引 言

据统计，截止到2019年底，中国风电累计装机容量中，3MW以上累计装机容量占比为5%。据此可知，各风机厂家投产的3MW以上风机数量较少。经调研某公司山西地区多个风电场箱变低压侧690V电缆选型使用情况，发现3MW以上风机箱变低压侧电缆使用数量差异较大。本文结合调研数据，参照相关标准规范对箱变低压相线电缆选型验证，并提出优化建议；对箱变低压中性线接地布置探讨，并提出优化建议。列举调研某风电场箱变低压电缆使用数量及采购成本，对比其选型及布置优化前后电缆采购成本进行经济性分析。

调研不同容量风机箱变低压电缆选型及分析

2.1 风电机组发展趋势及箱变低压电缆作用概述

近几年大兆瓦风电机组装机容量逐年增多，调研某公司山西地区2020年安装风机158台装机容量435MW，其中3MW以上（包含3MW）风机93台装机容量303MW，即容量3MW以上风机在2020年新增容量占比为70%。可预测，以后新建项目3MW以上风机必然为首选机型。

按使用功能，箱变低压侧和风机连接690V电缆有相线和中性线电缆两种，相线电缆安装于箱变低压侧和风机变流器之间，中性线电缆安装于箱变低压侧和风机塔底接地环之间。相线电缆作用是传输风机发出的电能到箱变，经箱变升压后馈送到外电网；在风机调试、运行维护期间也作为外电网供电线路。中性线电缆作用是作为箱变低压侧690V系统直接接地接地线和接地网连接。

2.2 调研不同容量风机箱变低压电缆选用及对比

风机箱变低压电缆选型，一般由风机厂家提供选型参考，设计院、建设单位审查确认，建设单位负责采购和安装。由于各风机厂家对风电场箱变和集电线系统掌握程度不同，设计院对风机内部主电气系统掌握程度不同，因而对于箱变低压电缆选型及布置设计，风机厂家提出参考方案但强调不承担责任，设计院套用风机厂家参考方案设计施工图，最终建设单位承担电缆选用量远大于合理数量、并造成电缆成本较高的结果。调研某公司山西地区多个风电场1.5MW、2.0MW、3.0MW、3.5MW和3.8WM箱变低压侧690V电缆使用型号、数量如表1.。

表1.不同容量风机箱变低压电缆型号*数量统计

由表1可知容量1.5MW和2.0MW各型号风机箱变低压电缆选型和使用数量一致，而容量3.0MW各型号风机箱变低压电缆选型和使用数量差异较大。根据风力机械协会编制的《中国风电后市场发展报告》统计，截止到2019年底，中国风电累计装机中，2.0MW以下（不含2.0MW）累计装机容量市场占比为47%，2.0MW-3.0MW(不含3.0MW）累计装机容量占比48%，3.0MW以上（含3.0WM）累计装机容量占比为5%。结合表1调研统计数据得出结论，容量1.5MW和2.0MW风机市场占比高，在设备选型、匹配等方面技术成熟可靠；容量3.0MW以上风机市场占比小，各风机厂家技术能力不同，因此在设备选型、匹配等方面差异较大，技术不成熟。

2.3 容量3MW风机箱变低压侧690V相线电缆选用对比分析

查表1调研统计数据，可知4种同为容量3MW风机，但箱变低压电缆选型和使用数量差异较大。箱变低压690V相线电缆主要作用是输送电能，影响其输送能力的重要因素是电缆导体材料和横截面大小。型号“YJY23”，表示铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚乙烯护套电力电缆。由此可知，表1箱变低压电缆导体材料都是铜芯。然后结合调研统计数据，计算表1各型号风机箱变低压电缆相线截面和对比分析。型号GW121-3000-90风机箱变低压电缆相线截面和为9000mm2（10根3×300）；型号MySE135-3000-90风机箱变低压电缆单相线截面和为5760mm2（8根3×240）。两种容量同为3MW风机，箱变低压电缆相线截面和差值为3240mm2。根据国网公司组编的《风电场电气系统典型设计》，推荐容量3.0MW风机箱变低压电缆选用型号[YJY23-0.6/1-3×185]，数量10根，计算电缆截面和为5550mm2（10根3×185）。由此得出结论，型号MySE135-3000-90风机箱变低压相线电缆选用基本合理；型号GW121-3000-90风机箱变低压电缆使用数量远多于合理数量。电缆选用远多于合理数量必然造成电缆采购成本较高。

