蒋冬平
（晶澳（扬州）太阳能光伏工程有限公司，200436）
Aluminum cable used in large-scale grid-connected PV power station
Jiang Dongping
（Yangzhou JAsolar PV Engineering Co.,Ltd）
【摘 要】随着国内光伏电站建设力度的不断加大，行业建造水平的不断提升，光伏电站单位造价成本在逐步降低，设备和材料的价格越来越透明。在此背景下，想要在保证电站质量和工程建设可行的前提下，进一步降低建造成本，工程中运用新材料是一条科学有效的辟径。本文就铝合金电缆在光伏电站中应用做分析探讨。
【关键词】并网；光伏电站；铝合金电缆；型线绞合
【Abstract】With the domestic PV power station construction efforts continue to increase, the level of the construction industry continues to increase, the unit cost of PV power station continue to lower costs, the cost of equipment and materials and more transparent. In this context, people want to ensure the power plant under construction quality and workable premise, to further reduce construction costs, engineering new materials is a scientific and effective provision of trails. In this paper, aluminum cable in the PV power plants Discussion application for analysis.
【Key words】Grid, PV power station, aluminum cable, twisted wire.
1．引 言
截止2015年年底，我国实现光伏总装机容量43GW，单2015年就新增光伏装机容量15GW。在全国大力开发光伏发电项目的同时，行业竞争越来越激烈，优质的项目越来越少，剩余的环境恶劣地形复杂的项目也随之被加以开发，由于其环境所致，建设成本越来越高，成本控制是每一个光伏发电企业越来越关注的焦点，使用新材料替代传统材料，以得到建设成本的降低，无疑点亮了每一个光伏人的心。随着国家标准的不断更新完善，铝合金电缆的技术不断的进步，最终其性能已经具备代替铜芯电缆，并且在成本上有较大优势。
目前国际上常用的AA8000系列铝合金有AA8176和AA8030两个牌号。美国南方电线公司用的是AA8176， 而美国通用电缆公司用的是AA8030。在此本文主要以国内产品较多的AA8030铝合金电缆在光伏电站中的应用做分析探讨。
2．光伏电站系统结构
目前国内主流的大型并网光伏电站单站装机容量已经达到百兆瓦级。以100兆瓦并网光伏电站为例，一般设置10条35KV集电汇集线路，每条35KV集电汇集线路下挂10个1兆瓦的光伏发电单元。本文主要阐述铝合金电缆在光伏电站中的应用，故主要以单个1兆瓦的光伏发电单元进行分析，1兆瓦光伏发电单元拓扑如下图所示：
典型1兆瓦光伏发电单元拓扑图
3．适用范围
以典型1兆瓦光伏发电单元拓扑图中所示，主要的电缆连接区域为以下几处：
1）光伏组串至光伏直流防雷汇流箱，常用电缆规格为PV1-F 1*4mm?。其电缆一般敷设于光伏方阵檩条空隙内，常年暴露于空气中，且常年经历严寒酷热（国内极端环境温度范围为-45℃至45℃）、紫外线辐射、太阳光辐射等。其电缆间接口采用标准的MC4防水插接头。但规范《GB/T 31840.1-2015 》中明确定义了铝合金电缆的最小截面积为10mm?，且国内没有用于10mm?转4mm?的铜铝防水插接头，并综合考虑该区域电缆的敷设环境，本处区域电缆建议采用标准的光伏防紫外线专用电缆，即PV1-F 1*4mm?电缆。
2）光伏直流防雷汇流箱至并网逆变器，常用电缆规格为ZRC-YJV 0.6/1KV 2*50 mm?（电缆路由在150米内）；本区域电缆属于光伏直流汇流电缆，其通常额定工作电压约为DC 450V~850V，最大工作电压为DC 1000V，回路最大工作电流约为144A（传统16个光伏组串并联汇流为例）。单从工作电压、工作电流和导体截面分析，本区域电缆适用单芯或两芯的铝合金电缆，如直埋，可采用单芯或两芯铠装铝合金电缆。
3）并网逆变器至箱式变压器，常用电缆规格为ZRC-YJV 0.6/1KV 3*185mm?（电缆路由在25米内）；本区域电缆属于光伏并网逆变器直流逆变成交流后输出至箱式升压变压器低压交流侧的电缆，其通常额定工作电压为AC 315V，回路最大工作电流约为1100A（500KW机型）。单从工作电压、工作电流和导体截面分析，本区域电缆适用三芯的铝合金电缆。
