隨著風電機組容量的不斷增大，風力發電機組塔筒動力電纜傳輸的電流等級越來越大，電纜的直徑和量也不斷增大，設計中電流負荷估算、實際運行中電流情況以及銅價上漲所造成的成本壓力等因素，這些都是整機設計廠家非常關心的問題，電纜的敷設困難的問題也越來越受到工程和學術界的廣泛關注，而母線排的敷設卻相對簡單的多，已經成為了很多整機廠家的一個很好的選擇。

母線系統是由金屬板（鋼板或鋁板）為保護外殼、導電排、絕緣材料、分接單元及有關附件等組成的電力傳輸系統，簡稱母線排。最早用于高層建筑、工業廠房、機場、碼頭、綜合建筑等工程的變壓器至配電柜，以及配電柜至車間和樓層的電力傳送。

動力電纜

1 塔筒動力電纜的物理特性要求

（1）一般要求：電纜的設計、制造要充分考慮風電機組的安裝、運行特點(如風的不可控性、隨機性，有時瞬時變化可達10m/s以上，隨風速變化風機負載波動幅度大)。應考慮頻繁的投入和切除以及振動的影響，考慮風機運行中所受的各類載荷（穩定、周期、隨機、瞬態、諧振載荷），以滿足現場使用要求。

（2）工作條件：動力電纜敷設在塔筒內，豎直懸空放置，承受自垂重力作用，工作中需要經常偏航對風（電纜扭轉）。電纜導體長期允許工作溫度80℃～90℃或更高。電纜工作環境溫度范圍可達-40℃～50℃，相對濕度小于95%，海拔高度在2000m以下。電纜有低溫抗扭轉性能、低溫柔軟性能、抗紫外線性能、耐磨性能、耐油性能、防化學腐蝕性能、阻燃、耐臭氧性能耐海水腐蝕性能等。

2 動力電纜的優點

塔筒動力電纜是為安裝在風電機組塔筒而設計的，用于額定電壓0.6/1KV(690V)系統，作為電力傳輸電纜使用。

動力電纜的使用歷史較長，技術成熟，歸納起來有以下幾個優點：

（1）電纜有專業的絕緣及防護外層，絕緣性能好，外層一般具有阻燃性，絕緣不助燃；

（2）電纜柔韌性好，運輸方便，不易損壞；電纜長度自由度大，任意長度連接方便；

（3）電纜的外層易于做到高防護等級，不用另外再加防護；

（4）電纜按電壓等級分有額定電壓450/750V、0.6/1kv、1.8/3kv、3.6/6kv 、8.7/10kv及26/35kV 等。單芯規格從1.5mm2到400 mm2 不等，多芯規格從1.5 mm2 到300 mm2 不等，選擇余地較大。

（5）電纜對于礦物油、合成齒輪油以及液壓油具有卓越的耐受性，更適合于高濕度、高鹽霧環境條件。

3 動力電纜的缺點

風力發電機組塔筒動力電纜，由幾十米長（一般60m～100m不等或更高）從機艙到塔筒底部的整個電流傳輸長度的若干電纜組成，電纜的敷設有分段敷設和整體敷設兩種方式。一般分段安裝是將電纜分為幾段（一般按每節塔筒一段來分），在塔筒的連接處再將電纜連接；整體敷設的電纜一般是塔筒吊裝完畢后從機艙向塔筒下部敷設。

3.1 風電動力電纜一般為銅芯電纜，隨著風電機組容量不斷增大，兆瓦級低壓風電機組（額定電壓為1000V以下）的塔筒內敷設有以下幾個缺點：

（1）由于塔筒不斷增高，整根電纜敷設時自重增大，尤其固定不方便；

（2）電纜的載流量增大，其截面積也會相應增大；載流量受電纜直徑限制，直徑太大造成安裝的困難；所以，對大容量發電機組的動力要求，由于電纜直徑太大，也造成了安裝困難。

