荒漠地区光伏电站电缆选型研究.pdf

太阳能第 11 期总第 355 期2023 年 11 月No.11Total No.355Nov.,2023SOLAR ENERGY120 引言目前，中国的环境问题日益严重，能源也越来越匮乏，光伏发电作为重要的新能源利用方式，已成为最理想的清洁能源利用技术1。中国的西部荒漠地区面积广阔，日照时间长，太阳辐照量和地质条件都占据极大优势，可用于大力建设光伏电站2。在光伏电站设计和建设过程中，高压、低压电缆的造价约占总造价的 6%，因此，合理的电缆选型和排布可以节省电缆用量，降低工程造价，避免资源浪费3。荒漠地区光伏电站(下文简称为“荒漠光伏电站”)所处地势海拔相对较高，环境具有温度高、污秽重等特点，因此，在满足设计要求及施工质量的前提下，荒漠地区合理的电缆选型不仅应具有经济性，还应具有运行可靠性。电缆选型可遵循电力工程设计手册及GB 502172018电力工程电缆设计标准4中的规定进行研究与计算，但建于不同地形的光伏电站对电缆在选型、设计及施工等环节会略有不同。由于气候和地形不同，荒漠光伏电站在电缆选型和敷设要求上均与其他类型光伏电站不同。本文结合荒漠地区地形及气候特点，从电缆选型、敷设方式、经济电流密度等方面对荒漠光伏电站采用何种电缆更贴合荒漠地区实际情况及更具经济性进行分析。1 光伏电站电缆选型及敷设方式中国不同地区光伏电站对其所用电缆的具体要求也有所不同，但都需要按照电力工程设计手册及 GB 502172018 中的规定执行4。1.1 直流电缆选型及敷设方式光伏电站的直流电缆是指从直流汇流箱至箱逆变一体机之间的电缆。1.1.1 绝缘材料类型低压直流电缆的绝缘材料一般选用聚氯乙烯或交联聚乙烯型挤塑绝缘材料5。对于处在低于DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20230824.02 文章编号：1003-0417(2023)11-12-06荒漠地区光伏电站电缆选型研究夏显威1，彭月2*，张娜2，李晋锋1，朱丽侠1(1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，巴音郭楞蒙古自治州 841000；2.西安隆基清洁能源有限公司，西安 710100)摘要：随着实现碳达峰、碳中和目标的持续推进，清洁能源越来越受到关注，促使光伏发电得到大力发展，光伏电站的建设规模也日益扩大。但与此同时也出现了一些技术问题，比如电缆选型问题。结合荒漠地区光伏电站的特点，对直流电缆和交流电缆选型进行研究；通过对敷设方式、经济电流密度等影响因素进行分析，并利用算例分析确定兼具可靠性与经济性的光伏电站电缆选型。分析结果显示：荒漠光伏电站的电缆敷设方式一般选择直埋或沟敷设；直流电缆选型时需满足载流量、热稳定校验及压降等要求，而交流电缆选型时除需满足载流量、热稳定校验及压降等要求外，还需要考虑经济电流密度，因为其可使电缆选型结果更具有经济性和可靠性。该电缆选型方法同样适用于山地和平地场景下的光伏电站。关键词：荒漠地区；光伏电站；电缆选型；直埋敷设；压降中图分类号：TM757.3/TM615 文献标志码：A收稿日期：2023-08-24通信作者：彭月(1992)，女，硕士，主要从事光伏电站电气设计方面的研究。2023-11杂志.indd 122023-11杂志.indd 122023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49第 11 期-15 环境中的电缆，考虑到低温条件和绝缘性能，建议选择交联聚乙烯型挤塑绝缘材料5。1.1.2 绝缘水平光伏组件至汇流箱之间的最大直流电压为1500 V，因此，直流电缆的额定电压等级一般选用 1.8/3 kV，即极对地绝缘水平为 1.8 kV，极间绝缘水平为 3 kV5。1.1.3 电缆的护层材料电缆的护层材料需要与电缆最高允许工作温度相适应。结合荒漠光伏电站的环境条件，对于处在低于-15 环境中的低压直流电缆挤塑外护层宜选用交联聚乙烯材料，其他情况建议选择聚氯乙烯材料外护层。1.1.4 电缆敷设方法电缆的敷设方式需要根据荒漠光伏电站光伏区的环境条件、工程条件及电缆选型等因素综合考虑后选择，同时还需要从经济性和运行维护两个方面进行考虑。常见的低压直流电缆敷设方式包括直埋和电缆沟敷设两种。1.2 交流电缆选型及敷设方式光伏电站的交流电缆是指从箱逆变一体机至升压站进站开关柜之间的电缆。