风电用铝合金电缆载流量分析

张巍巍，韩晓乐，王 亮，吴建萍

（1.通用电气高压设备（武汉）有限公司，湖北 武汉 430415；2.远东电缆有限公司，江苏 宜兴 214257）

1 引言

风力发电作为一种新型清洁能源，近些年得到了快速发展。随着环境污染的不断加重，传统的发电行业将逐步被清洁能源所取代。风力发电在替代传统能源的过程中，发电成本是考虑的重点。随着国家政策的转变，平价上网是风电发展的大趋势。在此前提下，如何在保证风机发电效率不变的情况下，降低度电成本是风机主机厂商所需要考虑的方向。风力发电受地理位置和风资源的限制，风机的选址成本和风场建设成本很难控制，为了降低风力发电成本，风机主体和施工成本两方面成了各主机商主要考虑的方向。

经过国外长期应用和国内几大主机厂商的验证，铝合金风电电缆已逐步获得行业认可[1]。铝合金电缆通过增大截面可以获得同等的载流能力，电缆的成本可以大幅降低。同时电缆重量也可以大幅降低，对电缆安装敷设提供了更多可选择方式，缩短现场施工周期和降低成本，促进了铝合金电缆在风电平价上网时代的快速发展。因铝合金电缆柔软度差，采用以铝代铜方案时只能用于风机固定敷设段。

2 试验要求

为了保证以铝代铜后电缆具有充足的载流能力，设计时采用提高2 个规格的铝合金电缆来代替铜电缆[2]。

选用240 mm2铝合金电缆和150 mm2铜电缆作为测试样品，采用专用连接端子进行连接，用载流量测试装置进行载流量和温升测试，通过热电偶测试仪来测试铜、铝合金电缆导体、绝缘和护套、连接端子的温度。

3 试验方法及过程

为了减少环境对载流量测试数据的影响，将铜电缆和铝合金电缆进行对接后在同一工况条件下进行载流量测试，测试方法参照TICW 15 载流量测试要求。通过调节输入电流值使导体温度稳定在产品标准声称的温度值（一般为电缆长期运行时允许的最高工作温度），载流量的测试过程应不短于5 h，结束前的30 min 为稳定阶段，在稳定期间应保证环境温度的波动不超过±2 ℃，并要保证导体温度在30 min 内变化不超过工作温度±1 ℃，在稳定的最后5 min 内电流值应保持恒定，其值为该环境温度下的载流量值。

载流量测试如图1所示。

图1 载流量测试

根据IEC 60364-5-52 标准，150 铜电缆载流量小于240铜电缆载流量，初次加载电缆值按铜电缆载流量标准值进行加载。通过持续调节输入电流值大小，直至铜电缆和铝合金电缆导体温度均达到90 ℃时，记录下同等工况下铜电缆和铝合金电缆载流量值，判定两者实际载流能力。

测试过程按以下步骤进行：①按铜电缆5m 与铝合金电缆10 m 取样，中间用专用连接端子连接；②将压接好样品连接到载流量测试设备，测温设备按所需测温点进行连接如图1所示；③按TICW15 标准要求逐步增加电流至设定的载流列，记录各点温度，样品规格及参数如表1所示；④继续增加电流至铜或铝合金电缆导体温度达到90 ℃，记录下端子、导体、绝缘和护套温度、电流大小；⑤继续增加电流至铜和铝合金电缆导体温度均达到90 ℃，记录下端子、导体、绝缘和护套温度、电流大小；⑥测试结束后，关闭输入端，取下电缆待自然冷却。

通过调节输入电流，最终铜铝合金电缆导体温度均达到90 ℃，测试数据如表2所示。从测试数据可以看出，铝合金电缆增大2 个规格后，同等测试条件下，铝合金电缆载流量比铜电缆增大10%左右。铝合金电缆的温升要明显小于铜电缆，以铝代铜后载流能力得到提升。

表1 样品规格及参数

表2 载流量测试数据

4 原理分析

风力发电用铝合金电缆导体参考GB/T 3956 中第二类标准要求，铜电缆参考第五类标准要求。增大2 个规格后，铝合金电缆20 ℃直流电阻小于铜电缆。240 mm2铝合金电缆20 ℃直流电阻标准为0.125 Ω/km，150 铜电缆直流电阻标准为0.129 Ω/km。根据载流量计算公式为：

式（1）中：R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻。

从式（1）可以看出，在同样结构和材料的情况下，载流量与交流电阻成反比。根据交流电阻计算公式R=R´[1+（YS+YP）]，对于铝导体，应单丝表面会形成一层致密氧化膜，单丝之间的邻近效应可以忽略不计，进而额定工作下的交流电阻更小。从以上计算公式可以看出，采用铝导体，工作温度下交流电阻更小，因铝导体直流电阻温度系数要略高于铜导体。

经计算90 ℃下交流电阻如表3所示。

表3 90 ℃下交流电阻

从计算结果可以看出，铝合金电缆增大2 个规格后相比铜电缆具有更小的交流电阻，电缆规格越大差异越明显，对应的电缆载流能力也越大。采用增大2 个规格以铝代铜从载流能力来看可以满足使用要求[3]。

5 结论

铝合金电缆因导体能力比铜差，与铜电缆匹配时需要增加导体截面。铝合金电缆比铜电缆重量轻、成本更低，增大截面后电缆整体成本仍比铜电缆低、重量更轻，更有利于降低风机成本。铜电缆因重量较重，一般采用分段敷设方式，对于塔筒高度较高时，电缆安装比较费时。采用铝合金电缆可以整根吊装，节省了安装空间和周期，大大提高了安装效率，降低了风机造价成本[4]。

铝合金电缆通过增加导体截面，电阻相比于铜电缆更小，载流能力更高。同时，因铝合金电缆主要用于固定敷设段，电缆排列规整，散热性能较好，与铜电缆对接后，比扭转段铜电缆温升更小，传输损耗也更小，风机的发电效率更高。在风电平价上网时代，铝合金电缆将会获得更大的发展空间。