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【技术】光伏电站价值提升策略:直流电缆研究及经济性选型

买卖宝2018-11-07 12:55:19

通过光伏电站价值提升策略的分析,电缆的选型和设计是需要我们予以关注和重视的一个重要环节。目前业界对于光伏直流端电缆还是主要以铜电缆为主。笔者通过与电缆供应商长期的交流,认为或许在未来电站电缆选型中铝合金也会有一片天地。

我国对太阳能的利用具有天然的优势

首先,国土幅员广袤,在西部光热资源丰富的地方,分布的大多是荒漠、戈壁滩等不利于其他开发价值的土地;

第二,我国产业制造的成本优势。可以这样说:如果没有中国制造,这个世界应用平价太阳能电的时间,将会起码延后10年以上的年限。我国太阳能光伏电站的建设热潮已到来,并将在相当长时间里,越来越热。下文将主要针对直流电缆的一些特性,并结合光伏电站的国内建设运营现状,提出一种高安全且更据经济性电缆选型方案。在整个光伏电站系统中,直流电缆占电缆的比重很高,对系统的稳定运行也起着相当重要的作用。光伏电站所处的环境大多比较恶劣,且多数情况下无人值守,产品需要达到25年以上的使用寿命。因此,产品的设计标准要求应该更高。太阳能光伏电站的直流传输用线,一般分两个部分,即太阳能组件之间以及到汇流箱的连接用线,这部分电缆有专门的要求及规范,我国基本采用德国标准委员会的(TUV)莱茵认证PV型电缆,产品成熟且共识;另一部分是直流汇流箱到逆变器之间的直流干线传输用线。这部分电缆占整个直流电缆的比重2/3以上,通常用一般交联低压电缆代替使用。但实际上直流电缆的使用特性和交流还是有很大的区别。下文中的直流电缆主要是指这部分电缆。

光伏系统直流干线电缆的使用特性及要求

直流干线是光伏组件系统经汇流箱汇流后到逆变器的传输用线。如果说逆变器是整个方阵系统的心脏,那么直流干线系统就是一条条主动脉。由于,直流干线系统采用不接地方案,如果电缆发生接地故障,将会给系统甚至设备带来相比交流大得多的危害,因此,光伏系统工程师对直流电缆的认识,要比其他行业电气工程师更为谨慎。综合各种电缆事故分析,我们得出电缆的接地故障占整个电缆故障的90-95%。

接地故障的主要原因有三种。第一,电缆制造缺陷,为非合格产品;第二,运行环境恶劣、自然老化、以及遭受外力破坏;第三,安装不规范,接线粗糙。接地故障的根本原因却只有一个---电缆的绝缘材料。光伏电站的直流干线运行环境比较恶劣。我国大型地面电站一般都在西部,这些地方一般都是荒漠、盐碱地以及昼间温差大,鼠害也比较严重,环境也会非常潮湿。电缆地埋敷设,电缆沟的填挖要求比较高;分布式电站电缆的运行环境也不比上述地面的要好,电缆会承受很高的温度,有技术人员测控,屋顶温度甚至能达到100-110℃的高温,电缆的防火阻燃要求,以及高温对电缆的绝缘击穿电压影响很大。因此,光伏电站直流干线电缆的选型设计要考虑以下几点:

1、 电缆的绝缘性能

2、 电缆的防潮、防寒以及耐候性

3、 电缆的耐热阻燃性能

4、 电缆的敷设方式

5、 电缆的导体材料(铜芯、铝合金芯、铝芯)

6、 电缆的截面规格

目前,我国光伏电站的直流干线电缆,大多采用一般低压交流电缆来代替,常用型号为ZR-YJV22 0.6/1kv、ZRYJY23 0.6/1kv,电缆大多数为铜芯电缆,也有些电站逐步开始采用铝合金导体的电缆,但电缆的绝缘材料基本还是按1kv低压电缆的标准生产。也就是说,我们的光伏系统工程师对直流电缆厉害关系有认识,但对电缆的技术方案并没有过多重视。