（3）塔筒內電纜整根敷設難度大、現場敷設周期長；分段敷設時，電纜接頭處壓接制作工藝要求高，后期存在故障檢測、修復困難等。

（4）電纜機械強度低，電纜在機艙與塔筒中敷設時需要安裝相應的電纜橋架等配套設施，無形中增加了機組成本。

（5）有些標準電纜中含有鹵族元素或PVC，不環保，阻燃電纜的絕緣和護套在火焰下雖然不助燃，但也會燃燒。

（6）電纜受到線芯和絕緣材料的限制，其單根載流量通常只有幾百安培，所以在大容量輸電時，只能多根并聯，這樣又會大大增加塔筒與機架的承重能力，并且占用過多操作空間，使得本來就窄小的操作空間變的更加擁擠。

（7）使用標準電纜電磁干擾較大，布線時要注意動力電纜與控制電纜以及需要模擬信號傳輸的電氣元件保持一定距離，否則動力電纜會對其產生較大影響。

（8）在變速恒頻雙饋風力發電系統中,長線電纜傳輸使脈寬調制(PWM)變流器的輸出信號在電機轉子側產生過電壓, 經電纜到達發電機的電壓可達2250V左右，嚴重時會導致繞組和轉子集電環過早地損壞。

（9）電纜的檢修、維護，和故障判斷無法分段檢測，遇故障需更換時必須更換整根電纜，成本高，工程量大。

（10）電纜的絕緣層時間長了有老化的問題，使用壽命一般為15~20年左右，后期投入大。

（11）從成本考慮，全球銅價逐年上漲，銅價波動較大，直接影響電纜成本也隨之頻繁的波動，增加整機廠的成本控制。

3.2 有些風力發電機組生產廠在生產大容量（3MW以上）的機組時，為了減少低壓電纜用量而采用中高壓電纜作為動力傳輸介質，如會選用3000V，6000V及35KV電纜傳輸，這樣在傳輸功率不變的條件下升高了額定電壓，相應的減小了傳輸電纜的載流量，電纜的截面積與數量也會減少。

這種選用中高壓電纜傳輸的機組一般會分為兩種方式將額定電壓升高。一種是選用中壓或高壓發電機，既發電機出口所發出功率的電壓是3000V或6000V，這樣可選用電纜導體截面積較小的電纜，但這種方式缺點是：可以與高壓發電機匹配的變流器很少或者造價很貴，雖然電纜的成本節省了一些，但是發電機和變流器的成本卻大幅提高，得不償失，這種高壓傳輸的方式選用的較少。

第二種方式是將原來在塔筒外面放置的箱變安放到機艙內部，將所發出的低壓功率直接轉化成高壓功率（多為35KV）,在經導體截面積較小的高壓電纜傳輸到電網中，這種方法也會有效的減小原有的電纜線徑過大，電纜數量過多的問題。但這種方法的缺點是：

（1）變壓器和變流器需要放置到機艙中，這樣會使整個機組重量變大，機艙內的空間與機架的體積也要隨之增大，加大了機架、塔筒的承重載荷，機架與塔筒要設計的更重空間更大才能安放并承受機架上的零部件，這樣無形中就增加機架與塔筒的成本，也加大了機組現場吊裝的難度。

（2）生產35KV風電機組用耐扭轉的動力電纜的生產商較少，由于生產工藝要求較復雜，國內電纜生產廠家較少，多以國外生產商為主，造價比1000V以下的風機用電纜高3到5倍不等，電纜的節省的成本有限。這種升壓傳輸方式多用于海上機組。

母線系統

母線系統的應用不是起始于風電行業，在其他的很多行業都有應用，如：變壓器輸出端和低壓配電柜之間的電氣連接，由于電流大，一般4000A左右，受空間限制，無法用較小導體截面積的電纜完成，因此應用鋁制或銅制的母線排。

1 母線系統的分類

（1）空氣絕緣型母線排

把裸露母線用瓷絕緣端子或絕緣夾板固定，裸母線之間保持一定的電氣距離，母線間靠空氣絕緣，再用金屬殼體把母線連同母線的絕緣體全部保護成一體，即為空氣絕緣母線排。

由于空氣絕緣母線排的散熱是靠空氣對流輻射來完成的，為了保證散熱，對大電流規格的母線系統的防護等級一般最高能做到IP54，即金屬外殼上要有散熱孔，讓殼體內的熱空氣向上散發。由于空氣絕緣母線體積大、外殼防護等級低，加上空氣不是優良的絕緣體，使用環境濕度也不能太高，耐壓只能做到2500V左右，因此大容量的空氣絕緣母線系統不能得到很好的發展。