2.4 调研对比容量3MW以上风机箱变低压690V相线和发电机引出相线电缆分析

本次调研，容量3.5MW和3.8MW风机分别只有1种型号统计数据，不能进行横向对比分析。为进一步分析箱变低压电缆选用合理性，选取风机箱变低压690V相线电缆截面和、风机发电机至变流器相线电缆截面和两组数据对比分析。

风机发电机输出电能经其引出相线电缆输送到变流器，变流器变换为符合并网要求的电能经箱变低压690V相线电缆输送到箱变，箱变升压后馈送入外电网。由此可知，箱变低压690V相线电缆和发电机引出相线电缆输送电能容量相同。调研可知，发电机输出电额定电压为690V，和箱变低压侧额定电压相同，因此两段电缆电流大小相近，按载流量计算两段电缆截面和应相近。考虑箱变低压电缆为基础内埋管和直埋敷设，散热条件受限，其选用电缆截面和需略大于发电机引出相线电缆截面和。

调研某公司山西地区3MW以上6种型号风机箱变低压相线电缆截面和、发电机引出相线电缆截面和分析，详见表2。举例容量3.8MW风机分析如下：容量3.8MW，型号DEW148-3800-100风机为永磁同步（直驱）型式，发电机定子绕组引出线相线690V电缆截面和为5550mm2（30根1×185），无中性线引出。调研可知，风机箱变低压690V相线电缆截面和为10080mm2（14根3×240），比发电机绕组引出线电缆截面和多4530mm2。由此得出结论，型号DEW148-3800-100风机箱变低压相线690V电缆使用数量远多于合理数量，此处“远多于”表示多的电缆截面和占发电机引出相线电缆截面和比例大于50%。由表2统计数据可知，调研3MW以上6种型号风机，有4种型号风机箱变低压690V相线电缆选用数量远多于合理数量。

表2.容量3MW以上6种风机箱变低压相线电缆、发电机引出相线至变流器电缆统计

注：多的电缆截面和=箱变低压相线电缆截面和-发电机至变流器相线电缆截面和

箱变低压侧中性线接地电缆布置调研及分析

风电场箱式变电站是由高压室、电力变压器、低压室三部分组合在一起构成的户外配电成套装置。配套风电机组容量，箱变容量不同，但电力变压器型式相同：均为三相、铜芯双绕组、油浸、自冷、无励磁调压、低损耗型式，联接组标号Dyn11。中性点接地方式：35kV系统不接地，690V系统直接接地。本次调研的某公司山西地区多个风电场，箱变中性点接地布置都是将中性线电缆引至风机塔底接地环连接接地网，如图1。对于箱变低压侧中性线引至风机塔底连接接地网的方式（如图1），本文作者在某项目建设期间发现并会同现场施工单位、厂家技术人员现场分析，之后咨询设计院、厂家研发人员讨论分析，初步认为箱变中性点接地可优化为直接在箱变基础内接地环连接接地网。

图1 箱变低压侧电缆连接至风机塔底示意图

经咨询风机厂家、箱变厂家、设计院等相关技术人员多次讨论，并结合现场多次调研风机、箱变设备结构，对图1箱变低压侧中性线接地相关总结如下几点：

1）箱变低压侧690V系统直接接地，为工作和保护共用接地。当箱变低压侧690V作为风机外电网供电电源时，中性点接地为工作接地，抵消三相不平衡负荷产生的不平衡电流。当箱变低压侧690V作为风机发电输送路径时，中性点接地为保护接地释放可能发生的故障电流。经现场查看各容量箱变低压侧中性点引出母排都和箱变外壳直接导通连接，验证中心的接地确为工作和保护共用接地。