直流电缆的绝缘特性

1、交流电缆的场强应力分布是均衡的,电缆绝缘材料着重的是电介质常数,电介质是不受温度影响的;而直流电缆的应力分布是电缆绝内层为最大,受电缆绝缘材料的电阻系数影响,绝缘材料有负温度系数现象,即温度增高,电阻变小;电缆在运行时,线芯损耗会使温度升高,电缆的绝缘材料的电阻系数会随之变化,也将导致绝缘层的电场应力随之变化,也就是说,同样厚度的绝缘层,由于温度升高,其击穿电压随之变小。对于一些分布式电站的直流干线,由于环境温度的高低变化,电缆的绝缘材料老化的速度比地埋敷设的电缆大得多,这点尤其应得到注意。

2、电缆绝缘层生产过程中,不可避免地会溶入一些杂质,它们具有相对较小的绝缘电阻率,沿绝缘层径向分布是不均匀的,这样也将导致不同部位的体积电阻率不同,在直流电压下,电缆绝缘层的电场也会不同,这样,绝缘体积电阻率最小处会老化更快,成为最先被击穿的隐患点。而交流电缆则不会有这种现象。通俗地说,交流电缆的材料受应力冲击是整体的均衡的,而直流电缆绝缘应力总是在最弱处冲击最大。所以,电缆制造环节中的交直流电缆应该有不同管理和标准。

3、交联聚乙烯绝缘的电缆在交流电缆中已经广泛使用,它具有非常优良的介质性能和物理性能,性价比非常高,但作为直流电缆,其有一个很难解决的空间电荷问题,这点在高压直流电缆中备受重视。聚合物作直流电缆绝缘时,绝缘层中有大量的局部陷阱,造成绝缘内部空间电荷集聚,空间电荷对绝缘材料的影响,主要体现在电场畸变效应和非电场畸变效应两个方面,这两种影响对绝缘材料的危害很大。所谓空间电荷,是指宏观物质的一个结构单元中超过电中性的那部分电荷,在固体中,正或负空间电荷被束缚于某种局域能级而以束缚极化子态的形式提供极化效应。所谓空间电荷极化,就是当在电介质中含有自由离子时,由于离子移动,在正电极一侧的界面上积累负离子,在负电极一侧的界面上积累正离子过程。在交流电场中,材料正负电荷的迁移无法跟上工频电场的快速变化,因此不会产生空间电荷效应;而直流电场中,电场按电阻率大小分布,将形成空间电荷并影响电场分布,聚乙烯绝缘中有大量的局部态,空间电荷效应特别严重。交联聚乙烯绝缘层是化学交联而成,是整体型交联结构,属于非极性高聚物,从电缆整个结构上看,电缆本身就像一个较大的电容器,直流输电停止后,相当于已将一个电容器充电完成,虽然导体线芯有接地处理,但是,没能有效进行放电,大量的直流电能仍然存在于电缆中,也就是所谓的空间电荷,这些空间电荷不会像交流电力电缆那样随介质损耗而消耗掉,而是在电缆缺陷处富集;交联聚乙烯绝缘电缆,随着使用时间的延长或频繁断停以及电流强弱变化而聚集越来越多的空间电荷,加快绝缘层老化速度,从而影响使用寿命。所以,直流电缆的绝缘性能和交流电缆差别还是很大。

国内光伏电站直流电缆现状

笔者曾经断言:8-10年后将是国内光伏电站直流电缆故障高发期。为什么这样说呢?理由如下:

1、国内光伏系统工程师对直流干线电缆的重视度不够。由于认为电压低,且直流电无负荷传输,无磁感应损耗,固定敷设,因此,认为相比较交流电缆使用寿命更长。且德国光伏电站系统中也有很多使用普通交流电缆替代。(同样型号的电缆德国的绝缘材料要比我国的贵6、8千元每吨)

