风机低压导体技术方案及经济性研究

风机低压导体技术方案及经济性研究

黎光辉 1

1 中国电建集团贵州工程有限公司 贵州省贵阳市 550000

[摘要] 目前全球正在大力发展清洁能源建设，国家发改委十四五规划明确提出“加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，有序发展海上风电，加快西南水电基地建设，安全稳妥推动沿海核电建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右”，在这个全球能源环境的大背景下，清洁能源项目将得到大力推广，风电作为清洁能源的重中之重，每年的装机量和发电量占比逐年稳步提升，而其中风机低压导体的技术方案和经济性研究就显得至关重要。

[关键词] 风电项目；低压导体；导线截面；电缆载流量；经济性电流密度

1. 引言

全球范围内，应对全球气候变暖已成为各国都需要面对的难题，为了减少碳排放，碳中和应运而生。国际上应对全球气候变暖的政策框架主要包括的产业政策有碳税、碳排放权交易等碳定价政策，以及绿色金融政策。传统火电项目的碳排放已然不能满足碳中和政策，风电项目作为清洁能源，在我国得到了大力推广，在“十四五”期间需保证风电年均新增装机5000万千瓦以上。基于这个大环境下，风电项目将更加炙手可热，而电缆作为输送电能的主要载体，因其成本在整个风电项目占比较小而往往得不到重视，本文旨在通过分析风机低压导体的最佳导体型式、载流量和经济性指标，对后期风电项目建设和电缆选型及采购有指导意义。

2. 总述

风电项目中，风机低压导体包括两个部分，第一部分为风力发电机至塔筒底部电控柜的低压导体，一般为0.69kV或者0.95kV母线或电缆，由风机整机厂商设计和供货；第二部分为风机塔筒底部电控柜至箱变的低压导体，一般为0.69kV或者0.95kV铜芯或铝芯电缆，由设计单位选型EPC总承包单位采购。笔者通过接触公司大量EPC总承包项目，认为风机低压侧导体选型和配置，不管是风机整机厂商还是设计院，均存在很多不合理的地方。

其中风力发电机至塔筒底部电控柜的低压导体，国内主流风机厂商普遍采用铜芯或铝合金电缆，也有部分风机厂商采用低压母线槽或管型母线。因该部分风机低压导体由风机整机厂商设计和供货，本文就不做详细论述，本文着重对风机塔筒底部电控柜至箱变的低压导体选型和方案进行分析研究。

3. 电缆技术方案

1. 材质的选择

风力发电机至塔筒底部电控柜的低压导体一般情况下选择铜芯电缆，因铜芯电缆具有较高的载流量和安全系数，除了铜导体还可选择铝/铝合金导体（参照GB/T 3956-2008，GB/T 30552-2014，NB/T 42051-2015）；由于目前大容量风机的低压侧电流多在3000A甚至以上，需要大量的电缆并联，给采购和施工带来不小的麻烦。

2. 电缆选型基本技术要求

目前风电项目对电缆的基本要求有，电缆芯数采用三芯电缆作为相线，额外增加两至三根单芯或三芯铠装电缆作为PEN线；导体绝采用交联聚乙烯绝缘材料XLPE；导体护套采用聚氯乙烯护套材料PVC；金属铠装采用钢带铠装；敷设方式采用每相采用多根电缆并联形式，经基础埋管（非磁性材料导管）穿管敷设后，再由风机基础出口经地下直埋敷设到塔外变压器低压侧；或在风机基础之上覆土内敷设。

3. 影响电缆载流量的相关系数

参照国标GB/T 16895.6-2014，为了满足正常工作条件下电缆导体和绝缘的合理寿命，以电流持续期间产生的热效应为条件，导体允许的载流量应根据电缆的敷设方式和敷设处的环境温度进行校正。校正系数K=K1*K2*K3，其中 K1为温度校正系数，K2为敷设方式校正系数，K3为电缆排布载流量修正系数。

4. 母线槽技术方案

风力发电机至塔筒底部电控柜的低压导体可以采用低压密集母线槽方案。母线槽是由铜、铝母线柱构成的一种封闭的金属装置，用来为分散系统各个元件分配较大功率。母线槽特点是具有系列配套、商品性生产、体积小、容量大、设计施工周期短、装拆方便、阻燃、安全可靠、使用寿命长。风机低压侧一般都是大电流，电流往往能达到2000-5000A，并联低压电缆的话需要数十根以上，用母线槽可以很好节约成本的同时便于施工和维护。