（2）密集型絕緣母線

針對空氣絕緣母線系統耐壓絕緣性能較差、體積大、散熱差等缺點，人們研究出密集絕緣型母線系統。

所謂密集絕緣母線系統，就是用固體絕緣材料把每根母線包裹后緊密合成一體，再用金屬外殼防護，金屬外殼和和母線是緊貼的。

圖1 密集型母線排

由于密集絕緣母線靠傳導散熱，散熱效果與空氣絕緣母線排相比大大提高了，不僅體積縮小了，而且電流等級也可以做到鋁母線為4000A，銅母線為6000A。

優良的絕緣材料在密集型絕緣母線系統上的應用，是母線的耐壓等級可達到3800V，甚至更高。

隨著母線排應用的日漸廣泛，散熱不是依靠空氣散熱，密集型母線排的防護等級最高可做到IP66，可以適應更加苛刻的環境尤其是風電行業等惡劣環境的應用。

然而，密集型母線排的缺點是：

（1）密集型母線排對母線外層的絕緣要求很高，絕緣除了可以滿足母線的耐壓等級，耐熱外，絕緣還應采用不含鹵素等有毒物質環保材料。有的母線生產商用聚四氟乙烯作為母線導體的絕緣材料，這樣做的缺點是當母線系統發生過載或短路時，溫度可達到270°左右，這時絕緣材料就會分解出有毒氣體，因此，不能采用聚四氟乙烯作為母線導體的絕緣材料。

（2）絕緣的老化與摩擦破損也是密集型母線在風電行業應用的故障隱患。在近百米高的塔筒中（大功率的機組塔筒甚至超過100米）垂直敷設的母線排會隨著塔筒一起擺晃，從而導致密集型母線排之間有相互的摩擦，如果絕緣材料選擇不當，在機組20年的使用壽命中，母線排間的絕緣層很容易磨破，加上母線絕緣會有相對的老化與變脆，導致母線相間短路。而空氣型母線排則沒有此故障隱患。

2 母線排的物理特性

1） 母線系統的優點

（1）在系統結構上，母線排系統由多種長度（根據需求靈活變化）的直線段單元連接而成。

（2）顯著的降低從變流器經母線排到發電機的高次諧波電壓, 對690V的風電系統，經母線排到達發電機的電壓為1450V左右。

（3）母線排的電磁干擾較低, 它取決于鋼鐵外殼和導體外型，對其他控制設備和傳感器的干擾小。

（4）母線排的安裝方便，重量輕，機械強度高。一般只有同規格電纜重量的1/3左右。

（5）母線排基本免維護， 由于安裝簡便，維護費用低，線路能耗低，整個壽命周期的費用更經濟，如果母線排有損壞只要更換其中損壞的一部分即可，維修后性能可達到原有的水平。

（6）母線排使用壽命較長，一般為50年。

（7）再大電流的系統中（1000A以上），母線相對于其他傳輸方式所占用的空間較小。

（8）過載能力強，絕緣材料工作溫度可在130度以上，并且散熱能力較好。

（9）外殼由鋼板或鋁合金制成，不會燃燒，絕緣材料阻燃，耐高溫可有效阻燃。

（10）隨著國際銅價一路高漲，風電行業成本競爭壓力越來越大，而鋁材較銅材價格低很多，所以主要材料為鋁材的母線排越來越多的被風電整機公司所青睞。

2）母線排的缺點

在風電行業，雖然母線排相對于普通動力電纜的優勢越來越明顯，但是隨著時間的推移和應用的范圍的擴大，運用實踐表明母線排本身存在著諸多缺陷也越來多被人們所了解，主要表現在以下幾方面：

（1）風電機組用母線排主體在塔筒廠安裝完成，到現場主要安裝母線連接件與終端的電纜部分，安裝時要避免對母線進行較劇烈的碰撞、敲擊，特別是連接螺栓緊固力矩，要嚴格按照母線排緊固要求進行緊固，由于母線排安裝的要求比較嚴格，安裝母線排的操作人員素質參差不齊，很容易放松對母線安裝的要求，影響母線排的安全使用和使用壽命。建議安裝母線排的操作人員要接受過專業的母線安裝培訓并擁有豐富的安裝經驗。