4）箱式变压器至35KV开关柜，常用电缆规格为ZRC-YJV 26/35KV 3*70 mm?（电缆路由在500米内）；本区域电缆属于箱式升压变压器就地升压后的中压输电电缆，一般采用直埋的敷设方式，其通常额定工作电压为AC 35KV，回路最大工作电流约为16.5A（1兆瓦光伏发电单元）。单从工作电压、工作电流和导体截面分析，本区域电缆适用三芯铠装铝合金电缆。如箱式升压变压器输出电压为10KV，则此区域电缆根据电压等级做相应调整。
4．性能分析
1）基本性能
由于光伏电站的特殊性，电缆在敷设过程中部分区域会长期受到太阳的照射以及周边环境污染源的直接侵蚀。
相对于桥架敷设/直埋敷设，裸露的电缆绝缘层和护套层在阳光直射下会加快老化速度。但GB/T 31840.1-2015中对于铝合金电缆绝缘层和护套层的技术标准直接沿用电缆绝缘层和护套层的技术指标，故铝合金电缆的抗紫外线性能与铜芯电缆的抗紫外线性能基本一致，具有相同的抗老化性能。
在抗化学腐蚀方面，铝合金电缆和铜芯电缆的护套层抗化学腐蚀性能基本一直，但铝合金导体中含铝量达到98%以上，在其与空气接触部分极易形成氧化铝，而氧化铝的对于酸性、碱性的腐蚀具有极强的抗性，故该特性非常适合光伏电站恶劣的建设环境。
相同载流量下，铝合金电缆截面是铜芯电缆截面的1.5倍，但其柔韧性比铜芯电缆25~30%，弯曲半径仅为电缆外径的7倍，两者非铠装电缆的弯曲半径基本相同。铝合金电缆的重量仅为铜芯电缆的50%左右，大大降低了桥架及其基础的构件成本。
2）机械性能
目前国际上最为先进的铝合金电缆导体紧压工艺为型线绞合技术，其可使铝合金导体紧压系数更高，达到0.95及以上，接近于实心导体，且整个铝合金电缆外表面光滑整洁。铝合金单丝之间紧密贴合。在相同截面积下，采用此种型线绞合紧压技术的铝合金电缆拥有更小的导体直径，更小的电缆外径。型线绞合紧压工艺示意图如下所示：
紧压前 紧压后
为了获得更好的机械性能和电气性能，需要在铝合金电缆绞制完成后、挤包绝缘前进行整体退火热处理，且退火温度需达到360℃~380℃之间。从而获得铝合金单丝断裂伸长率≤10%，拉伸强度在110MPa~150MPa左右的优秀机械性能。
其抗拉强度为铜芯电缆的1.3~1.4倍。抗蠕变性能接近于铜芯导体的电缆蠕性能，更是纯铝导体电缆蠕变量的1/15，其非常适合光伏电站恶劣的敷设环境，非常适合山地光伏电站多变的电缆敷设环境。抗蠕变性能也是铝合金电缆可替代铜芯电缆的关键所在，而纯铝在机械性能上无法做到该点。
3）电气性能
通过高温回炉退火，及科学的元素配比，铝合金电缆的导电率达到铜IACS的61.8%，载流量是铜的79%，详细铝合金与铜的载流量对比表如下所示：
合金电缆载流量表
5．电缆选择
依据铝合金电缆载流量表所示，结合光伏项目环境特点，得出以下电缆选型结果：
1）光伏直流防雷汇流箱至并网逆变器，采用铝合金电缆规格为ZRC-YJLV22 0.6/1KV 2*95 mm?（电缆路由在150米内）；本区域电缆采用直埋土壤的敷设方式。
2）并网逆变器至箱式变压器，采用铝合金电缆规格为ZRC-YJV 0.6/1KV 3*300mm?（电缆路由在25米内）；本区域电缆采用电缆沟或桥架方式敷设。
3）箱式变压器至35KV开关柜，采用铝合金电缆规格为ZRC-YJV22 26/35KV 3*95 mm?（电缆路由在500米内）；本区域电缆采用直埋土壤的敷设方式。
需要指出的是，如无特殊情况，目前光伏电站所有电气设备的引接端子均为铜制，为防止铝合金电缆和铜制端子的接触性化学电腐蚀，在此强调，必须采用专用的铜铝接线鼻子和铝合金电缆进行压接，并用该种鼻子与设备连接。目前国内主要以铜铝摩擦焊接的工艺制作铜铝接线鼻子。
6．效益分析
以2016年6月3日，上海市现货铝均价为12365元/吨，现货铜均价为35510元/吨的，其中铝合金电缆金属原材料成本仅为铜芯电缆金属原材料的35%，通过相同载流量比选，结合国内一线厂家报价，成品铝合金电缆比铜芯电缆报价低15~20%，且铝合金电缆在实际光伏电站建设过程中，施工成本比铜芯电缆低约5%，换算到项目综合造价，上述三部分电缆采用铝合金电缆可节省电缆综合投资25%左右。
7．结语
大型并网光伏电站的不断开发建设，优质平坦的土地资源越来越稀缺，取而代之的是恶劣复杂地形区域，其也越来越多的被用于光伏电站建设，由此带来的集电线路扩长，电缆使用量剧增，造成光伏电站建设成本的不降反升。使用铝合金电缆可有效的节省光伏电站的建设成本。随着铝合金电缆的国家标准不断完善化，它的应用不仅限光伏电站，可用于各行各业，造福全人类的电力事业，减少对铜的依赖，更好的贯彻环保理念。也是一条行之有效的可持续发展道路！
但是铝合金电缆在光伏发电领域的应用时间很短，其稳定性、可靠性、周期性均需要时间去检验，希望大家能理性的选择和应用铝合金电缆。
参考文献：
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论文作者:蒋冬平
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年6月总第211期
论文发表时间:2016/8/12
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