1.2.1 绝缘材料类型高压交流电缆的绝缘材料一般选用交联聚乙烯绝缘材料，且高压交流电缆需采用内、外半导电屏蔽层与绝缘层 3 层共挤的工艺形式。1.2.2 绝缘水平光伏电站箱逆变一体机至升压站进站开关柜之间的交流电缆为 35 kV 电压等级。因此，交流电缆的额定电压等级一般选用 26/35 kV，即极对地绝缘水平为 26 kV，极间绝缘水平为 35 kV5。1.2.3 电缆的护层材料交流侧发电系统中单芯电缆若需要增强其抗外力能力时，电缆外护层应选用非磁性金属铠装层，不得选用未经非磁性处理的钢制铠装层5。1.2.4 电缆敷设方法电缆的敷设方式需要根据荒漠光伏电站光伏区的环境条件、工程条件及电缆选型等因素综合考虑后选择，同时还需要从经济性和运行维护两个方面进行考虑。常见的高压交流电缆敷设方式包括直埋和电缆沟敷设两种。2 经济电流密度计算依据 JB/T 10181.322014电缆载流量计算第 32 部分：运行条件相关电力电缆截面的经济优化选择或 IEC 60287-3-2：1995Electric cablesCalculation of the current ratingPart 3：Sections on operating conditionsSection 2：Economic optimization of power cable size中的计算方法进行经济电流密度计算。当导体截面为经济截面时其总费用最低，此时导体单位截面积流过的电流即为经济电流密度。经济截面一般是使电缆总费用函数为最小值时对应的导体截面6。电缆总费用 CT与导体截面 S 的函数 CT(S)可表示为：CT(S)=CI(S)+I2maxR(S)lF (1)式中：CI(S)为导体截面与电缆线路安装费用之间的函数；Imax为第 1 年内导体的最大负荷电流，即小时最大平均电流值；l 为电缆长度；R(S)为导体单位长度的交流电阻与其截面的函数；F 为辅助量，导体电流和电阻之外的所有参数都用该系数表示。CI(S)和 R(S)之间的关系式可从标准导体截面单位长度电缆的交流电阻与标准导体截面电缆已知价格之间的关系中推导出。根据 IEC 60287-1-12006Electric cablesCalculation of the current ratingPart 1-1：Current rating equations(100%load factor)and calculation of lossesGeneral，导体单位长度的交流电阻与其截面的函数之间关系的计算式6可表示为：R(S)=B201+20(m20)106 (2)S式中：B 为假定的导体经济截面可能值，可夏显威等：荒漠地区光伏电站电缆选型研究行 业 观 察132023-11杂志.indd 132023-11杂志.indd 132023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:492023 年太阳能由 IEC 60287-1-12006 中的公式计算求得；20为 20 时导体的直流电阻率；20为 20 时导体的电阻温度系数；m为导体的平均工作温度。考虑电缆型号和安装费后，导体截面与电缆线路安装费用函数之间关系的计算式6可以表示为：CI(S)=l(AS+C)(3)式中：A 为与导体截面有关的单位长度电缆费用中的可变部分费用；C 为与电缆敷设条件等有关的单位长度电缆费用中的不变部分费用。对式(1)中的 S 进行求导，使其为零时，可求得经济截面 Sec6，其可表示为：Sec=1000 I2maxF20B1+20(m20)(4)A其中：B=(1+yp+ys)(1+1+2)(5)式中：ys、yp分别为集肤效应和邻近效应系数；1、2分别为金属套和铠装的损耗因数。F=NpNc(TP+D)100Q 100+i (6)式中：Np为每个回路的相导体数；Nc为类型和负荷值相同的回路数；P 为相应电压等级下消耗 1Wh 电能的费用；T 为最大焦耳损耗下的工作时间；D 为年供电费用；Q 为辅助量；i 为折现率。3 算例分析本文以新疆维吾尔自治区某 100 MW 荒漠光伏电站为例，该电站共有 257972 块 545 W 单晶硅光伏组件，每 26 块光伏组件串联为 1 个光伏组串，每 24 路光伏组串接入 1 台 24 汇 1 的直流汇流箱，每 14 台直流汇流箱接入 1 台 3125 kW的箱逆变一体机。该电站共设 32 个光伏子阵，每个光伏子阵设置 14 台 24 汇 1 的直流汇流箱和1 台 3125 kW 的箱逆变一体机。