特變電工新疆新能源股份有限公司研發(fā)部 ■ 汪婷婷 張?zhí)?張梅 王闖

一 引言

國(guó)家電纜選型手冊(cè)已經(jīng)非常完善，但是針對(duì)光伏電站所特有的發(fā)電特性來(lái)說(shuō)存在一定的局限性和差異性，因光伏系統(tǒng)電纜選型偏差所造成的材料資金浪費(fèi)或用電安全隱患的問(wèn)題也常有耳聞，且光伏電站均建在室外，日照時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境溫度高、水分遷移現(xiàn)象嚴(yán)重等因素加劇了電纜絕緣老化速度。電纜絕緣老化是一個(gè)長(zhǎng)期累積效果，不易被察覺(jué)，一旦達(dá)到臨界值將造成嚴(yán)重的用電安全事故，所以，光伏系統(tǒng)電纜合理選擇應(yīng)得到足夠重視。

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含多種電纜敷設(shè)形式，比較常見(jiàn)的有自由空氣中敷設(shè)、直埋電纜敷設(shè)和電纜溝敷設(shè)3種。電纜選型通常采用按溫升選擇截面積和按經(jīng)濟(jì)電流選擇電纜截面積兩種，兩者取截面較大者，同時(shí)按照電壓損失、電路動(dòng)熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)電纜截面積。本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)上述3種電纜敷設(shè)形式，提出了電纜載流量及選型計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上分析溫升法和經(jīng)濟(jì)電流法在光伏系統(tǒng)電纜選型方面的適用性。

二 電纜選型的一般原則

光伏發(fā)電的電纜選擇首先應(yīng)遵循電纜選擇的一般要求，即按照系統(tǒng)電壓等級(jí)、電纜導(dǎo)體材料、電纜芯數(shù)、絕緣性能、阻燃性能、電纜敷設(shè)方式、滿足長(zhǎng)期工作允許電流、經(jīng)濟(jì)電流密度及敷設(shè)環(huán)境條件因素等進(jìn)行選型，按照短路動(dòng)熱穩(wěn)定性、電壓損失、機(jī)械強(qiáng)度等進(jìn)行選型校驗(yàn)。同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)又具有常在惡劣環(huán)境條件下使用等自身特點(diǎn)，如高溫、嚴(yán)寒、紫外線輻射和水分遷移等。

按照溫升法選擇電纜截面時(shí)應(yīng)滿足線路工作電流≥電纜載流量，因光伏發(fā)電系統(tǒng)為斷續(xù)工作或短時(shí)工作，在計(jì)算時(shí)應(yīng)將線路工作電流折算成等效發(fā)熱電流，按溫升選擇電纜的截面，或者按工作制校正電線、電纜載流量。按經(jīng)濟(jì)電流選擇截面時(shí)要以初始投資(電纜主材、附件費(fèi)用及施工費(fèi)用之和)和經(jīng)濟(jì)壽命內(nèi)導(dǎo)體損耗費(fèi)用之和最小為依據(jù)。根據(jù)我國(guó)情況，如果能全面推行按經(jīng)濟(jì)電流選擇電線、電纜截面的方法，將減少35%～42%的線路損耗，經(jīng)濟(jì)意義十分重大。

三 不同敷設(shè)形式下電纜載流量計(jì)算

1 自由空氣敷設(shè)

在光伏系統(tǒng)中自由空氣電纜敷設(shè)較少，主要考慮環(huán)境溫度、是否有陽(yáng)光照射及電纜敷設(shè)方式。

(1)環(huán)境溫度校正系數(shù)

當(dāng)敷設(shè)處環(huán)境溫度不同于載流量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，載流量應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt，其計(jì)算公式為：

其中，θn為電纜線芯允許長(zhǎng)期工作溫度，℃；θa為敷設(shè)處的環(huán)境溫度，℃；θc為已知載流量數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)溫度，℃。

(2)戶(hù)外無(wú)遮陽(yáng)校正系數(shù)

(3)敷設(shè)方式校正系數(shù)

