夏顯威，彭月，張娜，李晉鋒，朱麗俠

摘 要：隨著實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的持續(xù)推進，清潔能源越來越受到關(guān)注，促使光伏發(fā)電得到大力發(fā)展，光伏電站的建設(shè)規(guī)模也日益擴大。但與此同時也出現(xiàn)了一些技術(shù)問題，比如電纜選型問題。結(jié)合荒漠地區(qū)光伏電站的特點，對直流電纜和交流電纜選型進行研究；通過對敷設(shè)方式、經(jīng)濟電流密度等影響因素進行分析，并利用算例分析確定兼具可靠性與經(jīng)濟性的光伏電站電纜選型。分析結(jié)果顯示：荒漠光伏電站的電纜敷設(shè)方式一般選擇直埋或溝敷設(shè)；直流電纜選型時需滿足載流量、熱穩(wěn)定校驗及壓降等要求，而交流電纜選型時除需滿足載流量、熱穩(wěn)定校驗及壓降等要求外，還需要考慮經(jīng)濟電流密度，因為其可使電纜選型結(jié)果更具有經(jīng)濟性和可靠性。該電纜選型方法同樣適用于山地和平地場景下的光伏電站。

關(guān)鍵詞：荒漠地區(qū)；光伏電站；電纜選型；直埋敷設(shè)；壓降

中圖分類號：TM757.3/TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

目前，中國的環(huán)境問題日益嚴重，能源也越來越匱乏，光伏發(fā)電作為重要的新能源利用方式，已成為最理想的清潔能源利用技術(shù)[1]。中國的西部荒漠地區(qū)面積廣闊，日照時間長，太陽輻照量和地質(zhì)條件都占據(jù)極大優(yōu)勢，可用于大力建設(shè)光伏電站[2]。在光伏電站設(shè)計和建設(shè)過程中，高壓、低壓電纜的造價約占總造價的6%，因此，合理的電纜選型和排布可以節(jié)省電纜用量，降低工程造價，避免資源浪費[3]?；哪貐^(qū)光伏電站（下文簡稱為“荒漠光伏電站”）所處地勢海拔相對較高，環(huán)境具有溫度高、污穢重等特點，因此，在滿足設(shè)計要求及施工質(zhì)量的前提下，荒漠地區(qū)合理的電纜選型不僅應(yīng)具有經(jīng)濟性，還應(yīng)具有運行可靠性。

電纜選型可遵循《電力工程設(shè)計手冊》及GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標準》[4]中的規(guī)定進行研究與計算，但建于不同地形的光伏電站對電纜在選型、設(shè)計及施工等環(huán)節(jié)會略有不同。由于氣候和地形不同，荒漠光伏電站在電纜選型和敷設(shè)要求上均與其他類型光伏電站不同。

本文結(jié)合荒漠地區(qū)地形及氣候特點，從電纜選型、敷設(shè)方式、經(jīng)濟電流密度等方面對荒漠光伏電站采用何種電纜更貼合荒漠地區(qū)實際情況及更具經(jīng)濟性進行分析。

1? 光伏電站電纜選型及敷設(shè)方式

中國不同地區(qū)光伏電站對其所用電纜的具體要求也有所不同，但都需要按照《電力工程設(shè)計手冊》及GB 50217—2018中的規(guī)定執(zhí)行[4]。

1.1? 直流電纜選型及敷設(shè)方式

光伏電站的直流電纜是指從直流匯流箱至箱逆變一體機之間的電纜。

1.1.1? 絕緣材料類型

低壓直流電纜的絕緣材料一般選用聚氯乙烯或交聯(lián)聚乙烯型擠塑絕緣材料[5]。對于處在低于-15 ℃環(huán)境中的電纜，考慮到低溫條件和絕緣性能，建議選擇交聯(lián)聚乙烯型擠塑絕緣材料[5]。

1.1.2? 絕緣水平

光伏組件至匯流箱之間的最大直流電壓為1500 V，因此，直流電纜的額定電壓等級一般選用1.8/3 kV，即極對地絕緣水平為1.8 kV，極間絕緣水平為3 kV[5]。

1.1.3? 電纜的護層材料

電纜的護層材料需要與電纜最高允許工作溫度相適應(yīng)。結(jié)合荒漠光伏電站的環(huán)境條件，對于處在低于-15 ℃環(huán)境中的低壓直流電纜擠塑外護層宜選用交聯(lián)聚乙烯材料，其他情況建議選擇聚氯乙烯材料外護層。