（2）母線排在使用時接頭部位最易發熱，因此在對風電機組選擇合適的母線排時要充分計算母線的載流量、過載能力是否滿足機組的使用要求，并考慮所應用的環境溫度的影響，留有足夠的裕量。

（3）再選則母線排時很容易選擇到質量不過關的產品。隨著母線排的應用越來愈廣泛，母線排的生產廠家也越來越多，但是產品的質量、性能和工藝水平卻參差不齊，母線排先進的生產工藝還是掌握在施耐德、西門子等少數大型母線排生產商手中，很多母線排生產商的制作工藝還停留在手工操作上。

3 母線排的電氣防護等級

電氣防護等級一般分為四種，不同的電氣防護等級要求母線排的防護等級不同，

（1）一級污染等級，即無污染或干燥的非導電性污染。

（2） 二級污染等級，只有非導電性污染，但是也應考慮到偶然或由凝露造成的導電性。

（3）三級污染等級，存在導電性，或由于凝露使干燥的非導電性污染變為導電性污染。

（4）四級污染等級，造成持久性的導電性污染，例如由于導電塵埃或雨雪造成的污染。

對于不同的環境要求，對母線排防護等級要求不同，風電領域內，陸地型機組一般按三級污染等級考核，沿海或海上機組按四級污染等級考核。

風電機組中的母線排

現在風電系統中常用的母線排主要是本文中所提到的空氣絕緣式母線排和密集型母線排，由于風電行業的特殊性，對母線系統的使用要求高，一般風電機組所用到的這兩種母線排都具有阻燃和防腐的特性。

(1)母線排的阻燃性

母線系統的金屬殼體和母線是不會燃燒的，但金屬殼體的涂層和絕緣材料必須阻燃，這即為阻燃型母線排。

阻燃材料和不燃材料是兩個概念，阻燃材料在火焰中能燃燒，但移去火源后燃燒會停止，也就是說這種材料本身不會燃燒，其氧指數要求在27以上；不燃材料就是本身不會燃燒氧指數為100，放在酒精燈的煙火上不會燃燒的材料。

阻燃型母線排不僅要阻止燃燒，而且不能在火災環境中釋放出毒氣，聚四氟乙烯能阻止燃燒，但他能釋放出毒氣，因此不能應用于阻燃型母線系統中。

(2) 母線排的防腐性

由于越來越多的風電機組安裝在海上或近海高濕高鹽霧的灘涂環境，所以為其配合的母線必須具備防腐防煙霧要求。母線排金屬殼表面，以及母線導體表面絕緣以及母線附件都具備防鹽霧性能，并且很多風電母線排都經過嚴格的母線排耐鹽霧測試，達到了在鹽霧濃度較大的環境內正常使用的要求。

圖2 風機塔筒內母線排的安裝

1 母線排的鏈接

母線排的連接處如下圖

圖3 母線排的鏈接

母線排的連接處螺栓要有力矩的要求，一般為80～110N·M，保證連接點的電氣連接的緊固性。相間要有可靠地絕緣，在可靠的接觸力矩下導體可以伸縮滑動；接觸面重疊部分應具有很大設計余量，連接非常方便。

動力電纜和母線槽的經濟性對比

近年來，隨著國際銅價的一路高漲，動力電纜的價格也隨之水漲船高，而以鋁材為主要材料的母線排價格卻維持在一個相對穩定合理的價格上。隨著機組容量越來越大母線排的傳輸成本比動力電纜傳輸成本優勢會更明顯。

結語

由上述分析可知，風力發電機組中動力電能傳輸方式，不同于一般動力電能的傳輸，有其行業的特殊性；對于風電機組的設計人員，即要考慮到風電機組動力傳輸的特殊性要求，如頻繁振動、耐低溫環境等外在因素，又要全面考慮不同容量機組的參數、成本、安裝工藝等內在因素，通過對比對母線排與動力電纜的優缺點，進行客觀分析，綜合考量后做出選擇。保證風電機組動力傳輸的安全、可靠的前提下，做到最小的投資和后期維護成本，真正做到經濟與環保的統一。

（編自《電氣技術》，作者為楊東、王東 等。）