本项目中电缆采用直埋敷设方式。标准测试条件(STC)下 545 W 单晶硅光伏组件的主要电性能参数如表 1 所示。表 1 STC 下 545 W 单晶硅光伏组件的 主要电性能参数Table 1 Main electrical performance parameters of 545 W mono-Si PV modules under STC 参数数值最大功率/W545.00开路电压/V49.65短路电流/A13.92峰值功率电压/V41.80峰值功率电流/A13.04最大系统电压/V1500(DC)最大保险丝额定电流/A30.003.1 直流电缆选型及敷设3.1.1 载流量校验电缆载流量校验除了需要考虑额定载流量外，还需要与回路过负荷保护配合7，一般回路过负荷保护所需校验的载流量大于额定载流量。电缆载流量校验需满足式(7)6，即：KIxuIg (7)式中：K 为电缆在土壤中直埋敷设方式下的综合校正系数；Ixu为电缆在直埋敷设条件下的额定载流量；Ig为电缆长期持续工作下的电流。3.1.2 热稳定校验电缆导体的热稳定校验需满足式(8)，即：S=H (8)c式中：H 为热效应值；c 为热稳定系数。3.1.3 综合校正系数的选择在直埋电缆的载流量计算式中综合校正系数的取值会依据环境条件及敷设方式等进行选择8，根据本算例的情况其可表示为：K=KtK4 (9)式中：Kt为环境温度校正系数；K4为土壤直埋并敷设多根电缆时的载流量校正系数。行 业 观 察142023-11杂志.indd 142023-11杂志.indd 142023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49第 11 期在电缆工作电流一定的情况下，由式(9)可知，电缆采用直埋敷设方式时，影响载流量的因素有 2 个。依据电力工程设计手册进行电缆的截面选型。3.1.4 压降校验直流电缆压降 U 的计算式4可表示为：U=200Igl R1 (10)U式中：U 为电缆工作电压；R1为每千米电缆的电阻。在满足 GB 502172018 要求的前提下，箱逆变一体机中逆变器的最大功率点跟踪(MPPT)的电压跟踪范围为 8751300 V，光伏组件在正常发电状态下，会因受到环境、温度、太阳辐照度强弱等因素的影响而不断变化，在考虑经济电流密度的情况下，汇流箱到箱逆变一体机之间的直流电缆压降满足 GB 502172018 中的要求即可。汇流箱正常接的路数是 24 路，若在不满接的情况下计算压降，该压降值远小于国标中要求的压降值即可。本算例中，电缆长度按照 0.1 km 计算，每个汇流箱接 24 路电缆，则压降应为 2%；若每个汇流箱接 21 路，则压降应为 1.75%；若每个汇流箱接 20 路，则压降应为 1.67%。3.1.5 电缆选型结果在满足上述条件的前提下，计算得到直流电缆的相关参数结果，根据该结果，选择型号为ZRC-YJLHY23-1.8/3kV-2240 mm2的直流电缆。3.1.6 小结选择直流电缆时，主要考虑载流量、热稳定校验和压降。直流电缆在本算例中用在汇流箱至箱逆变一体机之间，电压等级属于低压，一般选用铝合金电缆即可，型号通常选择 ZRC-YJLHY23-1.8/3kV。直流汇流箱较常出现不满接的情况，24 汇 1 的直流汇流箱通常接 20 或 21路电缆，合理的选型和敷设方式可以节省电缆的成本。3.2 交流电缆选型及敷设3.2.1 载流量校验交流电缆的载流量校验需满足：箱逆变一体机输出的最大交流功率(3437.5 kVA)为 1.1 倍的额定运行功率。本算例中，箱逆变一体机的额定交流电压为 35 kV，单台箱逆变一体机输出的额定交流电流经载流量反向校正后，其与综合校正系数存在如下关系6：IN1 1 (11)K式中：IN1为单台箱逆变一体机输出的额定交流电流经载流量反向校正后的电流。本算例中按照每回 35 kV 线路汇集 4 回集电线路，每回集电线路容量约为25 MW，合计4回。单台箱逆变一体机可接入容量及对应电缆截面可按照式(11)计算得到。3.2.2 热稳定校验交流电缆的热稳定校验计算方法同直流电缆的相同。3.2.3 综合校正系数的选择交流电缆在土壤中直埋敷设方式下的综合校正系数的计算方法同直流电缆时的相同。3.2.4 经济截面的选择本算例中光伏组件最佳倾角下接收的年总太阳辐射量为 5550.8 MJ/m2，将求出的电缆最大焦耳损耗下的工作时间和相应电压等级下消耗 1 Wh 电能的费用代入到式(6)，然后再计算求得最大负荷电流下经济截面。