光伏专用电缆的设计与应用

黄鹏程，王 瑛，张 悦

（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

近年来，随着国家可再生能源扶持政策的不断推出、人们生态环保意识的逐渐提高[1]，全国各地积极开展光伏等新能源发电项目的建设工程。自2003年以来，我国光伏产业年增长速度超过30%[2]，光伏产业的发展带动了与之相关的产业及产品的飞速发展，光伏专用电缆就是其一。

光伏专用电缆又称为汇流小线，主要用于传输光伏电池板所产生的直流电能，凭借其优越的全天候能力和耐磨损能力，成为光伏行业的专用电缆，同时也是光伏工程金字塔结构中处于最基层的电能量传输媒介。

在一般的集中式地面光伏工程中，光伏专用电缆常用于连接光伏电池组件与直流汇流箱，在应用与施工方面有以下特点。

a）光伏电站组件布置面积大，直流侧汇流级数多[3]，导致线缆用电较大。

b）电缆单价便宜，例如PV1-F-1×4型光伏专用直流电缆采购及施工价格共计6.5元/m[4]。

c）由于地形不同，造成不同汇流箱区域内，光伏专用电缆走向差异较大，增加了设计方与施工方的工作量。

d）与升压站（开关站）相比，光伏场区内光伏专用电缆敷设的施工难度低，工程量大，施工单位不正规，配备的施工人员整体素质较低，存在野蛮施工、电缆浪费等现象。

e）光伏场区负责电缆敷设的施工人数众多，一定程度上加大了施工管理的难度。

1 光伏专用电缆的选择

1.1 电缆的应用及选型原则

在地面光伏单项工程中，太阳能电池组件与组件之间，由电池组件背面自带的长约1 m的线缆通过公母插头实现连接。一组电池组件串联之后（以245 Wp电池组件为例，22块电池组件组成1串），该串两端+、-极，需分别引出1路单芯电缆至汇流箱，该段引出电缆一般均采用光伏专用电缆。光伏系统中专用电缆的选择需考虑如下因素[5]，包括电缆的绝缘性能、电缆的耐热阻燃性能、电缆的防潮，防光(抗辐射)性能、电缆的敷设方式、电缆导体的材料(铜芯，铝芯)、电缆截面的规格。

1.2 电缆型号

与YJV-0.6/1kV 1×4 mm2电缆（铜导体，交联聚乙烯绝缘，聚氯乙烯护套）相比，PV1-F1×4 mm2型光伏专用电缆，其导体材料为镀锡铜绞线，绝缘层为低烟无卤聚烯烃，护套材质为低烟无卤聚烯烃。由于光伏电站均建在室外，日照时间长、环境温度高、水分迁移现象严重[6]，光伏专用电缆一般使用双层绝缘外皮，具有优越的防紫外线、水、臭氧、酸、盐的侵蚀能力，优越的全天候能力和耐磨损能力。依据光伏组件功率大小的不同，光伏专用电缆有截面积为2.5 mm2、4.0 mm2、6.0 mm2、10.0 mm2、16.0 mm2等几种规格。

PV1-F型光伏专用电缆参数规格要求可参见德国莱茵检测认证机构TUV发布的2 Pfg 1169/08.2007 Requirements for Cables for Use in Photovoltaic Systems。供应厂商提供的PV1-F型光伏专用电缆参数规格见表1。

1.3 电缆颜色

实际工程应用中，供应商提供的光伏专用电缆外皮颜色默认为黑色。本文推荐今后的地面光伏项目中采购红色、蓝色的光伏专用电缆，具体定义为红正蓝负，以区别极性。传统的光伏项目中，施工单位会在黑色光伏专用电缆上安装标示用套管，如果在此基础上，采用红蓝电缆，将能有效地减小光伏组件错接线的概率。

2 光伏专用电缆敷设的优化设计

2.1 光伏组件的布置

光伏组件不同的布置对光伏专用电缆的数量有一定的影响，优秀的布置形式不仅节省光伏板、汇流箱占光伏场内的面积，同时可以大大缩减光伏专用电缆的用量。图1、图2以某工程1个汇流箱区域内为例，设计了2种不同的光伏组件布置方案。

图1、图2中，汇流箱均为16进1出汇流箱，串光伏组件组成1个光伏单列。布置方案二的优势在于大部分电缆段沿着光伏组件支架檩条敷设，一定程度上减少了直埋管材的使用，但是实际工程中往往要综合考虑征地范围、地形条件等限制因素，所以采取布置方案一的情况并不少见。

表1 光伏专用电缆参数规格表

图1 光伏组件布置方案一

2.2 光伏专用电缆敷设方式

光伏专用电缆的敷设，应根据具体工程现场实际情况，综合采用地下直埋敷设、沿光伏组件支架每台汇流箱连接16串光伏组件，每串光伏组件由22块245 Wp多晶硅太阳能电池板串联而成，每2檩条敷设、架空穿管敷设、架空穿电缆槽盒敷设等方式。

图2 光伏组件布置方案二

2.2.1 电缆埋管

假定每串光伏组件与汇流箱之间采用2根PV1-F 1×4 mm2型光伏专用电缆连接。该电缆全线穿管保护，建议优先考虑沿光伏组件支架U型檩条敷设，其次考虑电缆入地段穿PVC管敷设。

