陈志刚，秦本才

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200241；2.上海电气风能有限公司，上海 200241）

风电机组使用铝电缆替代铜电缆的可行性分析

陈志刚1，秦本才2

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200241；2.上海电气风能有限公司，上海 200241）

本文介绍了风电场使用的电缆种类及性能要求，分析了在铜电缆的价格不断攀升的情况下，在风电机组中使用铝电缆替代铜电缆的可行性，并通过案例介绍对铝电缆在技术、工艺、成本等方面进行了可行性分析。

风电；铝电缆；载流导体；电化学腐蚀

0 引言

随着煤炭、石油等传统能源价格的不断上涨，人们日益把希望转向新能源的发展，而风电是近几年发展最为迅速的绿色能源。

新兴的风电市场为竞争激烈、日趋饱和的电缆行业提供了难得的机会。在风电机组中，有用于机舱内的软电线、控制电缆，有用于塔架内的塔架电缆等。以一台1.25MW的风电机组为例(塔架和机舱内)，塔架高度一般为90m左右，仅电力电缆就需要约1km左右。以1个50MW的风场计算，则需要电力电缆40km[1]。《新兴能源产业发展规划》中预计,到2020年，风电装机接近150GW的规划，风电用电缆市场需求巨大[2]。

但是随着国际铜价的不断攀升，传统以铜为主要材料的铜电缆（铜在整个电缆中占的成本达到70%以上）价格也水涨船高。在可实现同样电气性能的前提下，寻找价格比等品质铜电缆低的载流导体有助于大幅降低风电场的建设成本。

1 风电机组使用的电缆种类及性能要求

1.1 风电机组使用的电缆种类

(1)连接机舱和塔筒部位的抗扭转型电缆

该种电缆通常称为扭缆。电缆能随风电机组偏航不断正反向旋转，对电缆的柔软性、抗张强度、抗扭转、耐低温、耐紫外线(耐候性)、耐盐雾腐蚀、阻燃等众多技术指标都有较高要求[3](具体根据风电机组运行要求和环境而定)。

(2)机舱中连接用的耐高温电缆；

(3)设备、仪器、仪表用屏蔽型控制电缆；

(4)数据连接线；

(5)低压柔性电缆；

(6)中、高压电缆等。

1.2 风电场用电缆性能要求

1.2.1 满足常规电缆的性能要求

(1)电气性能（耐电压、导体电阻和绝缘电阻等）；

(2)绝缘和护套机械物理性能；

(3)结构尺寸；

(4)导体（一般为5类导体）。

1.2.2 特殊性能要求

(1)电缆的寿命要求（一般要求20年）；

(2)护套耐油性能要求；

(3)护套耐紫外线（耐日光）要求；

(4)护套耐海水要求等。

2 风电载流导体使用铝材的可行性分析

长期以来，人们在导体的选择上，通常是以铜为主。认为铜导体在电气性能及可靠程度上都高于其他导体。但随着技术的进步，包括铜铝连接、铝铝连接技术工艺的提高，以及铝合金等新材料的研发，铝导体类电缆的使用已经越来越广泛。铝合金电缆材质较软、牢固性和抗压性很高，在电缆相对重要的衰减率方面也仅比铜电缆略逊2%－4%。

对于风电场的电力线缆系统建设，也已具备选用铝材质线缆的条件。可根据布线方式（架空或地埋）的不同，选用不同规格和型号铝材线缆；对于架空电缆，铝特有的防腐性能来自铝表面与空气接触自然形成的氧化层，这种氧化层能耐受多种腐蚀。从单纯的金属特性看，铝的抗腐蚀性能优于铜。铝在空气中很快形成一层厚度约为2×10-4mm的致密氧化膜，防止内部的金属被进一步腐蚀；对于地埋电缆，可根据风电场的土壤性质，碱性土壤和某些类型的酸性土壤环境对金属有较大的腐蚀性，可以有针对性地选择铠装的铝材多芯电缆。

3 风电机组中铝电缆替代铜电缆选型分析

3.1 铝电缆载流量分析、线径对比和固定要求

3.1.1 国内某风电机组厂家2MW机型概况

发电机容量2100kW，发电机定子额定线电流为1458A(690V)，转子额定线电流为533A(0-750V),系统供电额定电流为66A(400V),变流器位于塔底，塔筒内直线段电缆包括三部分:

（1）发电机定子(三角接法)线电流为1458A；

（2）发电机转子(三角接法)线电流为533A；

（3）系统供电额定单根电流为66A。

3.1.2 铜电缆和铝电缆选型参数对比及载流量核算[4]

该2MW机型目前使用的铜电缆为国内某电缆厂家生产的交联聚乙烯电缆,在40°空气中敷设,单芯电缆品字形排列（表1为核算过程，表2、表3为折算后理论值，表4为铝电缆型号及安装要求）。

表1 国内某风电机组厂家2MW机型理论核算过程

表2 铜电缆选型规格（按照垂直品字形空气中敷设方式）

表3 铝电缆选型规格（按照垂直品字形空气中敷设方式）

表4 铝电缆型号及安装要求

由于塔筒直线段电缆90%直线固定敷设，夹块固定，只承受较小的重力拉力，10%弯曲进入柜体部分，原电缆托架按照15D外径设计（一般设计要求为20D），现略放大，即增加电缆托架的弯角半径，完全可满足铝电缆的弯曲半径要求。