1.1.4? 電纜敷設(shè)方法

電纜的敷設(shè)方式需要根據(jù)荒漠光伏電站光伏區(qū)的環(huán)境條件、工程條件及電纜選型等因素綜合考慮后選擇，同時還需要從經(jīng)濟性和運行維護兩個方面進行考慮。常見的低壓直流電纜敷設(shè)方式包括直埋和電纜溝敷設(shè)兩種。

1.2? 交流電纜選型及敷設(shè)方式

光伏電站的交流電纜是指從箱逆變一體機至升壓站進站開關(guān)柜之間的電纜。

1.2.1? 絕緣材料類型

高壓交流電纜的絕緣材料一般選用交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，且高壓交流電纜需采用內(nèi)、外半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層3層共擠的工藝形式。

1.2.2? 絕緣水平

光伏電站箱逆變一體機至升壓站進站開關(guān)柜之間的交流電纜為35 kV電壓等級。因此，交流電纜的額定電壓等級一般選用26/35 kV，即極對地絕緣水平為26 kV，極間絕緣水平為35 kV[5]。

1.2.3? 電纜的護層材料

交流側(cè)發(fā)電系統(tǒng)中單芯電纜若需要增強其抗外力能力時，電纜外護層應(yīng)選用非磁性金屬鎧裝層，不得選用未經(jīng)非磁性處理的鋼制鎧裝層[5]。

1.2.4? 電纜敷設(shè)方法

電纜的敷設(shè)方式需要根據(jù)荒漠光伏電站光伏區(qū)的環(huán)境條件、工程條件及電纜選型等因素綜合考慮后選擇，同時還需要從經(jīng)濟性和運行維護兩個方面進行考慮。常見的高壓交流電纜敷設(shè)方式包括直埋和電纜溝敷設(shè)兩種。

2? 經(jīng)濟電流密度計算

依據(jù)JB/T 10181.32—2014《電纜載流量計算第32部分：運行條件相關(guān)電力電纜截面的經(jīng)濟優(yōu)化選擇》或IEC 60287-3-2：1995《Electric cables——Calculation of the current rating——Part 3：Sections on operating conditions——Section 2：Economic optimization of power cable size》中的計算方法進行經(jīng)濟電流密度計算。當導(dǎo)體截面為經(jīng)濟截面時其總費用最低，此時導(dǎo)體單位截面積流過的電流即為經(jīng)濟電流密度。經(jīng)濟截面一般是使電纜總費用函數(shù)為最小值時對應(yīng)的導(dǎo)體截面[6]。電纜總費用CT與導(dǎo)體截面S的函數(shù)CT（S）可表示為：

CT（S）=CI（S）+I2maxR（S）lF? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：CI（S）為導(dǎo)體截面與電纜線路安裝費用之間的函數(shù)；Imax為第1年內(nèi)導(dǎo)體的最大負荷電流，即小時最大平均電流值；l為電纜長度；R（S）為導(dǎo)體單位長度的交流電阻與其截面的函數(shù)；F為輔助量，導(dǎo)體電流和電阻之外的所有參數(shù)都用該系數(shù)表示。

CI（S）和R（S）之間的關(guān)系式可從標準導(dǎo)體截面單位長度電纜的交流電阻與標準導(dǎo)體截面電纜已知價格之間的關(guān)系中推導(dǎo)出。根據(jù)IEC 60287-1-1—2006《Electric cables——Calculation of the current rating——Part 1-1：Current rating equations （100% load factor） and calculation of losses——General》，導(dǎo)體單位長度的交流電阻與其截面的函數(shù)之間關(guān)系的計算式[6]可表示為：

R（S）=? Bρ20[1+α20（θm–20）] 106? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

S

式中：B為假定的導(dǎo)體經(jīng)濟截面可能值，可由IEC 60287-1-1—2006中的公式計算求得；ρ20為20 ℃時導(dǎo)體的直流電阻率；α20為20 ℃時導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)；θm為導(dǎo)體的平均工作溫度。

考慮電纜型號和安裝費后，導(dǎo)體截面與電纜線路安裝費用函數(shù)之間關(guān)系的計算式[6]可以表示為：

CI（S）=l（AS+C）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：A為與導(dǎo)體截面有關(guān)的單位長度電纜費用中的可變部分費用；C為與電纜敷設(shè)條件等有關(guān)的單位長度電纜費用中的不變部分費用。