表1給出了1～10kV電纜戶(hù)外敷設(shè)無(wú)遮陽(yáng)時(shí)載流量校正系數(shù)。

敷設(shè)方式大致分為水平單層敷設(shè)、水平三角敷設(shè)和水平多層敷設(shè)3種形式，敷設(shè)方法分為直接接觸和間距敷設(shè)2種。在水平多層敷設(shè)時(shí)校正系數(shù)較小，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免2層及以上的敷設(shè)方法。

綜上，計(jì)算敷設(shè)在自由空氣中的電纜載流量需包含溫度校正系數(shù)、敷設(shè)方式校正系數(shù)和戶(hù)外無(wú)遮陽(yáng)校正系數(shù)。線路負(fù)荷工作電流除以上述系數(shù)之積，即為電纜選型載流量，可依據(jù)此載流量進(jìn)行電纜選型。敷設(shè)在自由空氣中的不同敷設(shè)方法電纜載流量校正系數(shù)見(jiàn)表2。

表1 1～10kV電纜戶(hù)外敷設(shè)無(wú)遮陽(yáng)時(shí)載流量校正系數(shù)

表2 敷設(shè)在自由空氣中的不同敷設(shè)方法電纜載流量校正系數(shù)

2 直埋電纜敷設(shè)

直埋敷設(shè)與電纜溝敷設(shè)相比，具有建筑費(fèi)用低、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因此直埋電纜敷設(shè)方式在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。直埋敷設(shè)方式主要考慮環(huán)境溫度、不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)的載流量修正系數(shù)、敷設(shè)方式及是否有水分遷移現(xiàn)象，其中電纜敷設(shè)方式分為單回敷設(shè)和多回敷設(shè)2種。

(1)環(huán)境溫度校正系數(shù)

直埋敷設(shè)時(shí)取埋深處最熱月平均地溫作為直埋敷設(shè)環(huán)境溫度，當(dāng)敷設(shè)處環(huán)境溫度不同于載流量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，載流量應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt，其計(jì)算公式與式1相同。

(2)不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)的載流量修正系數(shù)

表3給出了不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)，其載流量修正系數(shù)見(jiàn)表4。

(3)水分遷移修正系數(shù)

當(dāng)設(shè)計(jì)選用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜直埋地敷設(shè)時(shí)，由于這種電纜的線芯工作溫度可達(dá)90℃，電纜表面溫度較高，往往造成電纜沿線周?chē)寥栏苫?，即所謂水分遷移現(xiàn)象。由于水分遷移使土壤熱阻系數(shù)增大，電纜線芯長(zhǎng)期工作溫度超過(guò)70℃時(shí)，水分遷移較明顯，線芯溫度愈高，情況愈嚴(yán)重。這種現(xiàn)象在地下水位較低的西北地區(qū)尤為顯著，屢有電纜過(guò)熱事故發(fā)生。因此，除直接埋設(shè)于水泥或?yàn)r青路面下或有保水覆蓋層的情況外，一般應(yīng)考慮水分遷移的影響。設(shè)計(jì)宜采用土壤熱阻系數(shù)2.5～3.0(K·m)/W來(lái)修正電纜載流量，以降低電纜表面溫度，否則應(yīng)采用特殊回墊土換土處理。

表3 不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)

表4 不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)的載流量修正系數(shù)

(4)多回路直埋電纜的載流量校正系數(shù)

當(dāng)直埋電纜敷設(shè)滿足埋地深度0.7m，土壤熱阻系數(shù)為2.5(K·m)/W時(shí)采用表5所示載流量校正系數(shù)。

表5 多回路直埋電纜的載流量校正系數(shù)

綜上，計(jì)算直埋電纜敷設(shè)的電纜載流量需包含溫度校正系數(shù)、不同類(lèi)型土壤熱阻系數(shù)的載流量修正系數(shù)、水分遷移修正系數(shù)和多回路直埋電纜的載流量校正系數(shù)。線路負(fù)荷工作電流除以上述系數(shù)之積，即為電纜選型載流量，可依據(jù)此載流量進(jìn)行電纜選型。

3 電纜溝敷設(shè)

