鋁合金電纜在風電場中的應用

文 | 牛清華

鋁合金電纜在風電場中的應用

文 | 牛清華

近年來我國的風力發電事業得到了飛速發展，風電總裝機量和年度新增裝機量均居世界前列，但由于風電場環境條件較惡劣，場內集電線路的電纜終端、電纜本體等易出現故障，因此不斷采用技術先進和性能可靠的新材料、新工藝來提高集電線路運行質量對風電場的安全穩定運行是十分必要的。

電力電纜是風電場集電線路的重要組成部分，通常情況下，風電場電纜導體的選擇有鋁芯和銅芯兩種。鋁芯電纜與銅芯電纜各有不足，鋁芯電纜的缺點是柔韌性差，反復折彎易斷裂；穩定性較差，易受腐蝕和氧化；電阻率高，比同截面銅芯能耗高，損耗大；延展性差，不便于安裝等。銅芯電纜的缺點是價格高；重量較重；施工及運輸成本高。

基于上述現狀，國內電纜廠家開始生產鋁合金電纜，目前國內生產鋁合金電纜的企業已有10余家。事實上，早在1968年，美國南方電纜公司就發明了鋁合金電纜，美國和加拿大等國家至今已有了40多年的應用歷史。因此為提高風電場集電線路運行質量并降低工程造價，有必要對鋁合金電纜的產品使用進行分析。

鋁合金電纜的特點分析

鋁合金電纜的導體中主要成份有：銅、鐵、硅、鎂、錳、鈦、鉻、鋅、稀土等，其中銅的作用增加了導體在高溫時的電阻穩定性；鐵的作用是增加導體的抗蠕變性；鎂的作用是提高導體的抗拉強度；稀土的作用是提高導體的抗腐蝕性能。

一、鋁合金電纜的電氣性能

（一）導電率：鋁合金的導電率介于鋁和銅之間，比銅差，比鋁略優。

（二）電纜緊壓特性：鋁合金導體采用分層緊壓絞合技術，導體的緊壓系數可達到0.93，而銅導體的緊壓系數一般只有0.80。通過最大極限的緊壓，可以彌補鋁合金導體在體積導電率上的不足，使絞合導體線芯如實體線芯一般，明顯降低了線芯外徑，提高了導電性能，因此載流量相同時，鋁合金電纜代替銅芯電纜后的電纜外徑增加不大。

二、鋁合金電纜的機械性能

銅、鋁、鋁合金（以常用AA8030鋁合金導體為例）的金屬力學特性對比見表1。

由表1可以看出，硬態純鋁的伸長率很低，反復折彎時易損傷或折斷，軟態純鋁的伸長率比硬態純鋁有了很大提高，但是其屈服強度只有銅的一半，抗蠕變性差，安裝一段時間后，連接處容易松弛，造成接觸電阻增大，形成安全運行隱患。通過表1的比較可以得出鋁合金導體的機械特性具有以下優點：

（一）高延伸。鋁合金導體退火后的延伸率能達到30%，接近于銅而遠高于鋁。這也表明了鋁合金導體比鋁導體能承受更大的外力。

（二）強柔韌、易彎曲。安裝時鋁合金導體比鋁導體有更小的彎曲半徑，更容易進行接線端子的連接。

（三）抗蠕變性好。鋁合金中的合金元素經過特殊的工藝處理，抗蠕變性與壓緊性有了很大提高，當導體遇到冷流、過載過熱等極端情況時，也能保證穩定的連接。

三、 鋁合金電纜的耐腐蝕性

鋁合金導體中加入的稀有金屬，在化學性能方面，進一步提高了單純以鋁為導體的金屬材料耐腐蝕性能，減少了不同金屬之間的電位差，電位差越小，腐蝕會越輕。合金材料中的稀土元素能夠起到填補表層缺陷、細化晶粒，消除導體局部腐蝕的作用，同時也帶來鋁的電極電位負移，具有了陽極效應，從而大大提高了耐腐蝕性能。

表1 金屬力學特性比較表

四、 鋁合金電纜的經濟性能

與銅芯電纜相比，鋁合金電纜的價格優勢也比較明顯，同等載流量的鋁合金電纜價格只有銅芯電纜的60%－70%。另外由于重量較輕，也間接降低了安裝成本。

風電場中的35kV電纜導體選擇

風電場所采用的35kV高壓電纜，起初為了節省工程造價，導體優先選用鋁芯，在滿足電壓降及修正后的載流量的前提下利用經濟電流密度計算合適的電纜截面。

隨著風電場數量增多和運行時間推移，鋁芯電纜的缺點逐漸顯現出來，主要體現在下列幾個方面：

一、機械強度差，容易折斷。風電場所在地區環境比較惡劣，風速較大，電纜上塔后受到的風荷載較大，尤其是電纜終端處由于傘群的影響，該部位的受風面更大，因此更容易出現故障。電纜與導線連接如圖1所示。

二、抗蠕變性較差。風電場電纜上塔后，當通過導體的電流過大時，鋁導體發熱發生蠕變，電纜接頭容易出現松動、變形，導致線路接觸不好，從而引起線路和設備故障事故。

圖1 電纜與架空線連接圖

三、電阻率高，損耗大。風電場選擇電纜導體截面，鋁芯截面要比銅芯截面大很多，如電纜截面選擇過大，電纜長度遠超過電纜廠家最大生產盤長時，電纜分段及中間接頭增多，這樣對集電線路的長期運行是不利的。

基于上述原因，近幾年風電場中電力電纜主要采用銅芯。銅芯電纜可以很好的解決鋁芯電纜的各種問題，但是最近幾年我國對銅材的需求量逐漸上升，銅價也不斷上升，無形中增加了許多工程成本，更是增加了施工現場被盜纜的風險。此外由于銅芯電纜重量較重，對電纜支架的要求也較高。

鋁合金電纜與鋁芯和銅芯電纜相比確實有很多優點，能在許多場合替代它們，而且在GB/T3956－2008《電纜的導體》中增加了鋁合金導體的部分內容，因此風電場集電線路中采用鋁合金電纜在理論上是可行的。

但風電場大量推廣鋁合金電纜仍有一些問題亟待解決：

鋁合金導體根據所添加的化學成分不同，其型號多種多樣，而在國內規范中沒有對所添加的化學成分的說明，因此在招投標以及實際供貨時產品易存在差異。

由于鋁合金、鋁、銅導體的膨脹系數不同，不同導體之間不宜直接連接，需要用過渡端子保證鋁合金導體與銅、鋁導體連接的可靠性，也因此增大了使用的風險。

風電場采用鋁合金電纜的應用案例很少，在高溫、高寒、高海拔、高鹽霧、高溫差等特殊地區的應用中，鋁合金電纜是否比鋁芯和銅芯電纜更可靠也需時間的檢驗。

結語

經過上述分析，鋁合金電纜具有良好的導電性能和優異的機械性能，改善了鋁芯電纜的連接不可靠、機械性能差和易蠕變等缺點。但考慮到鋁合金電纜還有一些問題亟待完善和解決，建議風電場可針對現場情況，特別是針對早期風電場的技術改造中，在集電線路局部或者某一輸電回路對鋁合金電纜進行試用，通過在同一運行環境條件下的對比，了解其線路損耗、故障率等方面是否更優于銅芯和鋁芯電纜，為以后大量推廣提供實踐經驗。

我們有理由相信經過時間的檢驗和相關規程規范的逐步完善，在特定場合使用鋁合金電纜是未來電纜行業的發展趨勢。

（作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司）