基于Huebscher模型的新能源高壓外送電纜線(xiàn)路技術(shù)優(yōu)化

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(dòng)清潔能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)外送,緩解棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。鑒于海外新能源市場(chǎng)的廣闊前景,清潔能源長(zhǎng)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(xiàn)路,當(dāng)電纜長(zhǎng)度達(dá)到一定限值后,電纜的全部輸送容量將僅夠用來(lái)對(duì)電纜自身充電,功率沒(méi)辦法輸出,所以,研究電纜的電氣特性至關(guān)重要。以往國(guó)內(nèi)項(xiàng)目電纜參數(shù)通常是通過(guò)查閱手冊(cè)得到,既不確切也不實(shí)用,因而在國(guó)外未得到廣泛認(rèn)可。

1lEC60287-2-1中電纜外部熱阻計(jì)算方法

高壓電纜在無(wú)強(qiáng)迫對(duì)流散熱的空間敷設(shè),目前數(shù)值計(jì)算方案是通過(guò)對(duì)電纜周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)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(duì)于高壓電纜長(zhǎng)期允許載流量計(jì)算至關(guān)重要,對(duì)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(jì)算式為:

在IEC60287-2-2∶2025標(biāo)準(zhǔn)中提到,T4m的計(jì)算如下:

其中,

在IEC60287-2-1∶2015標(biāo)準(zhǔn)的4.2.7.4章節(jié)中,對(duì)于rb的考慮如下:

式中:x為管道短邊長(zhǎng)度(mm):y管道長(zhǎng)邊長(zhǎng)度(mm):y/x<3。

從已有的IEC60287-2-1∶2015標(biāo)準(zhǔn)可以看出,對(duì)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(zhǎng)邊和短邊之比小于3的場(chǎng)景,并沒(méi)有涉及長(zhǎng)邊和短邊之比大于3的場(chǎng)景。

2多回電纜外部熱阻計(jì)算方法研究

迪拜五期900MW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(zhǎng)邊和短邊之比遠(yuǎn)大于3,且局部特殊地段開(kāi)挖場(chǎng)地受限。在高壓外送線(xiàn)路投標(biāo)階段,共計(jì)有4家業(yè)內(nèi)頂尖的高壓線(xiàn)路集成商針對(duì)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(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)的敷設(shè)形式,進(jìn)而完成線(xiàn)路的電氣計(jì)算工作。但是,上述方案均將大大增加EРC方的執(zhí)行費(fèi)用。其中,韓國(guó)LsCable&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2.7m,電纜槽間距需2.9m,9回27根電纜統(tǒng)計(jì)下來(lái)總敷設(shè)寬度仍為27m。外方線(xiàn)路集成商原始方案如圖1所示。

在分析高壓電纜線(xiàn)路電氣特征以及IEC已有模型原理后,針對(duì)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(guò)Huebscher模型來(lái)模擬方形電纜槽的等效直徑:

式中:de為等效直徑(mm):a為長(zhǎng)邊長(zhǎng)度(mm):b為短邊長(zhǎng)度(mm)。

將Huebscher模型和只考慮每期電纜槽的長(zhǎng)寬比得到的等效直徑作比較,取影響載流量最大值來(lái)對(duì)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IEC60287-2-1:2015中運(yùn)用場(chǎng)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(zhǎng)寬比,并輔以國(guó)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(xún)方審核通過(guò),并運(yùn)用在PHASE A期的外送線(xiàn)路中,每期3回9根電纜分成2個(gè)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(shí)際敷設(shè)的寬度限值在11m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(duì)高壓電纜輸電線(xiàn)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(zhǎng)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(duì)于迪拜五期長(zhǎng)距離輸送線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)施工時(shí)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(lèi)工程的設(shè)計(jì)工作,對(duì)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(kāi)挖及回填工程量、接地電纜工程量,土建開(kāi)挖及回填工程量減少約為整個(gè)外線(xiàn)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?，F(xiàn)場(chǎng)外線(xiàn)施工照片如圖4所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)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9030綜合能源戰(zhàn)略一部分的迪拜五期300MW光伏項(xiàng)目,對(duì)影響外送電纜線(xiàn)路的參數(shù)進(jìn)行深入研究,同時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(xiàn)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(duì)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(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范空白提供了有力的技術(shù)支撐。