探究66kV集电海缆在我国大型海上风电项目中的应用

引言

集电海缆是海上风电项目中重要的组成部分,目前国内近海浅水区的海上风电项目中常见的集电海缆多为35kV三芯xLPE海底电缆。相对于单芯电缆,三芯xLPE海底电缆在运行过程中损耗更小,更节省生产、敷设及运维过程中的成本[1]。66kV集电海缆目前在英国、德国等欧洲国家的海上风电项目中使用得较为广泛,该领域在国内尚属空白。相对于35kV,66kV集电海缆可以输送更多的电能,连接更多同等单机容量的风力发电机组,风机间的间距也可布置得更大,在大型海上风电项目中技术优势更为明显。

1国内集电海缆的应用情况

海底电缆是海上风电场输变电系统的关键部分,国内应用经验仍较少,实施难度较大,单位造价很高,基于此,有必要对海底电缆的性能、选型、设计等问题进行更深入的研究与探索。目前国内的海上风电项目多在近海浅水区域,大部分场址容量在100~400Mw及以上的区间。针对近海浅水区的海上风电项目,目前国内较为主流的海缆生产厂均把35kV交联聚乙烯绝缘、分相铅护套、钢丝铠装、光电复合、三芯海底电缆作为制作的主体,电缆截面主要在3×70mm2到3×400mm2的区间。表1为近年来国内主流海缆厂的35kV集电海缆部分业绩。

通过表1可以看到,国内的近海浅水区海上风电项目均以35kV电压等级作为集电系统的电压等级。由于电压等级只有35kV,所以单回的集电海缆输送能力很有限。以粤东某近海浅水海上风电项目为例,一个400Mw的海上风电项目,共布置57台7Mw的海上风力发电机组,共需要16回35kV的集电海缆,该项目选取的最大35kV集电海缆截面为3×400mm2,在理想工况下最多可连接5台7Mw的风机,本项目35kV集电海缆的总采购长度要达到100km以上。

266kV集电海缆的关键参数

目前,欧洲海上风电项目66kV集电海缆应用已经较为成熟,虽然国内尚无应用实施,但国内有些海缆生产厂已经具备生产66kV交流聚乙烯集电海缆的能力。66kV集电海缆的规格范围在3×95mm2到3×800mm2区间,在环境温度为25℃,埋设深度为1.5m,热阻系数为1.2m·K/w的工况下载流量在269A到680A区间,单回输送容量从30Mw到74Mw左右。同等截面的66kV集电海缆在同等工况下输送容量是同等截面35kV集电海缆输送容量的1.8倍以上,大大提高了集电海缆的输送能力。电缆外径为137~192mm,相对于35kV集电海缆的外径,尺寸变化并不大,对施工的影响有限。

从海缆截面形式来看,可采用单芯或三芯电缆,单芯海底电缆与三芯海底电缆各有利弊。单芯海底电缆外径小,单位重量轻,电缆的敷设及检修难度小:但是占用较大的海域面积,敷设费用较高。三芯电缆具有平衡的负载,在铠装层中没有感应的循环电流,敷设费用也低:但是其外径较大,单位重量大,电缆的敷设及检修难度相对较大。由于集电海缆的设计用量较多,单回输送容量需求有限,此外从集约利用海洋资源以及技术优越性的角度出发,66kV电压等级的集电海缆推荐采用同35kV集电海缆一致的三芯模式。

366kV同35kV集电海缆在大容量海上风电项目中应用的技术对比

假定南海某区域有一个900Mw容量的海上风电项目,设计布置140台6.45Mw的风力发电机。按照35kV集电海缆去设计,至少需要28个集电回路,每个回路最多可连接5台6.45Mw的风机。其中连接1~2台风机采用3×70mm2截面,连接3台风机采用3×150mm2截面,连接4台风机需要3×300mm2截面,连接5台风机采用3×400mm2截面的海缆。所需要的集电海缆总长约为240km。

近海深水区域900Mw大型海上风电项目的35kV集电海缆布置如图1所示。

同样的装机规模与风机布置,当采用66kV集电海缆时,连接1~4台6.45Mw的风机仅需要选择一根3×95mm2截面的海缆,当选择最大3×800mm2截面的66kV集电海缆时,可以同时连接到11台6.45Mw的风机。整个风电场的140台风力发电机组,在66kV集电系统的连接下,仅需要13个回路即可完成电能汇集至海上升压站的任务,比35kV集电系统所需回路数的一半还要少。所需要的集电海缆总长约为115km,是35kV集电海缆总长的48%左右。除了总回路数与海缆总长上的技术优势外,66kV集电海缆相对于35kV集电海缆而言,单位与总电能损耗更少,电压压降更小。同样在规范要求的5%压降条件下,66kV的单回长度可以延伸得更长。

近海深水区域900Mw大型海上风电项目的66kV集电海缆布置如图2所示。

4结语

综上所述,35kV集电海缆基本可以满足小、中型近海浅水区海上风电项目的使用需求。随着机组单机容量的大型化,风电场总装机容量的不断提升,66kV集电海缆在深远海大型海上风电项目中具有很明显的技术优势。虽然66kV集电海缆目前在国内海上风电项目中还没有实际应用的先例,但相信随着我国海上风电事业的不断发展与设备工艺水平的不断进步,66kV甚至更高电压等级的集电系统将会在我国未来的海上风电项目中发挥更大的作用。