對式（1）中的S進行求導(dǎo)，使其為零時，可求得經(jīng)濟截面Sec[6]，其可表示為：

Sec=1000? ? ?I2maxFρ20B[1+α20（θm–20）]? ? ? ? ? ? ?（4）

A

其中：

B=（1+yp+ys）（1+λ1+λ2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：ys、yp分別為集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)系數(shù)；λ1、λ2分別為金屬套和鎧裝的損耗因數(shù)。

F=NpNc（TP+D） 100Q

100+i? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：Np為每個回路的相導(dǎo)體數(shù)；Nc為類型和負荷值相同的回路數(shù)；P為相應(yīng)電壓等級下消耗1Wh電能的費用；T為最大焦耳損耗下的工作時間；D為年供電費用；Q為輔助量；i為折現(xiàn)率。

3? 算例分析

本文以新疆維吾爾自治區(qū)某100 MW荒漠光伏電站為例，該電站共有257972塊545 W單晶硅光伏組件，每26塊光伏組件串聯(lián)為1個光伏組串，每24路光伏組串接入1臺24匯1的直流匯流箱，每14臺直流匯流箱接入1臺3125 kW的箱逆變一體機。該電站共設(shè)32個光伏子陣，每個光伏子陣設(shè)置14臺24匯1的直流匯流箱和1臺3125 kW的箱逆變一體機。本項目中電纜采用直埋敷設(shè)方式。

標準測試條件（STC）下545 W單晶硅光伏組件的主要電性能參數(shù)如表1所示。

3.1? 直流電纜選型及敷設(shè)

3.1.1? 載流量校驗

電纜載流量校驗除了需要考慮額定載流量外，還需要與回路過負荷保護配合[7]，一般回路過負荷保護所需校驗的載流量大于額定載流量。電纜載流量校驗需滿足式（7）[6]，即：

KIxu≥Ig? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：K為電纜在土壤中直埋敷設(shè)方式下的綜合校正系數(shù)；Ixu為電纜在直埋敷設(shè)條件下的額定載流量；Ig為電纜長期持續(xù)工作下的電流。

3.1.2? 熱穩(wěn)定校驗

電纜導(dǎo)體的熱穩(wěn)定校驗需滿足式（8），即：

S= √H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

c

式中：H為熱效應(yīng)值；c為熱穩(wěn)定系數(shù)。

3.1.3? 綜合校正系數(shù)的選擇

在直埋電纜的載流量計算式中綜合校正系數(shù)的取值會依據(jù)環(huán)境條件及敷設(shè)方式等進行選擇[8]，根據(jù)本算例的情況其可表示為：

K=KtK4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：Kt為環(huán)境溫度校正系數(shù)；K4為土壤直埋并敷設(shè)多根電纜時的載流量校正系數(shù)。

在電纜工作電流一定的情況下，由式（9）可知，電纜采用直埋敷設(shè)方式時，影響載流量的因素有2個。依據(jù)《電力工程設(shè)計手冊》進行電纜的截面選型。

3.1.4? 壓降校驗

直流電纜壓降?U的計算式[4]可表示為：

?U=200Igl? R1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

U

式中：U為電纜工作電壓；R1為每千米電纜的電阻。

在滿足GB 50217—2018要求的前提下，箱逆變一體機中逆變器的最大功率點跟蹤（MPPT）的電壓跟蹤范圍為875～1300 V，光伏組件在正常發(fā)電狀態(tài)下，會因受到環(huán)境、溫度、太陽輻照度強弱等因素的影響而不斷變化，在考慮經(jīng)濟電流密度的情況下，匯流箱到箱逆變一體機之間的直流電纜壓降滿足GB 50217—2018中的要求即可。匯流箱正常接的路數(shù)是24路，若在不滿接的情況下計算壓降，該壓降值遠小于國標中要求的壓降值即可。

本算例中，電纜長度按照0.1 km計算，每個匯流箱接24路電纜，則壓降應(yīng)為2%；若每個匯流箱接21路，則壓降應(yīng)為1.75%；若每個匯流箱接20路，則壓降應(yīng)為1.67%。

3.1.5? 電纜選型結(jié)果

在滿足上述條件的前提下，計算得到直流電纜的相關(guān)參數(shù)結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果，選擇型號為ZRC-YJLHY23-1.8/3kV-2×240 mm2的直流電纜。

3.1.6? 小結(jié)