2、除了少数专用电缆厂家外,大多数电缆制造企业对直流电缆的认识都不够,对直流电缆的制造工艺无相应的管理。用这些企业的普通交流电缆做直流使用,一定期限后,发生电缆故障是大概率的。

3、光伏电站对经济性的追求,以及第三方采购使得更不能很好的掌控质量。国内大约有7、8千家电缆制造企业,且95%以上都是些小型加工企业,电缆产品的技术区分度本身就不高,因此招标采购大多数以价格定夺,比其他行业更为严重过剩的局面,使得很多产品的销售价格低于成本,这也就是电缆产品的历次国家抽查合格率不高的原因。由于光伏电站电缆的无负荷传输,电缆承载的电流并不大,电缆的安全故障不会立马发生,留下仅是很难防范的隐患。

4、直流电缆的被击穿总是发生在绝缘最薄弱处或缺陷处,其缺陷除了外观上的缺陷外,还包括绝缘材料的物理性空间缺陷;光伏电站的特性总是日出而作日落而息,电缆的电容性,使得“缺陷”被不断放大,直到被击穿。我们来看看莱茵标准组件直流电缆的电性能试验值:电气性能

● 耐电压试验(成品电缆型式试验) -- 交流耐压

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:6.5kV/5min.不击穿。-- 直流耐压(成品电缆型式试验)

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:15kV/5min.不击穿。

● 成品耐火花电压试验

试验方法:EN50395或GB/T3048

结果:10kV不击穿。

● 绝缘电阻试验(成品电缆型式试验)

试验方法: EN50395或GB/T5013.2

结果: 20℃时绝缘电阻≥1014Ω.cm,90℃时绝缘电阻≥1011Ω.cm

上面的电缆的耐压标准相当于交流电缆的18/30KV级别,绝缘电阻的要求值是对电缆缘材料电阻率的高标准要求,而0.6/1kv的交流电缆是没有上述要求的。

直流电缆绝缘缺陷改进

我们针对光伏电站的直流电缆绝缘特性,可做以下几种绝缘改良:

1、采用乙丙橡胶绝缘。乙丙橡胶虽然没有交联聚乙烯那样高的电性能,但是其绝缘机理上能克服直流电缆的一些缺陷,且有较好机械性能防老化性能,但价格较高。

2、对于分布式电站的直流电缆,可采用改性的辐照交联聚乙烯,除了有较高的机械性能、电性能外,材料耐温性能特出,最高可达120℃。该产品用电子加速器辐照电缆,是辐射加工,该技术它集合电子技术、高能核物理技术、真空技术、计算机技术、辐射化学技术和电线电缆制造技术于一体。由电子加速器生产的高能电子束,作用在聚合物内部,使聚合物的分子结构发生变化,由原来的线性大分子变成不溶的三维网状结构,改变了聚乙烯高分子的空间缺陷,从而使材料具有特殊的耐热性、耐化学性、耐辐射性、高阻燃性、高强度性。其产品的主要特点有:


a、产品耐热性好:辐照交联可显着提高电缆的耐热性。如聚乙烯材料经辐照交联后长期允许工作温度可从60~70℃提高到90~150℃,短路温度由160℃提高到250℃。


b、提高了电缆的载流量:辐照交联电线电缆比普通电线电缆的单位导体截面载流量提高20%左右。


c、具有优良的绝缘性能和电气性能。

d、机械强度高,耐老化性和化学稳定性、耐环境应力开裂性能好。

e、安全性高,使用寿命延长,可达到40年。但是价格比较贵,设备投资大。

3、地面电站电缆沟敷设的直流电缆,可采用纯净度高的聚乙烯交联料,电缆的绝缘厚度加厚0.2-0.3cm,如:



由于,地面敷设的电缆散热性能比较好,增大截面并不过多影响电缆的载流量的变化,而增大绝缘的厚度使电缆的耐受强度提高,延长使用寿命。优质的聚乙烯交联料,应该是在洁净度非常高的生产环境下制造,生产过程中防尘、防静电及其他污杂。目前国内聚乙烯电缆料的质量非常堪忧,大多是一些小型加工企业。国内优质电缆交联料企业有上海新上化高分子、浙江万马高分子等,其产品质量接近进口材料性能。

4、 对于分布式电站的电缆护套要求耐温90℃以上,地面或光伏农业电缆护套内加防水层。优质电缆护套对电缆绝缘的保护非常重要。

5、 直流电缆生产管理应注意三点,第一、原料投放时保持洁净,无杂物混入;第二、生产线温度和时间严格控制;第三、当出现故障报警时,应就故障点截断分头,绝不允许修补。以上改进方案无疑会增大电缆的采购成本。

稀土铝合金导体

铝合金导体大概是上世纪六十年代末诞生,它是作为改良铝导体的缺陷而研发的,我国铝合金导体研发起于2004年,成熟于2010年,目前这种新型导体的优越性和经济性越来越被重视了,最新的国家电缆标准及导体标准(GB/T12706-2008\GB/T3956-2008)均已涵盖铝合金导体。稀土铝合金导体的优越性能如下:


1、 电性能。稀土铝合金的导体的电导率在61.4%左右,达到优质铝导体的电导率。其耐热、散热性能超过铝,因此是优良的导体。

2、 抗蠕变性能 铝合金导体的抗蠕变性能大大超过铝导体,是铝的300%,是铜的150%,蠕变的危害在电缆接头故障中经常体现,另外,对于安装制造过程中吸收更多应力的铝导体,蠕变会使长期使用的电缆导体产生晶裂,危害电缆运行。

3、 高延伸率与低反弹力 铝合金导体的高延伸率(20-35%)和低反弹性能(比铜导体低40%以上),使电缆在制造安装等环节受外力的损害大大降低,据统计资料,约有15%的电缆故障是由安装因素直接造成。

4、 防腐性能 稀土铝合金导体的防腐性能大大优于铝,其化学惰性可媲美铜导体。在含硫介质中其防腐性能优于铜导体。 铝合金导体的表面组成很复杂,合金的多种专有金属元素配比,主要是为达到合金体相间均衡,这种均衡的相间作用力,进一步阻挡金属被氧化。稀土元素的强还原性,使得相间作用力被打破时,稀土元素“牺牲”自己,形成另一种中间合金。稀土铝合金导体的主要组成:铝铁中间合金、富铈稀土中间合金和钪铝中间合金及其他。

5、 连接性能 铝合金的连接是导体开发的一个重要内容,特制的端子,严格的规范,使得电缆接头的一些通常缺陷被杜绝,保证电缆使用安全。

6、 经济性 一公斤铝合金导体相当于两公斤铜导体的传输能量,而铝合金导体的价格不到铜的一半,更多的成本是精加工成本,因此,综合起来铝合金导体的价格仅相当于同样电力载荷的铜导体1/3,具有极大的经济性。


当然,铝合金导体也有缺陷,综合起来有这么几点:

1、 铝合金导体要比铜导体外径粗,这样对空间制约的场所,铝合金电缆不太适用。

2、 很多设备连接用电缆,因为接口问题,铝合金导体不太适用。

3、 高频电缆铝合金性能比铜导体差

4、 截面小于10mm2的用电缆,铝合金导体由于抗拉强度比铜低而性能不如铜导体

5、 消防耐火电缆不适合铝合金导体

从铝合金导体的优越性和缺陷性分析,光伏电站直流干线的导体选型非常适合铝合金导体。

直流干线电缆经济选型

从上文的论述我们知道,采用稀土铝合金导体,电缆的绝缘和护套等材料进行优化设计,电缆的整体经济性比较好,全寿命期的故障概率相比会更低。以下是几种上述要求选型的电缆方案

