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(jì)算模型

摘 要：

迪拜五期900 MW光伏項(xiàng)目是迪拜2030綜合能源戰(zhàn)略的一部分，現(xiàn)依托該項(xiàng)目，對影響外送電纜線路的參數(shù)進(jìn)行深入分析，針對IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的電纜敷設(shè)模型，采用創(chuàng)造性思維，通過Huebscher模型來模擬方形電纜槽的等效直徑，在保證電纜載流量的同時(shí)，大幅降低了土建開挖及回填、接地電纜等工程量，擴(kuò)展了目前IEC標(biāo)準(zhǔn)中敷設(shè)模型的運(yùn)用范圍，同時(shí)也彌補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)應(yīng)用的空白。

0 引言

聚焦能源清潔發(fā)展，加強(qiáng)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(fēng)、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(xiàng)目的標(biāo)配元素。由于電纜的電容遠(yuǎn)大于架空輸電線路，當(dāng)電纜長度達(dá)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[1-2]，所以，研究電纜的電氣特性至關(guān)重要。以往國內(nèi)項(xiàng)目電纜參數(shù)通常是通過查閱手冊得到，既不確切也不實(shí)用，因而在國外未得到廣泛認(rèn)可。

1 IEC 60287-2-1中電纜外部熱阻計(jì)算方法

高壓電纜在無強(qiáng)迫對流散熱的空間敷設(shè)，目前數(shù)值計(jì)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(jìn)行二階微分方程的數(shù)值計(jì)算，并考慮之間的相互耦合，不斷迭代得到導(dǎo)體溫升，最終計(jì)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(jì)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[3]。

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"、T4′′′管道外部熱阻。

管道中的電纜外部熱阻計(jì)算式為：

在IEC 60287-2-1: 2015標(biāo)準(zhǔn)中提到，T4′′′的計(jì)算如下：

其中，u=LG/rb。 在IEC 60287-2-1:2015標(biāo)準(zhǔn)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為管道長邊長度（mm）；y/x＜3。 從已有的IEC 60287-2-1: 2015標(biāo)準(zhǔn)可以看出，對于目前電纜溝道敷設(shè)的熱阻矯正計(jì)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(jì)算方法研究

迪拜五期900 MW光伏項(xiàng)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(yuǎn)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(biāo)階段，共計(jì)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)的敷設(shè)形式，進(jìn)而完成線路的電氣計(jì)算工作。但是，上述方案均將大大增加EPC方的執(zhí)行費(fèi)用。其中，韓國LS Cable & System在進(jìn)行投標(biāo)優(yōu)化后，提供的方案3回9根電纜單個(gè)電纜槽的寬度為2.7 m，電纜槽間距需2.9 m，9回27根電纜統(tǒng)計(jì)下來總敷設(shè)寬度仍為17 m。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(dāng)預(yù)制電纜管道需回填沙土?xí)r，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(jì)及預(yù)制管道外部土壤之間的熱阻系統(tǒng)的差異，加上校正項(xiàng)：

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(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算模型進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展。

3 多回電纜外部熱阻計(jì)算方法的應(yīng)用及其校驗(yàn)

依據(jù)上述思路可以避免IEC 60287-2-1: 2015中運(yùn)用場景的局限，不直接套用IEC現(xiàn)有的計(jì)算模型，在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中只考慮每期電纜槽的長寬比，并輔以國際通用的計(jì)算軟件CYMCAP進(jìn)行校驗(yàn)，得到一致的結(jié)論，如表1所示。

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

在擴(kuò)展目前IEC標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算方法，包括電纜參數(shù)計(jì)算、電纜長期載流量及短時(shí)工況下短路電流的需求計(jì)算、接地和互聯(lián)同軸電纜的感應(yīng)電流及載流量需求計(jì)算。其中，電纜護(hù)層感應(yīng)電流的計(jì)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(hù)套的間距不再保持不變，需要分段計(jì)算各段護(hù)套的保護(hù)電壓，這樣有利于整個(gè)電纜輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以減少中間電纜頭數(shù)量，有效縮短現(xiàn)場施工時(shí)間[4-6]。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(jì)工作，對于進(jìn)一步降低EPC整體造價(jià)有較大的幫助。交叉互聯(lián)接地如圖3所示。

本項(xiàng)目建立的這種IEC標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的電纜敷設(shè)模型，在保證電纜載流量的同時(shí)，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(gè)外線土建工程量的25%。該計(jì)算模型已獲得了五期項(xiàng)目業(yè)主及當(dāng)?shù)仉娏镜恼J(rèn)可，在五期第一期工程項(xiàng)目中得到實(shí)際驗(yàn)證。現(xiàn)場外線施工照片如圖4所示。

I

4 結(jié)語

本文針對新能源項(xiàng)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(jì)算模型，依托于作為迪拜2030綜合能源戰(zhàn)略一部分的迪拜五期900 MW光伏項(xiàng)目，對影響外送電纜線路的參數(shù)進(jìn)行深入研究，同時(shí)對高壓電纜的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立起適用于海外長距離外送電纜通道設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效果?；贖uebscher模型的新能源高壓外送電纜線路技術(shù)擴(kuò)展了目前IEC標(biāo)準(zhǔn)中敷設(shè)模型的運(yùn)用范圍，對于IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有一定的補(bǔ)充作用，同時(shí)為后期填補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范空白提供了有力的技術(shù)支撐。

END

審核編輯 ：李倩