在光伏電站中電纜溝敷設(shè)方式主要分為室內(nèi)電纜溝敷設(shè)和室外電纜溝敷設(shè)2種。因其建筑費(fèi)用較高，施工相對(duì)復(fù)雜，在光伏電站中部分采用電纜溝敷設(shè)方式，主要分布在匯集線路主干道、分站房及配電室內(nèi)。這種敷設(shè)方式下的載流量計(jì)算主要考慮環(huán)境溫度和電纜敷設(shè)方式，其中電纜敷設(shè)方式分為水平單層敷設(shè)、三角敷設(shè)和多層敷設(shè)。

(1)環(huán)境溫度校正系數(shù)

室內(nèi)電纜敷設(shè)時(shí)取最熱月的每日最高溫度平均值另加5℃作為室內(nèi)電纜敷設(shè)時(shí)的環(huán)境溫度；室外電纜敷設(shè)時(shí)取最熱月的每日最高溫度平均值作為室外電纜敷設(shè)時(shí)的環(huán)境溫度，當(dāng)敷設(shè)處環(huán)境溫度不同于載流量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，載流量應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt，其計(jì)算公式與式1相同。

(2)敷設(shè)方式校正系數(shù)

電纜溝敷設(shè)方式與自由空氣敷設(shè)大致相同，主要分為單層敷設(shè)、三角敷設(shè)和多層敷設(shè)3種形式，敷設(shè)方法分為直接接觸和間距敷設(shè)2種。在水平多層敷設(shè)時(shí)校正系數(shù)較小，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免2層及以上的敷設(shè)方法。載流量校正系數(shù)參考表2所示。

綜上，計(jì)算敷設(shè)在電纜溝內(nèi)的電纜載流量需包含溫度校正系數(shù)和敷設(shè)方式校正系數(shù)。線路負(fù)荷工作電流/上述系數(shù)之積，即為電纜選型載流量，可依據(jù)此載流量進(jìn)行電纜選型。

四 光伏系統(tǒng)電纜選型流程及適用性分析

1 光伏系統(tǒng)電纜選型流程

根據(jù)以上算法和原則，可將設(shè)計(jì)分為敷設(shè)條件設(shè)置、預(yù)設(shè)電纜類(lèi)型、電纜敷設(shè)方式確認(rèn)和負(fù)荷線路工作電流計(jì)算4個(gè)層面，按照?qǐng)D1所示流程進(jìn)行。

2 光伏系統(tǒng)電纜選型適用性分析

由于光伏電站自身特性，許多設(shè)計(jì)人員偏向于采用經(jīng)濟(jì)電流法選擇電纜截面，目前較常用的經(jīng)濟(jì)電流法分為經(jīng)濟(jì)電流范圍選擇法和經(jīng)濟(jì)電流密度曲線選擇法2種。經(jīng)濟(jì)電流范圍選擇法是依據(jù)計(jì)算公式得出電纜截面下的經(jīng)濟(jì)電流范圍，再根據(jù)線路負(fù)荷電流選取合適截面。經(jīng)濟(jì)電流密度曲線選擇法主要采用查看相關(guān)經(jīng)濟(jì)電流密度曲線圖選取合適截面，此算法精確度不高。一般情況下經(jīng)濟(jì)電流密度算法選取電纜截面比溫升計(jì)算截面大，且經(jīng)濟(jì)電流密度算法考慮校正系數(shù)較多。對(duì)比可知經(jīng)濟(jì)電流密度法適合于中、低壓電力電纜的計(jì)算，溫升法適用性較廣，建議在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將經(jīng)濟(jì)電流密度修正參數(shù)值適當(dāng)減小，并對(duì)比溫升法計(jì)算值，兩者取較大值可為設(shè)計(jì)提供更加可靠的理論支持。

五 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)電纜設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)比分析光伏系統(tǒng)電纜選型適用性，并對(duì)自由空氣敷設(shè)、直埋電纜敷設(shè)和電纜溝敷設(shè)3種形式下的電纜載流量的計(jì)算方法做了詳細(xì)闡述，總結(jié)了光伏系統(tǒng)電纜載流量計(jì)算流程，為光伏電站電纜選型設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)工作提供可靠的理論參考。

[1] 任元會(huì),卞凱生,姚家祎 .工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2005.

[2] GB50217-2007.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ/T16-92.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].