3.2 铝电缆接头及抗电化学腐蚀解决方案

3.2.1 铜铝连接的接头技术解决方案

风电机组内部电缆接头主要有扭缆处的铜铝电缆连接及塔底铝电缆至柜体铜排的连接，主要克服铜、铝导体直接接触时的电化学腐蚀问题。（电化学腐蚀的概念：铜、铝直接接触面在空气中水分、二氧化碳和其他杂质的作用下极易形成电解液，从而形成的以铝为负极、铜为正极的原电池，接触电阻增大。）

解决措施：选用进口过渡接头，过渡段采用高温摩擦焊固态焊接技术，原子充分融合，性能稳定，电阻接近铝线电阻，选用压接工具进行压接，接头处可靠稳定，外层绝缘处理采用密封绕包加填充剂的方式，压接及密封效果见图1。

3.2.2 铝电缆的抗氧化及膨胀问题

铜铝材料特性对比如表5所示。铝铝之间，即铝电缆之间是同材质铝材连接器，膨胀系数一致，线性膨胀系数微米级别，与铜的膨胀系数相差不大，加之电缆弯曲段存在余量，线性膨胀不影响系统运行。

铜和铝比较，铝在空气中更抗氧化。虽然铝比铜活泼，但铝有固有特性。

图1 铝电缆接头处理

表5 铜铝材料特性对比

表6 国内某风电机组厂家2MW机型塔筒电缆费用核算

（1）铝表面与空气接触时形成薄而坚固的氧化层，这种氧化层（ Al2O3 ）阻止内部金属继续被氧化，特别耐受各种形式的腐蚀；（注：氧化膜很薄，为8-10 μm，铝电极两端加上电势差后，仍能激发铝内的电子作定向移动，氧化膜因为厚度小并不能提供很大的电阻，导电性没有太大变化。）

（2）电缆绝缘层和外护套均采用橡胶材料，接头处多层绝缘及热缩和密封剂处理，如图1所示。金属导体基本与外界隔绝，杜绝腐蚀；

（3）关于损耗[5]

P=I2R，取决于电阻R=ρL/S，电阻取决于截面、长度、电阻率，长度相等，则：172/185= 0.93 ；282/300= 0.94。

计算可知，铝电阻率略高，但截面积提高，损耗基本一致，不影响整个机组的供电系统。

4 铜、铝电缆经济性对比分析

同样以国内某风电机组厂家2MW机型为例，假设风电机组塔筒高度为80m，分别按照当前风电机组塔筒内电缆分段敷设和整根敷设两种方案，对单台风电机组塔筒内电缆费用进行初步核算，如表6所示。

由分析可知，在风电机组中仅塔架电缆采用铝电缆一项，即可比原来的铜电缆方案节约成本40%以上，若在整个风电场中推广，带来的经济效益会更可观。铝电缆应用的技术条件已经成熟，加上铝电缆制造工艺水平的提高，铝电缆已经可以与传统铜电缆相媲美。

5 结论

通过上述分析，在风电机组中使用铝电缆替代铜电缆的方案是可行的，在实现同样的电气性能的前提下，铝质电缆比等品质铜质电缆具有更好的经济效益，这可大幅降低风电场建设成本。面对不断攀升的铜价，铝的价格相对稳定，且铝元素在地壳中的储量非常丰富，不仅在原材料供应方面存在优势，在质量上也有提高。随着铝电缆制造水平的不断提高及无缝焊接技术等先进工艺的运用，原先铝电缆应用中遇到的诸多难题得到了解决，使得铝电缆的推广应用成为了可能。

[1] 国家电线电缆质量监督检验中心上海电缆研究所.风力发电机用电缆技术性能及其开发进展[R].2001.

[2] 李俊峰,等.中国风电发展报告2011[R].北京:中国环境科学出版社,2011.

[3] 朱永强, 王伟胜.风电场电气工程[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4] 陈志刚,秦本才.风电电缆应用综合分析报告[R].上海电气风电设备有限公司,2012.

[5] 电线电缆手册编委会.电线电缆手册(第2册)[M].北京:机械工业出版社,2001.

Feasibility Analysis of Using Aluminum Cable Instead of Copper Cable in Wind Turbine

Chen Zhigang1, Qin Bencai2
(1. Shanghai Jiao Tong University Department of Electrical Engineering, Shanghai 200241, China;
2. Shanghai Electric Wind Energy Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

This paper introduced the requirements of cable types and properties of wind turbines. It also analyzed the background of copper cable prices and the feasibility of using aluminum cable in a wind turbine instead of copper cable. Through a case, this paper carried out the feasibility analysis of aluminum cable in terms of technology, process, cost ,etc.

wind power; aluminum cable; current-carrying conductor; electrochemical corrosion

TM614

A

1674-9219(2013)09-0104-04

2013-04-15。

陈志刚（1984-），男，硕士，工程师，主要从事大型风电机组电气工程研究工作。