一個規(guī)格時，即可達(dá)到同樣載流量。

2.2 機(jī)械性能

由于鋁合金導(dǎo)體加入了硅、鐵、銅、鎂、鋅、硼或稀土等多種元素并采用了緊壓絞合、退火等特殊加工工藝，可使其延伸率提高到30%、抗壓蠕變性能比純鋁導(dǎo)體提高300%、柔韌性比銅導(dǎo)體提高30%、回彈性比銅導(dǎo)體低30%及抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近銅導(dǎo)體。

2.3 耐腐蝕性能

純鋁在空氣中與氧接觸，會在純鋁表面形成一層緊密的、堅固的氧化隔離層，這層氧化隔離層耐受各種形式的腐蝕，即使在水或其他電解質(zhì)環(huán)境下，也可以保護(hù)鋁自身不被腐蝕。同時，鋁合金導(dǎo)體中加入了硅、鐵、銅、鎂、鋅、硼或稀土等多種元素，進(jìn)一步提高了鋁合金導(dǎo)體的耐腐蝕性能，特別是電化學(xué)腐蝕。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

在相同在載流量和電壓降要求下，雖然鋁合金導(dǎo)體截面積要比銅導(dǎo)體截面積大一個規(guī)格，但由于鋁合金的密度僅為銅密度的30%并且每噸鋁合金價格遠(yuǎn)低于銅價格，所以鋁合金導(dǎo)體成本比銅導(dǎo)體低約40%。同時，鋁合金擁有良好的機(jī)械性能，可使鋁合金導(dǎo)體在施工安裝時降低約30%的費(fèi)用。

3 國內(nèi)外鋁合金導(dǎo)體光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上通用的光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)有IEC 62930: 2017、 EN 50618: 2014、UL 4703: 2007、德國萊茵TüV集團(tuán)發(fā)布的2 Pfg 1169/08.2007和TüV南德意志集團(tuán)發(fā)布的PPP59074A PPP/2019/00060，國內(nèi)光伏電纜執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要有能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB 42073—2016、中國電器工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CEEIA B218.1～CEEIA B218.4—2012、各地方標(biāo)準(zhǔn)等，上述標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定導(dǎo)體材料為銅或鍍錫銅。

為了滿足市場需求、推動新技術(shù)應(yīng)用，德國萊茵TüV集團(tuán)和TüV南德意志集團(tuán)先后發(fā)布了2 Pfg 2642/11.17和PPP11029A PPP/2019/101457，其規(guī)定導(dǎo)體材料為鋁、鋁合金或銅包鋁。目前，我國還沒有針對鋁合金導(dǎo)體的光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)，與國際標(biāo)準(zhǔn)存在著一定差距，導(dǎo)致我國生產(chǎn)的光伏電纜成本高而缺乏國際競爭力，加重了國內(nèi)光伏電站建設(shè)的成本。因此，國內(nèi)光伏電纜行業(yè)制定與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的鋁合金導(dǎo)體光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)已迫在眉睫。

4 鋁合金導(dǎo)體光伏電纜的特殊要求

4.1 鋁合金導(dǎo)體的要求

鋁合金導(dǎo)體的化學(xué)成分要求應(yīng)符合GB/T 31840.1—2014附錄A的規(guī)定，其絞合后的鋁合金單線性能要求應(yīng)符合GB/T 31840.1—2014或ISO 6722-2：2013的規(guī)定。導(dǎo)體截面積10mm2及以上的鋁合金導(dǎo)體的直流電阻要求應(yīng)符合GB/T 3956—2008中的規(guī)定，導(dǎo)體截面積10mm2以下的鋁合金導(dǎo)體的直流電阻要求應(yīng)符合ISO 6722-2:2013中的規(guī)定。

4.2 金屬鎧裝的要求

光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電纜大多數(shù)是裸露在空氣中或穿管后埋地敷設(shè)，無論裸露在空氣中敷設(shè)還是穿管埋地敷設(shè)都難免會受到外部機(jī)械應(yīng)力而損傷，導(dǎo)致輸電線路的短路或斷路等事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。所以光伏電纜應(yīng)根據(jù)實際敷設(shè)情況適當(dāng)?shù)卦黾右粚咏饘冁z裝層，保證其具有一定的縱向抗壓能力，建議采用鋁帶或鋁合金帶，其抗張強(qiáng)度應(yīng)不小于50 MPa。

4.3 彎曲性能要求

鋁合金導(dǎo)體光伏電纜懸空敷設(shè)時，會跟隨著自然風(fēng)進(jìn)行來回擺動，為驗證其彎曲性能能夠滿足這種工作狀態(tài)的要求，鋁合金導(dǎo)體光伏電纜應(yīng)進(jìn)行在導(dǎo)體最高工作溫度下的循環(huán)彎曲試驗。取足夠長的樣品安裝在圖1所示的搖擺試驗裝置上，試樣的上端固定在彎曲夾具上，彎曲半徑為8～10倍的樣品外徑，下端施加合適的外力使樣品自然垂直，試驗彎曲速度為15個循環(huán)/分鐘（每邊90°作為一個彎曲循環(huán)），在整個試驗過程中應(yīng)在鋁合金導(dǎo)體中施加合適的電流，使鋁合金導(dǎo)體的溫度不低于90℃，鋁合金導(dǎo)體斷裂或樣品表面有肉眼可見的裂紋，試驗終止并記錄彎曲次數(shù)。

圖1 循環(huán)彎曲試驗裝置

4.4 耐特殊環(huán)境的要求

我國疆域遼闊，日照資源豐富的地區(qū)遍布全國，由于東西海陸差異顯著、南北緯度跨度大，所以光伏電纜安裝的自然環(huán)境復(fù)雜多樣。為保證光伏電纜可以適用于各種惡劣的自然環(huán)境，光伏電纜應(yīng)耐低溫、耐臭氧、耐日光老化、耐高溫高濕、耐酸堿、耐鹽霧等特殊環(huán)境。

5 結(jié)語

通過本文的介紹可知，無論從技術(shù)上的可行性、可靠性，還是從經(jīng)濟(jì)效益上來考慮，鋁合金導(dǎo)體光伏電纜比銅芯光伏電纜更能助力我國光伏電纜行業(yè)的發(fā)展。目前，我國鋁合金導(dǎo)體光伏電纜的標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，建議相關(guān)單位應(yīng)及時補(bǔ)充具有指導(dǎo)意義的國家標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)我國光伏電纜行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。