光伏系统直流电缆的特性及选型设计

光伏系统直流电缆的特性及选型设计
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。

如果说光伏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干线电缆的认识，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。

我国大型地面光伏电站一般都在西部，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-YJV220.6/1kv、ZRYJY230.6/1kv，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。

直流干线电缆的绝缘特性
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。

对于一些分布式光伏电站的直流干线，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，而直流干线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，直流干线电缆的绝缘性能和交流电缆差别还是很大。