1、 EHLF、EHLVF22(DC0.9/1.5KV)电缆采用乙丙橡皮绝缘混合弹性体护套直流干线电缆。此型电缆型号比较适合超热带地区。电缆价格较贵,相当于等同载荷铜电缆的90%以上。乙丙橡皮的性能非常优越,目前铁路机车牵引用直流电缆的最佳绝缘材料方案,乙丙橡皮绝缘电缆还可以用于核电站核岛外围的K3类电缆使用,产品使用寿命大于30年。电缆的弯曲半径很小,材料的耐候性性能优越。

2、 YJHLF82、FS-YJHLF22(DC0.9/1.5KV)电缆绝缘加厚处理,采用优质交联聚乙烯料,护套为防寒耐温弹性体。铠装层为铝镁合金的连锁铠装型电缆适用于西部荒漠、山坡地等;FS代表防水型,适合光伏农业大棚、沿海滩涂及其他电缆容易浸水的等电站选用。连锁铠装具有优良的抗拉抗压强度,且施工简单,特别适合不利挖掘电缆沟或简单地埋处理的场合,铠装层的非磁性材料,电缆不会产生涡流,散热好,因此载流量相比钢带铠装有提升。连锁铠装电缆,实际上是电缆外层加装一层金属波纹管铠装,铠装外层挤注PVC护套,这样可以露天敷设,产品性价比非常高,等同载荷此型电缆的采购价格相当于铜电缆的75%-80%,其施工成本节省非常可观。FS型价格相当于铜电缆的65%左右。

3、 FZ-YJHLF、FZYJHLF22(DC0.9/1.5KV)电缆绝缘经电子辐照而成,因此具有非常优良的性能,特别适合分布式电站的直流干线使用,价格上相当于等同载荷电缆的70%左右。

稀土铝合金直流电缆参数: 稀土铝合金直流电缆与铜电缆导体换算表:




上表中数值为国家标准值,实际生产中铝合金导体电阻要小于上表。




光伏企业怎样采购优质电缆

电线电缆属于材料型产品,一般是通过招投标来确定供应商,但电缆招投标的弊端很大,由于电缆的技术指标基本一样,且隐性技术含量并不被重视,招投标时技术条件不具有排斥性和排除性,因为大家所依据的指标都是一样的,因此,价格只能作为重要的选择依据。招标能采购到价格优越的电缆,但很难采购到性价比优越的电缆。电缆的检测耗时长,且电缆是长期使用型产品,产品的优越并不能立马显现。优质的电缆是高安全长寿命电缆,从宏观上看,尽管价格不够优越,但整体的性价比更高,实际上也就更具经济性。对于光伏投资企业来说,电缆的规格种类并不多,且每个项目基本差不多,产品的价格性能指标比较透明,这样,比较适合战略合作伙伴的供应商管理体系。这种管理办法的好处是把产品的质量管控交给对方。由于长期的合作前提,供应商为了维护这种客户关系,再加上约定的高违约成本,使得客观上供应商在产品的质量管控和服务上的积极性主动性更高。这种供应商管理方法,在世界上比较普遍,特别是一些跨国公司。

伴随着最近国家能源局即将出台的分布式光伏政策,特别是“二选一”的模式以及分布式电站定义的扩大,国内必将迎来分布式光伏电站投资建设的热潮,预计从第三季度将开始活跃起来,且浙江省和山东省将成为分布式光伏电站的前沿战场。从电站价值来说,度电成本是衡量电价价值的唯一标准,对于投资商而言,如何极大程度的降低度电成本就显得尤为重要,通过对电站设备选型严格监控把控,可以实现电站价值提升的硬保障,与此同时软保障也很重要,这主要体现在投资分布式光伏电站之前,是否对项目标的物定和业主开展了完整且有限的现场调研,主要体现在屋顶面积、荷载、用电量、电价、业主资信情况,业主所从事行业发展情景等要素。


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