選擇直流電纜時，主要考慮載流量、熱穩(wěn)定校驗和壓降。直流電纜在本算例中用在匯流箱至箱逆變一體機之間，電壓等級屬于低壓，一般選用鋁合金電纜即可，型號通常選擇ZRC-YJLHY23-1.8/3kV。直流匯流箱較常出現(xiàn)不滿接的情況，24匯1的直流匯流箱通常接20或21路電纜，合理的選型和敷設(shè)方式可以節(jié)省電纜的成本。

3.2? 交流電纜選型及敷設(shè)

3.2.1? 載流量校驗

交流電纜的載流量校驗需滿足：箱逆變一體機輸出的最大交流功率（3437.5 kVA）為1.1倍的額定運行功率。本算例中，箱逆變一體機的額定交流電壓為35 kV，單臺箱逆變一體機輸出的額定交流電流經(jīng)載流量反向校正后，其與綜合校正系數(shù)存在如下關(guān)系[6]：

IN1≥ 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

K

式中：IN1為單臺箱逆變一體機輸出的額定交流電流經(jīng)載流量反向校正后的電流。

本算例中按照每回35 kV線路匯集4回集電線路，每回集電線路容量約為25 MW，合計4回。單臺箱逆變一體機可接入容量及對應(yīng)電纜截面可按照式（11）計算得到。

3.2.2? 熱穩(wěn)定校驗

交流電纜的熱穩(wěn)定校驗計算方法同直流電纜的相同。

3.2.3? 綜合校正系數(shù)的選擇

交流電纜在土壤中直埋敷設(shè)方式下的綜合校正系數(shù)的計算方法同直流電纜時的相同。

3.2.4? 經(jīng)濟截面的選擇

本算例中光伏組件最佳傾角下接收的年總太陽輻射量為5550.8 MJ/m2，將求出的電纜最大焦耳損耗下的工作時間和相應(yīng)電壓等級下消耗1 Wh電能的費用代入到式（6），然后再計算求得最大負荷電流下經(jīng)濟截面。

3.2.5? 壓降校驗

三相交流電纜壓降?U1的計算式[4]可以表示為：

?U1= 173 Igl（R1cosφ+xsinφ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

U

式中：cosφ為功率因數(shù)；sinφ為無功功率與視在功率的比值；x為每千米電纜的電抗。

單相交流電纜壓降?U2的計算式[4]可以表示為：

?U2= 200 Igl（R1cosφ+xsinφ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

U

本算例中，電纜長度按照0.1 km計算，當采用型號為ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×95mm2的電纜時，其壓降為4%；當采用型號為ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×240mm2的電纜時，其壓降為3%；當采用型號為ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×400mm2的電纜時，其壓降為2%，當采用型號為ZRC-YJY63-26/35kV-1×300mm2的電纜時，其壓降為2%。

3.2.6? 經(jīng)濟截面交流電纜的選型結(jié)果

本算例中共4回集電線路，每回集電線路包括8臺箱逆變一體機，由于每回集電線路對應(yīng)的交流電纜型號均相同，因此僅對1回集電線路，也就是8臺箱逆變一體機的交流電纜選型結(jié)果進行分析。在滿足上文分析結(jié)果的情況下，經(jīng)濟截面交流電纜的選型結(jié)果如表2所示。

集電線路采用交流電纜，其電壓等級為高壓，因此需采用高壓交流電纜。交流電纜的選型過程需同時滿足載流量、熱穩(wěn)定校驗、壓降及經(jīng)濟的要求，這樣得到的選型結(jié)果才更具有經(jīng)濟性和合理性。

4? 結(jié)論

本文結(jié)合荒漠地區(qū)地形及氣候特點，從電纜選型、敷設(shè)方式、經(jīng)濟電流密度等方面對荒漠光伏電站采用何種電纜更貼合荒漠地區(qū)實際情況及更具經(jīng)濟性進行了分析。分析結(jié)果顯示：荒漠光伏電站的電纜敷設(shè)方式一般選擇直埋或溝敷設(shè)；直流電纜選型時需滿足載流量、熱穩(wěn)定校驗及壓降等要求，而交流電纜選型時除需滿足載流量、熱穩(wěn)定校驗及壓降等要求外，還需要考慮經(jīng)濟電流密度，因為其可使電纜選型結(jié)果更具有經(jīng)濟性和可靠性。該電纜選型方法同樣適用于山地和平地場景下的光伏電站。

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Research on cable selection for PV power stations in desert areas

Xia 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. Xian LONGi Clean Energy Co.，Ltd.，Xian 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