基于Huebscher模型的新能源高压外送电缆线路技术优化

引言

聚焦能源清洁发展,加强发输电通道建设,拓展新能源消纳空间,可有力推动清洁能源大规模开发外送,缓解弃风、弃光问题。鉴于海外新能源市场的广阔前景,清洁能源长距离高压外送逐渐成为海内外大型新能源项目的标配元素。由于电缆的电容远大于架空输电线路,当电缆长度达到一定限值后,电缆的全部输送容量将仅够用来对电缆自身充电,功率没办法输出,所以,研究电缆的电气特性至关重要。以往国内项目电缆参数通常是通过查阅手册得到,既不确切也不实用,因而在国外未得到广泛认可。

1lEC60287-2-1中电缆外部热阻计算方法

高压电缆在无强迫对流散热的空间敷设,目前数值计算方案是通过对电缆周围一定范围内的电磁场、温度场进行二阶微分方程的数值计算,并考虑之间的相互耦合,不断迭代得到导体温升,最终计算得出载流量。其中热阻的确定对于高压电缆长期允许载流量计算至关重要,对于电缆沟道敷设方式,沟道外部的热阻极难获得。

通常管道中的电缆外部热阻由三部分组成:电缆表面和管道内表面之间的空气热阻T4'、管道本身热阻T4"、管道外部热阻T4m。

管道中的电缆外部热阻计算式为:

在IEC60287-2-2∶2025标准中提到,T4m的计算如下:

其中,

在IEC60287-2-1∶2015标准的4.2.7.4章节中,对于rb的考虑如下:

式中:x为管道短边长度(mm):y管道长边长度(mm):y/x<3。

从已有的IEC60287-2-1∶2015标准可以看出,对于目前电缆沟道敷设的热阻矫正计算方式只适用于电缆沟道长边和短边之比小于3的场景,并没有涉及长边和短边之比大于3的场景。

2多回电缆外部热阻计算方法研究

迪拜五期900MW光伏项目涉及3期共9组高压电缆的敷设,电缆沟道长边和短边之比远大于3,且局部特殊地段开挖场地受限。在高压外送线路投标阶段,共计有4家业内顶尖的高压线路集成商针对迪拜五期特殊的3期9组高压电缆的敷设结构提供了方案,包括预制热阻系数较低的电缆沟回填土,增加电缆敷设间距以减少电缆热阻的影响等,从而满足IEC标准的敷设形式,进而完成线路的电气计算工作。但是,上述方案均将大大增加EРC方的执行费用。其中,韩国LsCable&system在进行投标优化后,提供的方案3回9根电缆单个电缆槽的宽度为2.7m,电缆槽间距需2.9m,9回27根电缆统计下来总敷设宽度仍为27m。外方线路集成商原始方案如图1所示。

在分析高压电缆线路电气特征以及IEC已有模型原理后,针对迪拜五期具体的敷设回填方式,提出当预制电缆管道需回填沙土时,首先假设排管外部有与回填土相等热阻系数的均一介质,再计及预制管道外部土壤之间的热阻系统的差异,加上校正项:

并通过Huebscher模型来模拟方形电缆槽的等效直径:

式中:de为等效直径(mm):a为长边长度(mm):b为短边长度(mm)。

将Huebscher模型和只考虑每期电缆槽的长宽比得到的等效直径作比较,取影响载流量最大值来对目前标准中的计算模型进行补充和扩展。

3多回电缆外部热阻计算方法的应用及其校验

依据上述思路可以避免IEC60287-2-1:2015中运用场景的局限,不直接套用IEC现有的计算模型,在实际项目实施中只考虑每期电缆槽的长宽比,并辅以国际通用的计算软件CYMCAP进行校验,得到一致的结论,如表1所示。

在实际执行中,此计算模型已提交业主及咨询方审核通过,并运用在PHASE A期的外送线路中,每期3回9根电缆分成2个电缆槽,宽度分别为1m、2m,电缆槽间距控制在525mm,9回27根电缆实际敷设的宽度限值在11m左右。实施方案如图2所示。

在扩展目前IEC标准中敷设模型的基础上,针对高压电缆输电线路的电气参数整理总结各种工况下的计算方法,包括电缆参数计算、电缆长期载流量及短时工况下短路电流的需求计算、接地和互联同轴电缆的感应电流及载流量需求计算。其中,电缆护层感应电流的计算对于迪拜五期长距离输送线路的系统分段有较为关键的影响,采取交叉互联的接地方式后,线芯和护套的间距不再保持不变,需要分段计算各段护套的保护电压,这样有利于整个电缆输电系统的设计,以减少中间电缆头数量,有效缩短现场施工时间。迪拜五期采取上述交叉互联接地模式,可以大大减少后期此类工程的设计工作,对于进一步降低EPC整体造价有较大的帮助。交叉互联接地如图3所示。

本项目建立的这种IEC标准中未涉及的电缆敷设模型,在保证电缆载流量的同时,大幅降低了土建开挖及回填工程量、接地电缆工程量,土建开挖及回填工程量减少约为整个外线土建工程量的25%。该计算模型已获得了五期项目业主及当地电力公司的认可,在五期第一期工程项目中得到实际验证。现场外线施工照片如图4所示。

4结语

本文针对新能源项目建立了一种适用于海外地区的外送电缆通道的新型电气性能计算模型,依托于作为迪拜9030综合能源战略一部分的迪拜五期300MW光伏项目,对影响外送电缆线路的参数进行深入研究,同时对高压电缆的各项性能参数进行优化设计,建立起适用于海外长距离外送电缆通道设计的计算方法,获得了较好的经济效果。基于Huebscher模型的新能源高压外送电缆线路技术扩展了目前IEC标准中敷设模型的运用范围,对于IEC相关标准有一定的补充作用,同时为后期填补国内相关规范空白提供了有力的技术支撑。