文 | 牛清華

鋁合金電纜在風(fēng)電場中的應(yīng)用

文 | 牛清華

近年來我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)得到了飛速發(fā)展，風(fēng)電總裝機(jī)量和年度新增裝機(jī)量均居世界前列，但由于風(fēng)電場環(huán)境條件較惡劣，場內(nèi)集電線路的電纜終端、電纜本體等易出現(xiàn)故障，因此不斷采用技術(shù)先進(jìn)和性能可靠的新材料、新工藝來提高集電線路運(yùn)行質(zhì)量對風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行是十分必要的。

電力電纜是風(fēng)電場集電線路的重要組成部分，通常情況下，風(fēng)電場電纜導(dǎo)體的選擇有鋁芯和銅芯兩種。鋁芯電纜與銅芯電纜各有不足，鋁芯電纜的缺點(diǎn)是柔韌性差，反復(fù)折彎易斷裂；穩(wěn)定性較差，易受腐蝕和氧化；電阻率高，比同截面銅芯能耗高，損耗大；延展性差，不便于安裝等。銅芯電纜的缺點(diǎn)是價格高；重量較重；施工及運(yùn)輸成本高。

基于上述現(xiàn)狀，國內(nèi)電纜廠家開始生產(chǎn)鋁合金電纜，目前國內(nèi)生產(chǎn)鋁合金電纜的企業(yè)已有10余家。事實上，早在1968年，美國南方電纜公司就發(fā)明了鋁合金電纜，美國和加拿大等國家至今已有了40多年的應(yīng)用歷史。因此為提高風(fēng)電場集電線路運(yùn)行質(zhì)量并降低工程造價，有必要對鋁合金電纜的產(chǎn)品使用進(jìn)行分析。

鋁合金電纜的特點(diǎn)分析

鋁合金電纜的導(dǎo)體中主要成份有：銅、鐵、硅、鎂、錳、鈦、鉻、鋅、稀土等，其中銅的作用增加了導(dǎo)體在高溫時的電阻穩(wěn)定性；鐵的作用是增加導(dǎo)體的抗蠕變性；鎂的作用是提高導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度；稀土的作用是提高導(dǎo)體的抗腐蝕性能。

一、鋁合金電纜的電氣性能

（一）導(dǎo)電率：鋁合金的導(dǎo)電率介于鋁和銅之間，比銅差，比鋁略優(yōu)。

（二）電纜緊壓特性：鋁合金導(dǎo)體采用分層緊壓絞合技術(shù)，導(dǎo)體的緊壓系數(shù)可達(dá)到0.93，而銅導(dǎo)體的緊壓系數(shù)一般只有0.80。通過最大極限的緊壓，可以彌補(bǔ)鋁合金導(dǎo)體在體積導(dǎo)電率上的不足，使絞合導(dǎo)體線芯如實體線芯一般，明顯降低了線芯外徑，提高了導(dǎo)電性能，因此載流量相同時，鋁合金電纜代替銅芯電纜后的電纜外徑增加不大。

二、鋁合金電纜的機(jī)械性能

銅、鋁、鋁合金（以常用AA8030鋁合金導(dǎo)體為例）的金屬力學(xué)特性對比見表1。

由表1可以看出，硬態(tài)純鋁的伸長率很低，反復(fù)折彎時易損傷或折斷，軟態(tài)純鋁的伸長率比硬態(tài)純鋁有了很大提高，但是其屈服強(qiáng)度只有銅的一半，抗蠕變性差，安裝一段時間后，連接處容易松弛，造成接觸電阻增大，形成安全運(yùn)行隱患。通過表1的比較可以得出鋁合金導(dǎo)體的機(jī)械特性具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（一）高延伸。鋁合金導(dǎo)體退火后的延伸率能達(dá)到30%，接近于銅而遠(yuǎn)高于鋁。這也表明了鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體能承受更大的外力。

（二）強(qiáng)柔韌、易彎曲。安裝時鋁合金導(dǎo)體比鋁導(dǎo)體有更小的彎曲半徑，更容易進(jìn)行接線端子的連接。

（三）抗蠕變性好。鋁合金中的合金元素經(jīng)過特殊的工藝處理，抗蠕變性與壓緊性有了很大提高，當(dāng)導(dǎo)體遇到冷流、過載過熱等極端情況時，也能保證穩(wěn)定的連接。

三、 鋁合金電纜的耐腐蝕性

鋁合金導(dǎo)體中加入的稀有金屬，在化學(xué)性能方面，進(jìn)一步提高了單純以鋁為導(dǎo)體的金屬材料耐腐蝕性能，減少了不同金屬之間的電位差，電位差越小，腐蝕會越輕。合金材料中的稀土元素能夠起到填補(bǔ)表層缺陷、細(xì)化晶粒，消除導(dǎo)體局部腐蝕的作用，同時也帶來鋁的電極電位負(fù)移，具有了陽極效應(yīng)，從而大大提高了耐腐蝕性能。

