浅谈风力发电专用电缆

杨 锐

（上海埃因电线电缆有限公司）

0 引言

电作为重要能量来源，与我们日常生活及工作学习息息相关，不论是在工业生产中消耗的巨大能量，还是在日常生活中家居照明及各项家电设备的正常运行，可以说，电能为我们高效率、高品质生活奠定了重要的能量基础。在现阶段可再生能源快速发展背景下，风力发电是其中一项重要的技术领域，其较快的发展速度、成熟完备的技术理论体系、较大规模的开发前景和巨大的潜在商业价值，使风力发电技术得到了社会各界人士的广泛关注。风电电缆作为风力发电装机设备可靠运行的重要基础部件，其质量的优劣直接关系到风力发电装机设备运行稳定性。因此，对风力发电专用电缆关键技术及其经济效益的评估也就具备重要意义。

1 风电装机的市场发展

近年来，风力发电产业不断发展，其发展速度远远超出预期，保持着较快增长的发展趋势。2013年以来，全球风力发电电缆装机容量平均增长率为15%，根据发电产业咨询报告可知，2017年全世界新增风力发电装机容量为20381MW，比上年增加了3221MW，同比增长17%。目前，欧洲仍旧是风力发电产业发展的重要领地，截至2017年，欧洲市场累计装机容量为78324MW，占世界全体风力发电装机总容量的72.3%，约提供了欧盟5%左右的电能供给，提前实现了风电装机容量发展的基本目标。与此同时，以美国和加拿大为首的北美洲区域风力发电厂建设迅速，亚洲风力发电厂规模逐步扩大。根据丹麦某国家实验室对其辖区内风力发电机组的技术评估，从1981年到2014年间，风力发电成本由传统模式下的15.8欧分／kWh直接下降到2.22欧分／kWh，风力发电技术成为近二十年来世界上发展速度最快的能源结构形式。

2 风力发电专用电缆的特征与选择

2.1 风力发电专用电缆特性

由于风力发电机专用电缆主要用于风力发电机、变频器、箱式变压器等诸多重要结构部位，因此风力发电机专用电缆必须具备优良性能，确保能在温度较为恶劣的外界环境中保持优良的电气传输性能和机械性能。通常情况下，风力发电机组专用电缆必须具备低温抗扭曲性能、耐候性能、耐油性能和耐海水腐蚀性能四大特性。就发电机组专用电缆的低温抗扭曲性能而言，由于风力发电机组在实际发电过程中，必须根据风向的变化让机舱旋转变化，故风力发电专用电缆必须具备低温抗扭转性能，适用于-40℃的低温环境中正负四个周期360°旋转，且能耐受电缆旋转次数10000次及以上，保证扭转后的电缆表面无任何开裂现象，且可在海水中浸泡能承受比额定工作温度高10～15℃左右，2～10h的短时过载运行而不被击穿。

2.2 风力发电专用电缆类别

风力发电专用电缆按额定工作电压可以分为450／750V、0.6／1kV、1.8／3kV，按用途可分为电力电缆、控制电缆、电源线，按材料可分为橡胶绝缘电缆、柔性塑料绝缘电缆、低烟无卤绝缘电缆等，其品种繁多，规格丰富，可广泛应用于风力发电系统中。耐低温柔性抗扭转电缆是风电电缆中的重要产品，通过对电缆结构和材料的优化设计使其具有常规电缆所不具备的耐高低温、耐盐雾、抗扭转等特性，可保障电缆在复杂恶劣的环境下持续稳定运行。

2.3 风力发电专用电缆选择原则

一方面，由于风力电缆主要用于风力发电机组的风机塔筒及其重要零部件，而风机塔筒往往在外界环境中以较高频率扭动甚至发生轴向位移，因此，风力发电机组风机塔筒电缆线需要选择抗扭性能更佳、延展性能更好的耐扭曲电缆。另一方面，风力发电场集中点线路的电缆选择并不需要一味追求技术高超和性能优良，而仅仅需要考虑风力发电场项目所在地的自然气候条件、地形条件和地域特色等，选择满足风力发电机组性能要求的电缆即可。

3 风力发电关键技术

风能具备能量巨大、可循环利用、绿色环保以及分布广泛等诸多优势，在此背景下发展而来的风力发电机组作为风能利用的关键技术，为我国绿色能源可持续发展做出了不可忽视的重要贡献。通常情况下，风力发电机组可按风轮轴安装形式分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组，按照风力发电机组功率大小则可分为微型风力发电机组、小型风力发电机组、中型风力发电机组和大型风力发电机组。按运行方式则可分为独立运行风力发电机组和并网运行风力发电机组。目前，在所有风力发电机组中，水平轴风力发电机组是技术最成熟、应用最广泛和风能利用效率最高的形式，垂直风力发电机组的风能利用效率较低，启动设备技术含量较高，因此，主要以水平轴风力发电机组为研究对象，介绍其独立运行风力发电机组和并网运行风力发电机组。

在风力发电专用电缆中，1.8／3kV及以下耐低温抗扭转电力电缆适用于机舱内发电机定子至塔基变流器的电力传输，是风电电缆中技术含量最高，使用条件最为苛刻的一类产品。该电缆导体采用EN60228：2004中规定的第5种或第6种镀锡铜导体，具有抗氧化、耐腐蚀的特性。绝缘为挤包高性能橡胶材料，具有优异耐热老化性、耐臭氧和耐候性，卓越的电气绝缘性能，耐电晕、耐漏电痕和耐电压性能。优异的耐低温特性和较好的化学稳定性，对酒精、酮、乙二醇等极性比较强的溶剂、无机盐类的溶液，酸和碱有较大的抗耐性，长期接触后性能非常稳定。成缆时用密封胶填充，使绝缘线芯之间的外部间隙中没有任何实质性空隙。并采用同向大节距束丝及成缆结构，可使电缆在任意一个方向上的扭转受力均匀，避免断线、打扭等现象。最后采用高强度阻燃型聚氨酯弹性体护套材料，这样可以使电缆具有优异的抗扭转、抗撕裂、耐腐蚀、耐低温、耐磨损、耐油等特性。该电缆低温下工作温度可达-55℃，短路时5s内温升最高250℃，移动敷设最小弯曲半径不小于电缆外径的6倍，导体允许张力负荷：15N／mm2。

4 风力发电专用电缆性能试验

相关报告显示，国内风力发电项目大规模修建时间较短，风力发电的核心设备绝大多数从国外进口，其配套的电线电缆由国外采购，国内市场并未出现专业生产风力发电电缆的相关机构。公司设计的风力发电专用耐扭转软电缆——ANFNBN，对应的国外同类产品为H07RN-F（执行标准为DIN VDE 0282），其结构性能比较如下表所示。

表 结构性能比较表

5 经济效益评估

我国地域辽阔，风能资源丰富发达，陆上风能2.53亿kW，海上风能资源7.5亿kW，但我国现阶段运行的风电装机容量仅76万kW，并且85%以上风电装机电缆为进口，进一步发展风力发电电缆技术是我国绿色能源可持续发展道路的重要战略举措，风能作为可再生能源在我国的大规模发展与应用，将使我国风电装机容量复合增长率高达40%以上，在未来15年时间内，风电装机设备市场占有份额将高达2100亿元，为我国节约大量不可再生能源。

6 结束语

在未来的经济社会发展过程中，风力发电技术应用前景广阔，市场空间巨大，在注重风力发电技术创新和理论创新的基础上，从风力发电电缆着手，不断提高风力发电装机技术整体应用效率，将有助于我国绿色经济的持续发展。