2）风电机组和箱式变压器为共用接地网，接地网采用水平+垂直接地极形式，如下图2，接地材料采用热镀锌扁钢、角钢，根据现场情况增加接地模块、降阻剂、离子缓蚀剂等，以降低接地网电阻。按照风电机组防雷相关要求接地网接地电阻应小于4欧，确保雷电流能迅速释放。据此箱变低压侧中性线引至风机塔底接地环接地和自箱变基础接地环接地，其实质连接的是同一个接地网。

图2 风电机组和箱式变压器接地网平面示意图

3）箱变低压侧中性线引至风机塔底接地环接地无设计依据，常见情况为风机厂家提出电缆选型参考，设计院照搬厂家要求设计施工图。前文已叙述，风机厂家、设计院对风电场和风机主电气系统认识有盲区，在加上各风机厂家技术能力参差不齐，造成目前现场电缆选型及布置差异较大。查国网公司组编的《风电场电气系统典型设计第二册变电部分》风电机组升压变压器典型设计方案，无箱变低压侧中性线引至风机塔底设计。查某主流风机厂家MySE3.0MW风电机组《箱变电压侧电缆选型规范》，无箱变低压侧中性线引至风机塔底要求。

4）风机发电机和变流器接地、自用电系统接地分析。本次调研的3MW以上风机都是发电机+全功率变流器配置。发电机有永磁发电机、鼠笼异步两种，经查看两种发电机引出线都没有中性线。全功率变流器主要作用将发电机输出的交流电经“交-直交”转换为符合电网要求的电能。变流器输出三相交流电能，无中性线工作接地需求，现场查看变流器输出侧接线室接地排直接固定在设备外壳，应为保护接地功能。根据《风力发电场设计规范》（GB50196-2015）相关要求，风力发电机组的自用电宜由风力发电机组内部配置的自用变压器引接。查看现场，风电机组内部自用变压器联接组标号为：Dyn11，可知其高压侧690V不接地；低压侧400V直接接地。

5）箱变低压电缆故障分析：首先理解箱变低压电缆型号“YJY23-0.6/1”释义：铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚乙烯护套电力电缆，即电缆有钢带铠装屏蔽层。并且清楚低压电缆屏蔽层两端均已做接地，如图1.。假设发生电缆单相绝缘损坏接地故障，故障电流将沿电缆屏蔽层传输至两侧接地点导入接地网释放。接地故障引发电流增大、电压下降、三相电流不平衡等，触发箱变低压侧智能断路器预设保护动作。常见箱变低压侧智能短路器常见配置过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护、接地故障保护、电压/电流不平衡保护。

箱变低压侧690V相线电缆选型验证及优化建议

4.1 箱变低压690V相线电缆选型计算及对比验证

依据风电机组额定输出功率、额定输出电压计算额定输出电流：

额定容量计算公式：公式①  

以额定容量3MW风电机组为例，额定输出电压为690V,代入公式计算额定输出电流为2510A。验证计算额定输出电流是否正确，按公式①计算额定容量1.5MW、2.0MW、3.5MW、3.8MW风机额定输出电流，并查看现场箱变铭牌低压侧额定电流，绘制统计对比表3。风电场电气系统设计一般选用箱变容量大于风机容量10%，因此箱变低压侧额定电流略大于风机额定输出电流。由表3对比可知，上述公式①计算风机额定输出电流正确。

表3.不同容量风机额定输出电流和箱变铭牌低压侧额定电流统计对比表

参照《电力工程电缆设计标准》（GB/T50217-2018）,结合风机的安装环境条件，选择箱变低压电缆的导体材质、导体截面，查表确定直埋敷设时持续载流量（A），计算所需低压电缆数量。摘录《电力工程电缆设计标准》附录C10kV及以下常用电力电缆100%持续允许载流量见表4。

表4.(C.-0.1-4)1kV-3kV交联聚乙烯绝缘电缆直埋敷设时持续允许载流量（A）

低压电缆数量简易计算公式： 公式②

以额定容量3MW风电机组，选用电缆导体材料为铜，导体截面为3×240，查表4可知允许载流量（图片）为408A，依据公式②计算所需电缆数量如下：

图片=2510÷408=6.2……≈7（根）

注：小数点后进位规则为小于0.5进一位，大于0.5进二位。

运用公式②计算3MW以上风电机组选用箱变低压电缆型号及数量见表5。

表5.容量3MW以上风电机组箱变低压电缆计算选用统计表

依据表5.电缆计算选型结果，并结合前述表1，对比调研的不同容量风机箱变低压侧690V相线电缆实际使用和按载流量计算对比，如表6。可知，现场各型号风机箱变低压侧690V相线电缆实际使用数量远多于按载流量计算数量，且即使容量同为3MW，数量差值差异较大。

