铝合金电缆在风电场中的应用
线缆114商城 / 2016-06-17
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近年来我国的风力发电事业得到了飞速发展，风电总装机量和年度新增装机量均居世界前列，但由于风电场环境条件较恶劣，场内集电线路的电缆终端、电缆本体等易出现故障，因此不断采用技术先进和性能可靠的新材料、新工艺来提高集电线路运行质量对风电场的安全稳定运行是十分必要的。
电力电缆是风电场集电线路的重要组成部分，通常情况下，风电场电缆导体的选择有铝芯和铜芯两种。铝芯电缆与铜芯电缆各有不足，铝芯电缆的缺点是柔韧性差，反复折弯易断裂；稳定性较差，易受腐蚀和氧化；电阻率高，比同截面铜芯能耗高，损耗大；延展性差，不便于安装等。铜芯电缆的缺点是价格高；重量较重；施工及运输成本高。
基于上述现状，国内电缆厂家开始生产铝合金电缆，目前国内生产铝合金电缆的企业已有10余家。事实上，早在1968年，美国南方电缆公司就发明了铝合金电缆，美国和加拿大等国家至今已有了40多年的应用历史。因此为提高风电场集电线路运行质量并降低工程造价，有必要对铝合金电缆的产品使用进行分析。
铝合金电缆的特点分析
铝合金电缆的导体中主要成份有：铜、铁、硅、镁、锰、钛、铬、锌、稀土等，其中铜的作用增加了导体在高温时的电阻稳定性；铁的作用是增加导体的抗蠕变性；镁的作用是提高导体的抗拉强度；稀土的作用是提高导体的抗腐蚀性能。
一、铝合金电缆的电气性能
(一)导电率：铝合金的导电率介于铝和铜之间，比铜差，比铝略优。
(二)电缆紧压特性：铝合金导体采用分层紧压绞合技术，导体的紧压系数可达到0.93，而铜导体的紧压系数一般只有0.80。通过最大极限的紧压，可以弥补铝合金导体在体积导电率上的不足，使绞合导体线芯如实体线芯一般，明显降低了线芯外径，提高了导电性能，因此载流量相同时，铝合金电缆代替铜芯电缆后的电缆外径增加不大。
二、铝合金电缆的机械性能
铜、铝、铝合金(以常用AA8030铝合金导体为例)的金属力学特性对比见表1。
由表1可以看出，硬态纯铝的伸长率很低，反复折弯时易损伤或折断，软态纯铝的伸长率比硬态纯铝有了很大提高，但是其屈服强度只有铜的一半，抗蠕变性差，安装一段时间后，连接处容易松弛，造成接触电阻增大，形成安全运行隐患。通过表1的比较可以得出铝合金导体的机械特性具有以下优点：
(一)高延伸。铝合金导体退火后的延伸率能达到30%，接近于铜而远高于铝。这也表明了铝合金导体比铝导体能承受更大的外力。
(二)强柔韧、易弯曲。安装时铝合金导体比铝导体有更小的弯曲半径，更容易进行接线端子的连接。
(三)抗蠕变性好。铝合金中的合金元素经过特殊的工艺处理，抗蠕变性与压紧性有了很大提高，当导体遇到冷流、过载过热等极端情况时，也能保证稳定的连接。
三、铝合金电缆的耐腐蚀性
铝合金导体中加入的稀有金属，在化学性能方面，进一步提高了单纯以铝为导体的金属材料耐腐蚀性能，减少了不同金属之间的电位差，电位差越小，腐蚀会越轻。合金材料中的稀土元素能够起到填补表层缺陷、细化晶粒，消除导体局部腐蚀的作用，同时也带来铝的电极电位负移，具有了阳极效应，从而大大提高了耐腐蚀性能。
四、铝合金电缆的经济性能
与铜芯电缆相比，铝合金电缆的价格优势也比较明显，同等载流量的铝合金电缆价格只有铜芯电缆的60%-70%。另外由于重量较轻，也间接降低了安装成本。
风电场中的35kV电缆导体选择
风电场所采用的35kV高压电缆，起初为了节省工程造价，导体优先选用铝芯，在满足电压降及修正后的载流量的前提下利用经济电流密度计算合适的电缆截面。
随着风电场数量增多和运行时间推移，铝芯电缆的缺点逐渐显现出来，主要体现在下列几个方面：
一、机械强度差，容易折断。风电场所在地区环境比较恶劣，风速较大，电缆上塔后受到的风荷载较大，尤其是电缆终端处由于伞群的影响，该部位的受风面更大，因此更容易出现故障。电缆与导线连接如图1所示。
二、抗蠕变性较差。风电场电缆上塔后，当通过导体的电流过大时，铝导体发热发生蠕变，电缆接头容易出现松动、变形，导致线路接触不好，从而引起线路和设备故障事故。
三、电阻率高，损耗大。风电场选择电缆导体截面，铝芯截面要比铜芯截面大很多，如电缆截面选择过大，电缆长度远超过电缆厂家最大生产盘长时，电缆分段及中间接头增多，这样对集电线路的长期运行是不利的。
基于上述原因，近几年风电场中电力电缆主要采用铜芯。铜芯电缆可以很好的解决铝芯电缆的各种问题，但是最近几年我国对铜材的需求量逐渐上升，铜价也不断上升，无形中增加了许多工程成本，更是增加了施工现场被盗缆的风险。此外由于铜芯电缆重量较重，对电缆支架的要求也较高。
铝合金电缆与铝芯和铜芯电缆相比确实有很多优点，能在许多场合替代它们，而且在GB/T3956-2008《电缆的导体》中增加了铝合金导体的部分内容，因此风电场集电线路中采用铝合金电缆在理论上是可行的。
但风电场大量推广铝合金电缆仍有一些问题亟待解决：
铝合金导体根据所添加的化学成分不同，其型号多种多样，而在国内规范中没有对所添加的化学成分的说明，因此在招投标以及实际供货时产品易存在差异。
由于铝合金、铝、铜导体的膨胀系数不同，不同导体之间不宜直接连接，需要用过渡端子保证铝合金导体与铜、铝导体连接的可靠性，也因此增大了使用的风险。
风电场采用铝合金电缆的应用案例很少，在高温、高寒、高海拔、高盐雾、高温差等特殊地区的应用中，铝合金电缆是否比铝芯和铜芯电缆更可靠也需时间的检验。
结语
经过上述分析，铝合金电缆具有良好的导电性能和优异的机械性能，改善了铝芯电缆的连接不可靠、机械性能差和易蠕变等缺点。但考虑到铝合金电缆还有一些问题亟待完善和解决，建议风电场可针对现场情况，特别是针对早期风电场的技术改造中，在集电线路局部或者某一输电回路对铝合金电缆进行试用，通过在同一运行环境条件下的对比，了解其线路损耗、故障率等方面是否更优于铜芯和铝芯电缆，为以后大量推广提供实践经验。
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