3.2.5 压降校验三相交流电缆压降 U1的计算式4可以表示为：U1=173 Igl(R1cos+xsin)(12)U式中：cos 为功率因数；sin 为无功功率与视在功率的比值；x 为每千米电缆的电抗。单相交流电缆压降 U2的计算式4可以表示为：行 业 观 察夏显威等：荒漠地区光伏电站电缆选型研究152023-11杂志.indd 152023-11杂志.indd 152023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:492023 年太阳能U2=200 Igl(R1cos+xsin)(13)U本算例中，电缆长度按照 0.1 km 计算，当采用型号为 ZRC-YJLHY23-26/35kV-395mm2的电缆时，其压降为 4%；当采用型号为 ZRC-YJLHY23-26/35kV-3240mm2的电缆时，其压降为 3%；当采用型号为 ZRC-YJLHY23-26/35kV-3400mm2的电缆时，其压降为 2%，当采用型号为 ZRC-YJY63-26/35kV-1300mm2的电缆时，其压降为 2%。3.2.6 经济截面交流电缆的选型结果本算例中共 4 回集电线路，每回集电线路包括 8 台箱逆变一体机，由于每回集电线路对应的交流电缆型号均相同，因此仅对 1 回集电线路，也就是 8 台箱逆变一体机的交流电缆选型结果进行分析。在满足上文分析结果的情况下，经济截面交流电缆的选型结果如表 2 所示。表 2 采用经济截面时交流电缆的选型结果Table 2 Selection results of AC cables with economical cross section箱逆变一体机数量/台电缆型号1ZRC-YJLHY23-26/35kV-395 mm22ZRC-YJLHY23-26/35kV-395 mm23ZRC-YJLHY23-26/35kV-3150 mm24ZRC-YJLHY23-26/35kV-3240 mm25ZRC-YJLHY23-26/35kV-3240 mm26ZRC-YJY63-26/35kV-1400 mm27ZRC-YJY63-26/35kV-1400 mm28ZRC-YJY63-26/35kV-1500 mm2集电线路采用交流电缆，其电压等级为高压，因此需采用高压交流电缆。交流电缆的选型过程需同时满足载流量、热稳定校验、压降及经济的要求，这样得到的选型结果才更具有经济性和合理性。4 结论本文结合荒漠地区地形及气候特点，从电缆选型、敷设方式、经济电流密度等方面对荒漠光伏电站采用何种电缆更贴合荒漠地区实际情况及更具经济性进行了分析。分析结果显示：荒漠光伏电站的电缆敷设方式一般选择直埋或沟敷设；直流电缆选型时需满足载流量、热稳定校验及压降等要求，而交流电缆选型时除需满足载流量、热稳定校验及压降等要求外，还需要考虑经济电流密度，因为其可使电缆选型结果更具有经济性和可靠性。该电缆选型方法同样适用于山地和平地场景下的光伏电站。参考文献 1 宋贤斌.超大规模荒漠并网光伏电站的建设 J.中华民居(下旬刊)，2014(4)：240-241.2 吴红，张冰.荒漠气候中并网光伏电站不同类型发电形式分析研究 J.价值工程，2014，33(35)：71-72.3 杨静静，蒋克勇，何晓龙，等.光伏电站电缆布局优化设计 J.自动化技术与应用，2018，37(12)：114-118.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.电力工程电缆设计规范：GB 502172018S.北京：中国计划出版社，2018.5 中国电力工程顾问集团有限公司.电力工程设计手册 电力系统规范设计 M.北京：中国电力出版社，2019.6 中华人民共和国工业和信息化部.电缆载流量计算第 32部分：运行条件相关电力电缆截面的经济优化选择：JB/T 10181.322014S.北京：机械工业出版社，2014.7 张彦昌，石巍.光伏电站直流汇流电缆选型 J.电力建设，2014，35(2)：113-116.8 陈景涛，李锡芝.大型光伏电站电力电缆截面经济最佳化因素探讨 J.电线电缆，2016(1)：13-17.