表1 金屬力學(xué)特性比較表

四、 鋁合金電纜的經(jīng)濟(jì)性能

與銅芯電纜相比，鋁合金電纜的價格優(yōu)勢也比較明顯，同等載流量的鋁合金電纜價格只有銅芯電纜的60%－70%。另外由于重量較輕，也間接降低了安裝成本。

風(fēng)電場中的35kV電纜導(dǎo)體選擇

風(fēng)電場所采用的35kV高壓電纜，起初為了節(jié)省工程造價，導(dǎo)體優(yōu)先選用鋁芯，在滿足電壓降及修正后的載流量的前提下利用經(jīng)濟(jì)電流密度計算合適的電纜截面。

隨著風(fēng)電場數(shù)量增多和運(yùn)行時間推移，鋁芯電纜的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在下列幾個方面：

一、機(jī)械強(qiáng)度差，容易折斷。風(fēng)電場所在地區(qū)環(huán)境比較惡劣，風(fēng)速較大，電纜上塔后受到的風(fēng)荷載較大，尤其是電纜終端處由于傘群的影響，該部位的受風(fēng)面更大，因此更容易出現(xiàn)故障。電纜與導(dǎo)線連接如圖1所示。

二、抗蠕變性較差。風(fēng)電場電纜上塔后，當(dāng)通過導(dǎo)體的電流過大時，鋁導(dǎo)體發(fā)熱發(fā)生蠕變，電纜接頭容易出現(xiàn)松動、變形，導(dǎo)致線路接觸不好，從而引起線路和設(shè)備故障事故。

圖1 電纜與架空線連接圖

三、電阻率高，損耗大。風(fēng)電場選擇電纜導(dǎo)體截面，鋁芯截面要比銅芯截面大很多，如電纜截面選擇過大，電纜長度遠(yuǎn)超過電纜廠家最大生產(chǎn)盤長時，電纜分段及中間接頭增多，這樣對集電線路的長期運(yùn)行是不利的。

基于上述原因，近幾年風(fēng)電場中電力電纜主要采用銅芯。銅芯電纜可以很好的解決鋁芯電纜的各種問題，但是最近幾年我國對銅材的需求量逐漸上升，銅價也不斷上升，無形中增加了許多工程成本，更是增加了施工現(xiàn)場被盜纜的風(fēng)險。此外由于銅芯電纜重量較重，對電纜支架的要求也較高。

鋁合金電纜與鋁芯和銅芯電纜相比確實有很多優(yōu)點(diǎn)，能在許多場合替代它們，而且在GB/T3956－2008《電纜的導(dǎo)體》中增加了鋁合金導(dǎo)體的部分內(nèi)容，因此風(fēng)電場集電線路中采用鋁合金電纜在理論上是可行的。

但風(fēng)電場大量推廣鋁合金電纜仍有一些問題亟待解決：

鋁合金導(dǎo)體根據(jù)所添加的化學(xué)成分不同，其型號多種多樣，而在國內(nèi)規(guī)范中沒有對所添加的化學(xué)成分的說明，因此在招投標(biāo)以及實際供貨時產(chǎn)品易存在差異。

由于鋁合金、鋁、銅導(dǎo)體的膨脹系數(shù)不同，不同導(dǎo)體之間不宜直接連接，需要用過渡端子保證鋁合金導(dǎo)體與銅、鋁導(dǎo)體連接的可靠性，也因此增大了使用的風(fēng)險。

風(fēng)電場采用鋁合金電纜的應(yīng)用案例很少，在高溫、高寒、高海拔、高鹽霧、高溫差等特殊地區(qū)的應(yīng)用中，鋁合金電纜是否比鋁芯和銅芯電纜更可靠也需時間的檢驗。

結(jié)語

經(jīng)過上述分析，鋁合金電纜具有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機(jī)械性能，改善了鋁芯電纜的連接不可靠、機(jī)械性能差和易蠕變等缺點(diǎn)。但考慮到鋁合金電纜還有一些問題亟待完善和解決，建議風(fēng)電場可針對現(xiàn)場情況，特別是針對早期風(fēng)電場的技術(shù)改造中，在集電線路局部或者某一輸電回路對鋁合金電纜進(jìn)行試用，通過在同一運(yùn)行環(huán)境條件下的對比，了解其線路損耗、故障率等方面是否更優(yōu)于銅芯和鋁芯電纜，為以后大量推廣提供實踐經(jīng)驗。

我們有理由相信經(jīng)過時間的檢驗和相關(guān)規(guī)程規(guī)范的逐步完善，在特定場合使用鋁合金電纜是未來電纜行業(yè)的發(fā)展趨勢。

（作者單位：龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司）