淺析鋁合金導體光伏發電系統用電纜

袁常俊

（上海纜慧檢測技術有限公司，上海 201206）

光伏發電系統用電纜（以下簡稱光伏電纜）主要包括光伏發電系統中直流側的光伏組件與組件之間的串聯電纜、組串之間及組串直流配電箱（匯流箱）之間的交聯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間連接用的交流應用電纜。光伏電站建設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，創下近15年來的新高，造成光伏電纜投資成本過高、風險加大。此外，我國銅礦資源嚴重缺乏、依賴進口，銅導體在生產過程中產生的環保問題也日趨嚴峻。因此，光伏電站建設用電纜采用“以鋁代銅”是降低成本、提質增效的有效途徑和發展趨勢。

1 鋁合金導體的發展

1968年，美國成功研制和生產出可代替銅導體的鋁合金導體，并被應用于各種電線電纜產品中。在近50年時間里，鋁合金導體被廣泛地應用于美國、加拿大等發達國家，已經歷了40多年的運行，累計了大量的生產和負載運行的經驗。

2006年，我國從北美企業引進了先進的鋁合金導體生產技術，使我國鋁合金導體的性能、質量和生產工藝都有了顯著提高，已逐步被國內廣大用戶接受。近年，我國先后公布了國家標準GB/T 29920—2013、GB/T 30552—2014和GB/T 31840.1—2014～GB/T 31840.3—2014，明確了鋁合金導體的性能要求，隨著鋁合金導體的優越性在安裝敷設和使用中逐漸體現，光伏電纜使用鋁合金導體替代傳統的銅導體將成為未來的發展熱點。

2 鋁合金導體的特點

2.1 導電性能

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

2.2 機械性能

由于鋁合金導體加入了硅、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體提高300%、柔韌性比銅導體提高30%、回彈性比銅導體低30%及抗拉強度和屈服強度接近銅導體。

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環境下，也可以保護鋁自身不被腐蝕。同時，鋁合金導體中加入了硅、鐵、銅、鎂、鋅、硼或稀土等多種元素，進一步提高了鋁合金導體的耐腐蝕性能，特別是電化學腐蝕。

2.4 經濟性

在相同在載流量和電壓降要求下，雖然鋁合金導體截面積要比銅導體截面積大一個規格，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低于銅價格，所以鋁合金導體成本比銅導體低約40%。同時，鋁合金擁有良好的機械性能，可使鋁合金導體在施工安裝時降低約30%的費用。

3 國內外鋁合金導體光伏電纜標準

目前，國際上通用的光伏電纜標準有IEC 62930: 2017、 EN 50618: 2014、UL 4703: 2007、德國萊茵TüV集團發布的2 Pfg 1169/08.2007和TüV南德意志集團發布的PPP59074A PPP/2019/00060，國內光伏電纜執行的標準主要有能源行業標準NB 42073—2016、中國電器工業協會標準CEEIA B218.1～CEEIA B218.4—2012、各地方標準等，上述標準中均規定導體材料為銅或鍍錫銅。

為了滿足市場需求、推動新技術應用，德國萊茵TüV集團和TüV南德意志集團先后發布了2 Pfg 2642/11.17和PPP11029A PPP/2019/101457，其規定導體材料為鋁、鋁合金或銅包鋁。目前，我國還沒有針對鋁合金導體的光伏電纜標準，與國際標準存在著一定差距，導致我國生產的光伏電纜成本高而缺乏國際競爭力，加重了國內光伏電站建設的成本。因此，國內光伏電纜行業制定與國際標準接軌的鋁合金導體光伏電纜標準已迫在眉睫。

4 鋁合金導體光伏電纜的特殊要求

4.1 鋁合金導體的要求

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

4.2 金屬鎧裝的要求

光伏發電系統中光伏電纜大多數是裸露在空氣中或穿管后埋地敷設，無論裸露在空氣中敷設還是穿管埋地敷設都難免會受到外部機械應力而損傷，導致輸電線路的短路或斷路等事故，造成重大的經濟損失。所以光伏電纜應根據實際敷設情況適當地增加一層金屬鎧裝層，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，其抗張強度應不小于50 MPa。

4.3 彎曲性能要求

鋁合金導體光伏電纜懸空敷設時，會跟隨著自然風進行來回擺動，為驗證其彎曲性能能夠滿足這種工作狀態的要求，鋁合金導體光伏電纜應進行在導體最高工作溫度下的循環彎曲試驗。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/分鐘（每邊90°作為一個彎曲循環），在整個試驗過程中應在鋁合金導體中施加合適的電流，使鋁合金導體的溫度不低于90℃，鋁合金導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。

圖1 循環彎曲試驗裝置

4.4 耐特殊環境的要求

我國疆域遼闊，日照資源豐富的地區遍布全國，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境復雜多樣。為保證光伏電纜可以適用于各種惡劣的自然環境，光伏電纜應耐低溫、耐臭氧、耐日光老化、耐高溫高濕、耐酸堿、耐鹽霧等特殊環境。

5 結語

通過本文的介紹可知，無論從技術上的可行性、可靠性，還是從經濟效益上來考慮，鋁合金導體光伏電纜比銅芯光伏電纜更能助力我國光伏電纜行業的發展。目前，我國鋁合金導體光伏電纜的標準尚未完善，建議相關單位應及時補充具有指導意義的國家標準，引領我國光伏電纜行業可持續發展。