引言

聚焦能源清潔發(fā)展,加強發(fā)輸電通道建設(shè),拓展新能源消納空間,可有力推動清潔能源大規(guī)模開發(fā)外送,緩解棄風、棄光問題。鑒于海外新能源市場的廣闊前景,清潔能源長距離高壓外送逐漸成為海內(nèi)外大型新能源項目的標配元素。由于電纜的電容遠大于架空輸電線路,當電纜長度達到一定限值后,電纜的全部輸送容量將僅夠用來對電纜自身充電,功率沒辦法輸出,所以,研究電纜的電氣特性至關(guān)重要。以往國內(nèi)項目電纜參數(shù)通常是通過查閱手冊得到,既不確切也不實用,因而在國外未得到廣泛認可。

1lEC60287-2-1中電纜外部熱阻計算方法

高壓電纜在無強迫對流散熱的空間敷設(shè),目前數(shù)值計算方案是通過對電纜周圍一定范圍內(nèi)的電磁場、溫度場進行二階微分方程的數(shù)值計算,并考慮之間的相互耦合,不斷迭代得到導體溫升,最終計算得出載流量。其中熱阻的確定對于高壓電纜長期允許載流量計算至關(guān)重要,對于電纜溝道敷設(shè)方式,溝道外部的熱阻極難獲得。

通常管道中的電纜外部熱阻由三部分組成:電纜表面和管道內(nèi)表面之間的空氣熱阻T4'、管道本身熱阻T4"、管道外部熱阻T4m。

管道中的電纜外部熱阻計算式為:

在IEC60287-2-2∶2025標準中提到,T4m的計算如下:

其中,

在IEC60287-2-1∶2015標準的4.2.7.4章節(jié)中,對于rb的考慮如下:

式中:x為管道短邊長度(mm):y管道長邊長度(mm):y/x<3。

從已有的IEC60287-2-1∶2015標準可以看出,對于目前電纜溝道敷設(shè)的熱阻矯正計算方式只適用于電纜溝道長邊和短邊之比小于3的場景,并沒有涉及長邊和短邊之比大于3的場景。

2多回電纜外部熱阻計算方法研究

迪拜五期900MW光伏項目涉及3期共9組高壓電纜的敷設(shè),電纜溝道長邊和短邊之比遠大于3,且局部特殊地段開挖場地受限。在高壓外送線路投標階段,共計有4家業(yè)內(nèi)頂尖的高壓線路集成商針對迪拜五期特殊的3期9組高壓電纜的敷設(shè)結(jié)構(gòu)提供了方案,包括預制熱阻系數(shù)較低的電纜溝回填土,增加電纜敷設(shè)間距以減少電纜熱阻的影響等,從而滿足IEC標準的敷設(shè)形式,進而完成線路的電氣計算工作。但是,上述方案均將大大增加EРC方的執(zhí)行費用。其中,韓國LsCable&system在進行投標優(yōu)化后,提供的方案3回9根電纜單個電纜槽的寬度為2.7m,電纜槽間距需2.9m,9回27根電纜統(tǒng)計下來總敷設(shè)寬度仍為27m。外方線路集成商原始方案如圖1所示。

在分析高壓電纜線路電氣特征以及IEC已有模型原理后,針對迪拜五期具體的敷設(shè)回填方式,提出當預制電纜管道需回填沙土時,首先假設(shè)排管外部有與回填土相等熱阻系數(shù)的均一介質(zhì),再計及預制管道外部土壤之間的熱阻系統(tǒng)的差異,加上校正項:

并通過Huebscher模型來模擬方形電纜槽的等效直徑:

式中:de為等效直徑(mm):a為長邊長度(mm):b為短邊長度(mm)。

將Huebscher模型和只考慮每期電纜槽的長寬比得到的等效直徑作比較,取影響載流量最大值來對目前標準中的計算模型進行補充和擴展。

3多回電纜外部熱阻計算方法的應用及其校驗

依據(jù)上述思路可以避免IEC60287-2-1:2015中運用場景的局限,不直接套用IEC現(xiàn)有的計算模型,在實際項目實施中只考慮每期電纜槽的長寬比,并輔以國際通用的計算軟件CYMCAP進行校驗,得到一致的結(jié)論,如表1所示。

在實際執(zhí)行中,此計算模型已提交業(yè)主及咨詢方審核通過,并運用在PHASE A期的外送線路中,每期3回9根電纜分成2個電纜槽,寬度分別為1m、2m,電纜槽間距控制在525mm,9回27根電纜實際敷設(shè)的寬度限值在11m左右。實施方案如圖2所示。

在擴展目前IEC標準中敷設(shè)模型的基礎(chǔ)上,針對高壓電纜輸電線路的電氣參數(shù)整理總結(jié)各種工況下的計算方法,包括電纜參數(shù)計算、電纜長期載流量及短時工況下短路電流的需求計算、接地和互聯(lián)同軸電纜的感應電流及載流量需求計算。其中,電纜護層感應電流的計算對于迪拜五期長距離輸送線路的系統(tǒng)分段有較為關(guān)鍵的影響,采取交叉互聯(lián)的接地方式后,線芯和護套的間距不再保持不變,需要分段計算各段護套的保護電壓,這樣有利于整個電纜輸電系統(tǒng)的設(shè)計,以減少中間電纜頭數(shù)量,有效縮短現(xiàn)場施工時間。迪拜五期采取上述交叉互聯(lián)接地模式,可以大大減少后期此類工程的設(shè)計工作,對于進一步降低EPC整體造價有較大的幫助。交叉互聯(lián)接地如圖3所示。

本項目建立的這種IEC標準中未涉及的電纜敷設(shè)模型,在保證電纜載流量的同時,大幅降低了土建開挖及回填工程量、接地電纜工程量,土建開挖及回填工程量減少約為整個外線土建工程量的25%。該計算模型已獲得了五期項目業(yè)主及當?shù)仉娏镜恼J可,在五期第一期工程項目中得到實際驗證。現(xiàn)場外線施工照片如圖4所示。

4結(jié)語

本文針對新能源項目建立了一種適用于海外地區(qū)的外送電纜通道的新型電氣性能計算模型,依托于作為迪拜9030綜合能源戰(zhàn)略一部分的迪拜五期300MW光伏項目,對影響外送電纜線路的參數(shù)進行深入研究,同時對高壓電纜的各項性能參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,建立起適用于海外長距離外送電纜通道設(shè)計的計算方法,獲得了較好的經(jīng)濟效果。基于Huebscher模型的新能源高壓外送電纜線路技術(shù)擴展了目前IEC標準中敷設(shè)模型的運用范圍,對于IEC相關(guān)標準有一定的補充作用,同時為后期填補國內(nèi)相關(guān)規(guī)范空白提供了有力的技術(shù)支撐。