表6.箱变低压侧690V相线电缆实际使用和按载流量计算对比表4.2箱变低压侧690V相线电缆选型优化建议

由表6.箱变低压侧690V相线电缆实际使用和按载流量计算对比表可知，型号MySE135-3000-90风机箱变低压相线690V电缆使用数量在4种同等容量3MW风机中最小，其选用电缆数量为按载流量计算所需数量加1根。参照型号MySE135-3000-90风机箱变低压690V电缆选型，提出优化建议如下：首先，参照《电力工程电缆设计标准》按电缆导体载流量计算所需电缆数量；然后每相增加1根电缆。按照优化建议，编制某公司山西地区3MW以上机型箱变电压690V相线电缆优化选型和数量，如表7。

表7.箱变电压侧690V相线电缆选型和数量优化表

注：结合本次调研情况，3MW以上风机环境参数均为低温型，海拔高度2000米，电缆敷设方式都是基础内预埋管和直埋敷设。对于规范《低压电器装置第5-52部分：电气设备的选择和安装布线系统》（GB/T16895.6）要求的环境温度校正系数、成束降低系数和土壤热阻校正系数，全部参照型号MySE135-3000-90风机箱变电压电缆选型要求。

箱变低压侧690V中性线接地布置优化建议

风机箱变低压电缆中性线电缆布置优化建议：建议风机箱变低压侧中性点接地在箱变基础内接地网接地环接地，无需引入风机塔筒，接线示意如图3。

图3 箱变低压中性点接地电缆优化示意图

经济性分析

风机至箱变低压电缆作为风机发电输出的首段路径，其载流量须满足在大风天气风机全容量发电安全稳定运行要求。3MW以上风机容量越大，箱变低压电缆在项目建设中的需求量和采购成本随之越大。

举例:本次调研某50MW风电场，安装14台容量3.8MW，型号：DEW148-3800-100，风电机组。单台风机至箱变低压电缆项目现场使用数量、采购成本分析如下：

箱变电压电缆选用型号、数量：

型号：ZC-YJY23-0.6/1-3×240+1×120；并联数量14根；长度40米。

单台使用电缆长度：560米（14根×40米）

采购合同单价：448元/米（市场铜价：47000元/吨，2020年4月28日）

单台机组箱变低压电缆价格：250880元。

按本文建议箱变低压电缆选型及布置优化后，单台风机至箱变低压电缆项目现场使用数量、采购成本分析如下：

箱变电压电缆选用型号、数量：

相线电缆型号：ZC-YJY23-0.6/1-3×240，并联数量10根，长度40米；中性线电缆型号：ZC-YJY23-0.6/1-3×240，并联数量2根，长度3米。

单台使用电缆长度：406米（10根×40米+2根×3米）

采购合同单价：448元/米（市场铜价：47000元/吨，2020年4月28日）

单台机组箱变低压电价格：180544元。

该项目安装14台3.8MW风电机组，箱变低压电缆实际使用总数量7840米，采购成本3512320元。按本文建议箱变低压电缆选型及布置优化后使用总数量5684米，采购成本2546432元。优化后节约电缆采购成本965888元。

总结

随着3MW以上风机技术日臻成熟，市场装机容量迅速扩大。可预测今后新建项目3MW以上风机必然成为首选机型。随着单机容量越大，箱变低压电缆在项目建设中的需求量和采购成本随之越大。据本次调研数据，容量3MW以上风机箱变低压690V相线电缆选型差异较大，亟需改进优化。建设单位应组织设计院、风机厂家对风机箱变低压电缆选型及布置进行改选优化分析，减少不必要的电缆采购。

参考文献

[1]《电力工程电缆设计标准》（GB/T50217-2018）

[2] MySE3.0MW风电机组《箱变电压侧电缆选型规范》