行 业 观 察162023-11杂志.indd 162023-11杂志.indd 162023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49第 11 期 RESEARCH ON CABLE SELECTION FOR PV POWER STATIONS IN DESERT AREASXia Xianwei1，Peng Yue2，Zhang Na2，Li Jinfeng1，Zhu Lixia1(1.China National Petroleum Corporation(CNPC)Tarim Oilfield Company，Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture 841000，China；2.Xi an LONGi Clean Energy Co.，Ltd.，Xi an 710100，China)Abstract：With the continuous promotion of achieving carbon peak and carbon neutrality goals，clean energy is receiving increasing attention，promoting the vigorous development of PV power generation，and the construction scale of PV power stations is also expanding day by day.But at the same time，there have also been some technical issues，such as cable selection issues.This paper studies the selection of DC and AC cables based on the characteristics of PV power stations in desert areas，by analyzing factors such as laying method，economic current density，and using numerical examples to determine a reliable and cost-effective cable selection for PV power stations.The analysis results show that the cable laying method for desert PV power stations generally chooses direct burial or trench laying；When selecting DC cables，it is necessary to meet the requirements of current carrying capacity，thermal stability verification，and voltage drop.However，when selecting AC cables，in addition to meeting the requirements of current carrying capacity，thermal stability verification，and voltage drop，it is also necessary to consider the economic current density，as it can make the cable selection results more economical and reliable.This cable selection method is also applicable to PV power stations in mountainous and flat terrain scenarios.Keywords：desert areas；PV power stations；cable selection；directly buried laying；pressure drop行 业 观 察夏显威等：荒漠地区光伏电站电缆选型研究172023-11杂志.indd 172023-11杂志.indd 172023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49