風電用鋁合金電纜載流量分析

張巍巍，韓曉樂，王 亮，吳建萍

（1.通用電氣高壓設備（武漢）有限公司，湖北 武漢 430415；2.遠東電纜有限公司，江蘇 宜興 214257）

1 引言

風力發電作為一種新型清潔能源，近些年得到了快速發展。隨著環境污染的不斷加重，傳統的發電行業將逐步被清潔能源所取代。風力發電在替代傳統能源的過程中，發電成本是考慮的重點。隨著國家政策的轉變，平價上網是風電發展的大趨勢。在此前提下，如何在保證風機發電效率不變的情況下，降低度電成本是風機主機廠商所需要考慮的方向。風力發電受地理位置和風資源的限制，風機的選址成本和風場建設成本很難控制，為了降低風力發電成本，風機主體和施工成本兩方面成了各主機商主要考慮的方向。

經過國外長期應用和國內幾大主機廠商的驗證，鋁合金風電電纜已逐步獲得行業認可[1]。鋁合金電纜通過增大截面可以獲得同等的載流能力，電纜的成本可以大幅降低。同時電纜重量也可以大幅降低，對電纜安裝敷設提供了更多可選擇方式，縮短現場施工周期和降低成本，促進了鋁合金電纜在風電平價上網時代的快速發展。因鋁合金電纜柔軟度差，采用以鋁代銅方案時只能用于風機固定敷設段。

2 試驗要求

為了保證以鋁代銅后電纜具有充足的載流能力，設計時采用提高2 個規格的鋁合金電纜來代替銅電纜[2]。

選用240 mm2鋁合金電纜和150 mm2銅電纜作為測試樣品，采用專用連接端子進行連接，用載流量測試裝置進行載流量和溫升測試，通過熱電偶測試儀來測試銅、鋁合金電纜導體、絕緣和護套、連接端子的溫度。

3 試驗方法及過程

為了減少環境對載流量測試數據的影響，將銅電纜和鋁合金電纜進行對接后在同一工況條件下進行載流量測試，測試方法參照TICW 15 載流量測試要求。通過調節輸入電流值使導體溫度穩定在產品標準聲稱的溫度值（一般為電纜長期運行時允許的最高工作溫度），載流量的測試過程應不短于5 h，結束前的30 min 為穩定階段，在穩定期間應保證環境溫度的波動不超過±2 ℃，并要保證導體溫度在30 min 內變化不超過工作溫度±1 ℃，在穩定的最后5 min 內電流值應保持恒定，其值為該環境溫度下的載流量值。

載流量測試如圖1所示。

圖1 載流量測試

根據IEC 60364-5-52 標準，150 銅電纜載流量小于240銅電纜載流量，初次加載電纜值按銅電纜載流量標準值進行加載。通過持續調節輸入電流值大小，直至銅電纜和鋁合金電纜導體溫度均達到90 ℃時，記錄下同等工況下銅電纜和鋁合金電纜載流量值，判定兩者實際載流能力。

測試過程按以下步驟進行：①按銅電纜5m 與鋁合金電纜10 m 取樣，中間用專用連接端子連接；②將壓接好樣品連接到載流量測試設備，測溫設備按所需測溫點進行連接如圖1所示；③按TICW15 標準要求逐步增加電流至設定的載流列，記錄各點溫度，樣品規格及參數如表1所示；④繼續增加電流至銅或鋁合金電纜導體溫度達到90 ℃，記錄下端子、導體、絕緣和護套溫度、電流大小；⑤繼續增加電流至銅和鋁合金電纜導體溫度均達到90 ℃，記錄下端子、導體、絕緣和護套溫度、電流大小；⑥測試結束后，關閉輸入端，取下電纜待自然冷卻。

通過調節輸入電流，最終銅鋁合金電纜導體溫度均達到90 ℃，測試數據如表2所示。從測試數據可以看出，鋁合金電纜增大2 個規格后，同等測試條件下，鋁合金電纜載流量比銅電纜增大10%左右。鋁合金電纜的溫升要明顯小于銅電纜，以鋁代銅后載流能力得到提升。

表1 樣品規格及參數

表2 載流量測試數據

4 原理分析

風力發電用鋁合金電纜導體參考GB/T 3956 中第二類標準要求，銅電纜參考第五類標準要求。增大2 個規格后，鋁合金電纜20 ℃直流電阻小于銅電纜。240 mm2鋁合金電纜20 ℃直流電阻標準為0.125 Ω/km，150 銅電纜直流電阻標準為0.129 Ω/km。根據載流量計算公式為：

式（1）中：R為最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻。

從式（1）可以看出，在同樣結構和材料的情況下，載流量與交流電阻成反比。根據交流電阻計算公式R=R′[1+（YS+YP）]，對于鋁導體，應單絲表面會形成一層致密氧化膜，單絲之間的鄰近效應可以忽略不計，進而額定工作下的交流電阻更小。從以上計算公式可以看出，采用鋁導體，工作溫度下交流電阻更小，因鋁導體直流電阻溫度系數要略高于銅導體。

經計算90 ℃下交流電阻如表3所示。

表3 90 ℃下交流電阻

從計算結果可以看出，鋁合金電纜增大2 個規格后相比銅電纜具有更小的交流電阻，電纜規格越大差異越明顯，對應的電纜載流能力也越大。采用增大2 個規格以鋁代銅從載流能力來看可以滿足使用要求[3]。

5 結論

鋁合金電纜因導體能力比銅差，與銅電纜匹配時需要增加導體截面。鋁合金電纜比銅電纜重量輕、成本更低，增大截面后電纜整體成本仍比銅電纜低、重量更輕，更有利于降低風機成本。銅電纜因重量較重，一般采用分段敷設方式，對于塔筒高度較高時，電纜安裝比較費時。采用鋁合金電纜可以整根吊裝，節省了安裝空間和周期，大大提高了安裝效率，降低了風機造價成本[4]。

鋁合金電纜通過增加導體截面，電阻相比于銅電纜更小，載流能力更高。同時，因鋁合金電纜主要用于固定敷設段，電纜排列規整，散熱性能較好，與銅電纜對接后，比扭轉段銅電纜溫升更小，傳輸損耗也更小，風機的發電效率更高。在風電平價上網時代，鋁合金電纜將會獲得更大的發展空間。