隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒動力電纜傳輸?shù)碾娏鞯燃壴絹碓酱螅娎|的直徑和量也不斷增大，設(shè)計(jì)中電流負(fù)荷估算、實(shí)際運(yùn)行中電流情況以及銅價(jià)上漲所造成的成本壓力等因素，這些都是整機(jī)設(shè)計(jì)廠家非常關(guān)心的問題，電纜的敷設(shè)困難的問題也越來越受到工程和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，而母線排的敷設(shè)卻相對簡單的多，已經(jīng)成為了很多整機(jī)廠家的一個(gè)很好的選擇。

母線系統(tǒng)是由金屬板（鋼板或鋁板）為保護(hù)外殼、導(dǎo)電排、絕緣材料、分接單元及有關(guān)附件等組成的電力傳輸系統(tǒng)，簡稱母線排。最早用于高層建筑、工業(yè)廠房、機(jī)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(shè)計(jì)、制造要充分考慮風(fēng)電機(jī)組的安裝、運(yùn)行特點(diǎn)(如風(fēng)的不可控性、隨機(jī)性，有時(shí)瞬時(shí)變化可達(dá)10m/s以上，隨風(fēng)速變化風(fēng)機(jī)負(fù)載波動幅度大)。應(yīng)考慮頻繁的投入和切除以及振動的影響，考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行中所受的各類載荷（穩(wěn)定、周期、隨機(jī)、瞬態(tài)、諧振載荷），以滿足現(xiàn)場使用要求。

（2）工作條件：動力電纜敷設(shè)在塔筒內(nèi)，豎直懸空放置，承受自垂重力作用，工作中需要經(jīng)常偏航對風(fēng)（電纜扭轉(zhuǎn)）。電纜導(dǎo)體長期允許工作溫度80℃～90℃或更高。電纜工作環(huán)境溫度范圍可達(dá)-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(zhuǎn)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(xué)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(yōu)點(diǎn)

塔筒動力電纜是為安裝在風(fēng)電機(jī)組塔筒而設(shè)計(jì)的，用于額定電壓0.6/1KV(690V)系統(tǒng)，作為電力傳輸電纜使用。

動力電纜的使用歷史較長，技術(shù)成熟，歸納起來有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）電纜有專業(yè)的絕緣及防護(hù)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(yùn)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(hù)等級，不用另外再加防護(hù)；

（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(guī)格從1.5mm2到400 mm2 不等，多芯規(guī)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(huán)境條件。

3 動力電纜的缺點(diǎn)

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

3.1 風(fēng)電動力電纜一般為銅芯電纜，隨著風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，兆瓦級低壓風(fēng)電機(jī)組（額定電壓為1000V以下）的塔筒內(nèi)敷設(shè)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

（1）由于塔筒不斷增高，整根電纜敷設(shè)時(shí)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(yīng)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(fā)電機(jī)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(nèi)電纜整根敷設(shè)難度大、現(xiàn)場敷設(shè)周期長；分段敷設(shè)時(shí)，電纜接頭處壓接制作工藝要求高，后期存在故障檢測、修復(fù)困難等。

（4）電纜機(jī)械強(qiáng)度低，電纜在機(jī)艙與塔筒中敷設(shè)時(shí)需要安裝相應(yīng)的電纜橋架等配套設(shè)施，無形中增加了機(jī)組成本。

（5）有些標(biāo)準(zhǔn)電纜中含有鹵族元素或PVC，不環(huán)保，阻燃電纜的絕緣和護(hù)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(shí)，只能多根并聯(lián)，這樣又會大大增加塔筒與機(jī)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(biāo)準(zhǔn)電纜電磁干擾較大，布線時(shí)要注意動力電纜與控制電纜以及需要模擬信號傳輸?shù)碾姎庠３忠欢ň嚯x，否則動力電纜會對其產(chǎn)生較大影響。

（8）在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,長線電纜傳輸使脈寬調(diào)制(PWM)變流器的輸出信號在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生過電壓, 經(jīng)電纜到達(dá)發(fā)電機(jī)的電壓可達(dá)2250V左右，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致繞組和轉(zhuǎn)子集電環(huán)過早地?fù)p壞。