如图3所示，PVC埋管为南北走向的光伏专用电缆提供通道（图中埋管考虑采用内径50 mm的PVC管）。

图3 入地段电缆埋管敷设路径

2.2.2 电缆穿管

对于上述电缆埋管，需要光伏专用电缆从组件支架檩条（标高约+1.5m）敷设至地下（约-0.7 m），无形之中会增加电缆的用量。为优化电缆走向、节约电缆用量，跨越东西方向两个光伏组件单列之间的间隙的光伏专用电缆，无需考虑入地，直接穿保护管架空敷设，如图4所示。

图4 电缆穿管架空敷设路径

图4中，架空穿管的方案，可以采用电缆槽盒、PVC管，或U型导槽。用电缆槽盒作为架空穿管的方案见图5。

图5 光伏专用电缆沿槽盒敷设断面图，mm

2.3 电缆长度的统计

以1个汇流箱区域内光伏专用电缆长度统计为例。1个16进1出汇流箱需接入32根PV1-F 1×4 mm2光伏专用电缆。

考虑到电缆长度统计的便利性、以及考虑足够的余量，故统计长度前可以做适当的简化、近似处理。

a）汇流箱安装位置处的两串光伏组件引出的2根光伏专用电缆的长度忽略不计。

b）剩余30根电缆，每根电缆考虑引入地下1次，引出地上1次。

c）每次引入地下，或引出地上，考虑垂直距离3 m。

在此原则下，光伏专用电缆长度统计的工作量将变得简便。经计算，图1中汇流箱区域内32根光伏专用电缆总长约950 m，若10 MW地面光伏场地内的120个汇流箱，每个汇流箱区域均同图1一样布置，那么10 MW地面光伏项目需光伏专用电缆114 km，乘以施工损耗系数1.05倍[7]等于119.7 km。

3 光伏专用电缆设计和施工中存在的问题

光伏专用电缆是光伏发电项目中的一大“盲点”。无论是设计方还是施工方都缺乏对光伏专用电缆的重视。下面就存在问题进行论述。

a）电缆走向方案不明确：由于单项工程中光伏专用电缆用量巨大，电缆敷设图纸只是示意电缆走向，施工单位即使依据该图纸敷设，由于现场地理情况约束，也可能会引起电缆部分走向有较大的偏差。

b）施工人员资质：由于光伏场区施工工程量大、技术含量不高，故项目单位在选择施工单位及施工队伍时要求不高，往往有很多未经过专业培训或缺乏相关经验的施工人员混杂其中，导致施工对图纸的理解部分有偏差，甚至存在不按图施工、施工浪费的现象。

c）野蛮施工：为加强供电可靠性，光伏专用电缆通常设计为全线穿PVC敷设，过路段穿钢管敷设，但是在施工现场，为加快施工进度、加大施工便利性，施工单位可能采取全线直埋敷设的方式，仅在电缆引上处穿PVC管保护。电缆直埋段，即使施工单位采取穿PVC管保护的措施，也不一定会在两段PVC管之间用中间连接管固定，为光伏发电可靠性留下隐患。

d）施工浪费：光伏专用电缆基数庞大（一个30MW地面光伏工程，光伏专用电缆用量约为11 520根），如果每根电缆都有一定的误差，则一个光伏电站光伏专用电缆实际用量必定与设计用量有较大的出入。以30 MW光伏发电项目为例，一般设计图纸中只给出光伏专用电缆的总量，并未具体深化每根电缆的用量、走向和接线方式，而现场实际施工时，电缆敷设人员切割电缆时，预留了较大长度的电缆余量。若按每根电缆多施放了5 m考虑，30 MW光伏项目共计11 520根电缆，将造成50 km光伏专用电缆的浪费。施工现场经常产生如下一些光伏电站施工通病：例如，一根内径50 mm的PVC管内合穿16根光伏专用电缆，导致16根电缆的包络外径的1.5倍大于PVC管内径、或16根电缆总截面超过PVC管截面的60%，违反了施工安装规范；PVC管引入地处，PVC管未安装在光伏组件的正下方，往后几年长期的暴晒、雨淋可能会影响PVC管、以及光伏专用电缆的使用寿命。

e）电缆质量：例如供应商的光伏专用电缆可能存在短尺（电缆外皮标称长度为1 m的电缆实测长度为0.94 m）的现象，致使实际到货的电缆数量短缺。

4 小结

本文针对光伏专用电缆的选型、敷设方式进行优化，简述目前工程实际中设计、施工过程中存在的问题，为今后光伏专用电缆工程设计及施工提供借鉴。光伏专用电缆的敷设，应根据具体工程现场实际情况，综合各类敷设方式，以达到耗材最省，工程量最少的目的。设计院在设计时应充分考虑现场的实际情况，施工单位要加强施工管理。

[1] 张望,杨立芬.光伏发电场场内电缆敷设问题[J].工程技术,2014（8）:216-217.

[2] 代康,吴东艳,漆钜虹.光伏电缆技术简介[J].中国通信学会2010年光缆电缆学术年会论文集:438-455.

[3] 张彦昌,石巍.光伏电站直流汇流电缆选型[J].电力建设,2014,35（2）：113-116.

[4] 王超.基于汇流箱布置对光伏区电缆敷设成本的研究[J].电力科技,2014（19）：182.

[5] 沈辉,曾祖勤．太阳能光伏发电技术[M]．北京：化学工业出版社，2005.

[6] 汪婷婷,张恬,张梅,等.光伏系统电缆设计选型优化研究[J].太阳能，2013（11）：13-16.

[7] 中国电力工程顾问集团西南电力设计院.GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007：18.