采用母线槽的技术方案，只需考虑材质是采用铜材或铝材，不需要像电缆一样需要考虑温度系数、同时敷设系数等。计算出风机低压侧的电流后，选取能满足载流量要求和动热稳定性对应截面的母线槽即可。由于母线槽的密闭性，在风电场这种环境极度恶劣或极寒的天气下可以保证设计使用寿命，又同时可以做到终身免维护。

5. 经济性电流密度

考虑风机低压导体的经济性电流密度，导线截面影响线路投资和电能损耗，为了节省投资，要求导线截面小些；为了降低电能损耗，要求导线截面大些。综合考虑，确定一个比较合理的导线截面，称为经济截面积，与其对应的电流密度称为经济电流密度。

1. 降低线损的主要措施

选定负荷中心的最佳位置，减少或避免供电半径过长。提高负荷功率因数，尽量使无功就地平衡。减少输配电层次，也就是说减少变压次数，提高输电电压的等级。

按经济电流密度选择供电线路的截面积。选择导线既要考虑经济性，又要考虑安全性。导线截面大，线损就小，但会增加投资﹔导线截面小，线损就大，满足不了今后发展的需要，而且安全系数降低。在实际工作中，最好的办法就是按经济电流密度来选择导线的截面面积。

（2）按照经济电流密度选取电缆截面

经济电流密度与年最大负荷利用小时数成正比，年负荷利用小时数越大，负荷越稳定，损耗越大，经济截面就越大，经济电流密度就会减小。

经过计算出导线的经济截面后，还要校正其允许载流量和机械强度，风机塔筒底部至箱变低压导体一般敷设在风机基础内或基础之上的土壤中，可不进行机械强度校正；若该段低压导体通过架空敷设至箱变低压侧，则需要同时进行载流量和机械强度校正。

6. 应用实例

通过上述方法系统的对公司EPC总承包的风电项目进行风机塔筒底部电控柜至箱变的低压导体进行验算，取得了不错的成果。设计单位往往在电缆选型上比较保守，多级放大电缆截面造成资源浪费，给总包单位增加建设成本。

河南某70MW风电项目，风机采用4.5MW机型，设计单位按照风机厂家对风机塔筒底部电控柜至箱变的低压导体推荐，选用了20根ZR-YJY22-0.6/1-3x240mm²的铜芯电缆，通过采用上述方法进行验证，采用16根240mm²截面电缆即可满足载流量、热稳定性、动稳定性要求。本项目共有15台风机，每台风机节约240mm²电缆长度160m（4根40m长），整个项目共计节约240mm²电缆长度2400m，按照当期市场价格约500元/米，为公司节约造价约120万元。

根据低压导体的选取原则和经济性电流密度验算方法，在其他几个项目陆续取得了不小成果。目前全球铜价的持续走高，更值得推荐风力发电机至塔筒底部电控柜的低压导体采用母线槽，同时改用塔筒直接架空导线或者母线槽至箱变低压侧套管，这样低压导体长度往往能由40-60m缩短到15m甚至更短。

7. 结论

近年以来我国的经济水平已经发展到了一个新阶段，正在为建设全面小康社会努力奋进，国内生产总值连年保持高速增长，也对低压导体的选型提出了更高的要求。通过对低压导体按照经济电流密度选择的分析比较，为工程选择经济、技术合理的导体类型和电缆截面提供了参考和依据，同时对新能源行业的节能降效和经济运行提供新的可行性措施。

经济和环保是工程上不可避免的两个对立面，一直是社会需要解决和优化的目标，风机低压导体的经济截面选择将经济与环保有机的结合在一起，是符合国情和时代发展，实现国家政策的有效途径。

综上所述，通过风机低压导体类型的研究，采用经济截面选型不仅可以在项目使用期限内降低总成本，而且取得的节能效果明显，符合国家节能降耗的长远方针。通过选择合理的风机低压导体类型，辅以经济性电流密度验算，选取最小经济截面，为社会节约资源，为公司创造效益。

参考文献

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[2] 万里宁，导体的经济电流密度参数分析．《CNKI;WanFang》，2006。

[3] 王晖，梁新兰，根据经济电流密度选择导线截面的研究，《科学技术与工程》，2010。

[4] 胡浩，低压导线截面选择方法，《现代建筑电气》，2010。

[5] 刘毅刚，罗俊华，电缆导体温度实时计算的数学方法，《高电压技术》，2005。