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

（10）電纜的絕緣層時(shí)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(jià)逐年上漲，銅價(jià)波動較大，直接影響電纜成本也隨之頻繁的波動，增加整機(jī)廠的成本控制。

3.2 有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠在生產(chǎn)大容量（3MW以上）的機(jī)組時(shí)，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(zhì)，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(yīng)的減小了傳輸電纜的載流量，電纜的截面積與數(shù)量也會減少。

這種選用中高壓電纜傳輸?shù)臋C(jī)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(fā)電機(jī)，既發(fā)電機(jī)出口所發(fā)出功率的電壓是3000V或6000V，這樣可選用電纜導(dǎo)體截面積較小的電纜，但這種方式缺點(diǎn)是：可以與高壓發(fā)電機(jī)匹配的變流器很少或者造價(jià)很貴，雖然電纜的成本節(jié)省了一些，但是發(fā)電機(jī)和變流器的成本卻大幅提高，得不償失，這種高壓傳輸?shù)姆绞竭x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(jī)艙內(nèi)部，將所發(fā)出的低壓功率直接轉(zhuǎn)化成高壓功率（多為35KV）,在經(jīng)導(dǎo)體截面積較小的高壓電纜傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，這種方法也會有效的減小原有的電纜線徑過大，電纜數(shù)量過多的問題。但這種方法的缺點(diǎn)是：

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

（2）生產(chǎn)35KV風(fēng)電機(jī)組用耐扭轉(zhuǎn)的動力電纜的生產(chǎn)商較少，由于生產(chǎn)工藝要求較復(fù)雜，國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家較少，多以國外生產(chǎn)商為主，造價(jià)比1000V以下的風(fēng)機(jī)用電纜高3到5倍不等，電纜的節(jié)省的成本有限。這種升壓傳輸方式多用于海上機(jī)組。

母線系統(tǒng)

母線系統(tǒng)的應(yīng)用不是起始于風(fēng)電行業(yè)，在其他的很多行業(yè)都有應(yīng)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(dǎo)體截面積的電纜完成，因此應(yīng)用鋁制或銅制的母線排。

1 母線系統(tǒng)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(hù)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(guī)格的母線系統(tǒng)的防護(hù)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(nèi)的熱空氣向上散發(fā)。由于空氣絕緣母線體積大、外殼防護(hù)等級低，加上空氣不是優(yōu)良的絕緣體，使用環(huán)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(tǒng)不能得到很好的發(fā)展。

（2）密集型絕緣母線

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

所謂密集絕緣母線系統(tǒng)，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(hù)，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(dǎo)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(yōu)良的絕緣材料在密集型絕緣母線系統(tǒng)上的應(yīng)用，是母線的耐壓等級可達(dá)到3800V，甚至更高。

隨著母線排應(yīng)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(hù)等級最高可做到IP66，可以適應(yīng)更加苛刻的環(huán)境尤其是風(fēng)電行業(yè)等惡劣環(huán)境的應(yīng)用。

然而，密集型母線排的缺點(diǎn)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(yīng)采用不含鹵素等有毒物質(zhì)環(huán)保材料。有的母線生產(chǎn)商用聚四氟乙烯作為母線導(dǎo)體的絕緣材料，這樣做的缺點(diǎn)是當(dāng)母線系統(tǒng)發(fā)生過載或短路時(shí)，溫度可達(dá)到270°左右，這時(shí)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(dǎo)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(fēng)電行業(yè)應(yīng)用的故障隱患。在近百米高的塔筒中（大功率的機(jī)組塔筒甚至超過100米）垂直敷設(shè)的母線排會隨著塔筒一起擺晃，從而導(dǎo)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(dāng)，在機(jī)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(dǎo)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，母線排系統(tǒng)由多種長度（根據(jù)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(jīng)母線排到發(fā)電機(jī)的高次諧波電壓, 對690V的風(fēng)電系統(tǒng)，經(jīng)母線排到達(dá)發(fā)電機(jī)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(dǎo)體外型，對其他控制設(shè)備和傳感器的干擾小。

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

（5）母線排基本免維護(hù)， 由于安裝簡便，維護(hù)費(fèi)用低，線路能耗低，整個(gè)壽命周期的費(fèi)用更經(jīng)濟(jì)，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(dá)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(tǒng)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(qiáng)，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(jià)一路高漲，風(fēng)電行業(yè)成本競爭壓力越來越大，而鋁材較銅材價(jià)格低很多，所以主要材料為鋁材的母線排越來越多的被風(fēng)電整機(jī)公司所青睞。

2）母線排的缺點(diǎn)

在風(fēng)電行業(yè)，雖然母線排相對于普通動力電纜的優(yōu)勢越來越明顯，但是隨著時(shí)間的推移和應(yīng)用的范圍的擴(kuò)大，運(yùn)用實(shí)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(xiàn)在以下幾方面：

（1）風(fēng)電機(jī)組用母線排主體在塔筒廠安裝完成，到現(xiàn)場主要安裝母線連接件與終端的電纜部分，安裝時(shí)要避免對母線進(jìn)行較劇烈的碰撞、敲擊，特別是連接螺栓緊固力矩，要嚴(yán)格按照母線排緊固要求進(jìn)行緊固，由于母線排安裝的要求比較嚴(yán)格，安裝母線排的操作人員素質(zhì)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(yè)的母線安裝培訓(xùn)并擁有豐富的安裝經(jīng)驗(yàn)。

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

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

3 母線排的電氣防護(hù)等級

電氣防護(hù)等級一般分為四種，不同的電氣防護(hù)等級要求母線排的防護(hù)等級不同，

（1）一級污染等級，即無污染或干燥的非導(dǎo)電性污染。

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

（3）三級污染等級，存在導(dǎo)電性，或由于凝露使干燥的非導(dǎo)電性污染變?yōu)閷?dǎo)電性污染。

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

對于不同的環(huán)境要求，對母線排防護(hù)等級要求不同，風(fēng)電領(lǐng)域內(nèi)，陸地型機(jī)組一般按三級污染等級考核，沿海或海上機(jī)組按四級污染等級考核。

風(fēng)電機(jī)組中的母線排

現(xiàn)在風(fēng)電系統(tǒng)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(fēng)電行業(yè)的特殊性，對母線系統(tǒng)的使用要求高，一般風(fēng)電機(jī)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(tǒng)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(gè)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(shù)要求在27以上；不燃材料就是本身不會燃燒氧指數(shù)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(zāi)環(huán)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(yīng)用于阻燃型母線系統(tǒng)中。

(2) 母線排的防腐性

由于越來越多的風(fēng)電機(jī)組安裝在海上或近海高濕高鹽霧的灘涂環(huán)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(dǎo)體表面絕緣以及母線附件都具備防鹽霧性能，并且很多風(fēng)電母線排都經(jīng)過嚴(yán)格的母線排耐鹽霧測試，達(dá)到了在鹽霧濃度較大的環(huán)境內(nèi)正常使用的要求。

圖2 風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)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(diǎn)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(dǎo)體可以伸縮滑動；接觸面重疊部分應(yīng)具有很大設(shè)計(jì)余量，連接非常方便。

動力電纜和母線槽的經(jīng)濟(jì)性對比

近年來，隨著國際銅價(jià)的一路高漲，動力電纜的價(jià)格也隨之水漲船高，而以鋁材為主要材料的母線排價(jià)格卻維持在一個(gè)相對穩(wěn)定合理的價(jià)格上。隨著機(jī)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(yōu)勢會更明顯。

結(jié)語

由上述分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yè)的特殊性；對于風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)人員，即要考慮到風(fēng)電機(jī)組動力傳輸?shù)奶厥庑砸螅珙l繁振動、耐低溫環(huán)境等外在因素，又要全面考慮不同容量機(jī)組的參數(shù)、成本、安裝工藝等內(nèi)在因素，通過對比對母線排與動力電纜的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行客觀分析，綜合考量后做出選擇。保證風(fēng)電機(jī)組動力傳輸?shù)陌踩⒖煽康那疤嵯拢龅阶钚〉耐顿Y和后期維護(hù)成本，真正做到經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的統(tǒng)一。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為楊東、王東 等。）