探究66kV集電海纜在我國(guó)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

引言

集電海纜是海上風(fēng)電項(xiàng)目中重要的組成部分,目前國(guó)內(nèi)近海淺水區(qū)的海上風(fēng)電項(xiàng)目中常見的集電海纜多為35kV三芯xLPE海底電纜。相對(duì)于單芯電纜,三芯xLPE海底電纜在運(yùn)行過程中損耗更小,更節(jié)省生產(chǎn)、敷設(shè)及運(yùn)維過程中的成本[1]。66kV集電海纜目前在英國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家的海上風(fēng)電項(xiàng)目中使用得較為廣泛,該領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)尚屬空白。相對(duì)于35kV,66kV集電海纜可以輸送更多的電能,連接更多同等單機(jī)容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)機(jī)間的間距也可布置得更大,在大型海上風(fēng)電項(xiàng)目中技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

1國(guó)內(nèi)集電海纜的應(yīng)用情況

海底電纜是海上風(fēng)電場(chǎng)輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,國(guó)內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)仍較少,實(shí)施難度較大,單位造價(jià)很高,基于此,有必要對(duì)海底電纜的性能、選型、設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行更深入的研究與探索。目前國(guó)內(nèi)的海上風(fēng)電項(xiàng)目多在近海淺水區(qū)域,大部分場(chǎng)址容量在100~400Mw及以上的區(qū)間。針對(duì)近海淺水區(qū)的海上風(fēng)電項(xiàng)目,目前國(guó)內(nèi)較為主流的海纜生產(chǎn)廠均把35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣、分相鉛護(hù)套、鋼絲鎧裝、光電復(fù)合、三芯海底電纜作為制作的主體,電纜截面主要在3×70mm2到3×400mm2的區(qū)間。表1為近年來國(guó)內(nèi)主流海纜廠的35kV集電海纜部分業(yè)績(jī)。

通過表1可以看到,國(guó)內(nèi)的近海淺水區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目均以35kV電壓等級(jí)作為集電系統(tǒng)的電壓等級(jí)。由于電壓等級(jí)只有35kV,所以單回的集電海纜輸送能力很有限。以粵東某近海淺水海上風(fēng)電項(xiàng)目為例,一個(gè)400Mw的海上風(fēng)電項(xiàng)目,共布置57臺(tái)7Mw的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,共需要16回35kV的集電海纜,該項(xiàng)目選取的最大35kV集電海纜截面為3×400mm2,在理想工況下最多可連接5臺(tái)7Mw的風(fēng)機(jī),本項(xiàng)目35kV集電海纜的總采購(gòu)長(zhǎng)度要達(dá)到100km以上。

266kV集電海纜的關(guān)鍵參數(shù)

目前,歐洲海上風(fēng)電項(xiàng)目66kV集電海纜應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,雖然國(guó)內(nèi)尚無應(yīng)用實(shí)施,但國(guó)內(nèi)有些海纜生產(chǎn)廠已經(jīng)具備生產(chǎn)66kV交流聚乙烯集電海纜的能力。66kV集電海纜的規(guī)格范圍在3×95mm2到3×800mm2區(qū)間,在環(huán)境溫度為25℃,埋設(shè)深度為1.5m,熱阻系數(shù)為1.2m·K/w的工況下載流量在269A到680A區(qū)間,單回輸送容量從30Mw到74Mw左右。同等截面的66kV集電海纜在同等工況下輸送容量是同等截面35kV集電海纜輸送容量的1.8倍以上,大大提高了集電海纜的輸送能力。電纜外徑為137~192mm,相對(duì)于35kV集電海纜的外徑,尺寸變化并不大,對(duì)施工的影響有限。

從海纜截面形式來看,可采用單芯或三芯電纜,單芯海底電纜與三芯海底電纜各有利弊。單芯海底電纜外徑小,單位重量輕,電纜的敷設(shè)及檢修難度小:但是占用較大的海域面積,敷設(shè)費(fèi)用較高。三芯電纜具有平衡的負(fù)載,在鎧裝層中沒有感應(yīng)的循環(huán)電流,敷設(shè)費(fèi)用也低:但是其外徑較大,單位重量大,電纜的敷設(shè)及檢修難度相對(duì)較大。由于集電海纜的設(shè)計(jì)用量較多,單回輸送容量需求有限,此外從集約利用海洋資源以及技術(shù)優(yōu)越性的角度出發(fā),66kV電壓等級(jí)的集電海纜推薦采用同35kV集電海纜一致的三芯模式。

366kV同35kV集電海纜在大容量海上風(fēng)電項(xiàng)目中應(yīng)用的技術(shù)對(duì)比

假定南海某區(qū)域有一個(gè)900Mw容量的海上風(fēng)電項(xiàng)目,設(shè)計(jì)布置140臺(tái)6.45Mw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。按照35kV集電海纜去設(shè)計(jì),至少需要28個(gè)集電回路,每個(gè)回路最多可連接5臺(tái)6.45Mw的風(fēng)機(jī)。其中連接1~2臺(tái)風(fēng)機(jī)采用3×70mm2截面,連接3臺(tái)風(fēng)機(jī)采用3×150mm2截面,連接4臺(tái)風(fēng)機(jī)需要3×300mm2截面,連接5臺(tái)風(fēng)機(jī)采用3×400mm2截面的海纜。所需要的集電海纜總長(zhǎng)約為240km。

近海深水區(qū)域900Mw大型海上風(fēng)電項(xiàng)目的35kV集電海纜布置如圖1所示。

同樣的裝機(jī)規(guī)模與風(fēng)機(jī)布置,當(dāng)采用66kV集電海纜時(shí),連接1~4臺(tái)6.45Mw的風(fēng)機(jī)僅需要選擇一根3×95mm2截面的海纜,當(dāng)選擇最大3×800mm2截面的66kV集電海纜時(shí),可以同時(shí)連接到11臺(tái)6.45Mw的風(fēng)機(jī)。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的140臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,在66kV集電系統(tǒng)的連接下,僅需要13個(gè)回路即可完成電能匯集至海上升壓站的任務(wù),比35kV集電系統(tǒng)所需回路數(shù)的一半還要少。所需要的集電海纜總長(zhǎng)約為115km,是35kV集電海纜總長(zhǎng)的48%左右。除了總回路數(shù)與海纜總長(zhǎng)上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)外,66kV集電海纜相對(duì)于35kV集電海纜而言,單位與總電能損耗更少,電壓壓降更小。同樣在規(guī)范要求的5%壓降條件下,66kV的單回長(zhǎng)度可以延伸得更長(zhǎng)。

近海深水區(qū)域900Mw大型海上風(fēng)電項(xiàng)目的66kV集電海纜布置如圖2所示。

4結(jié)語

綜上所述,35kV集電海纜基本可以滿足小、中型近海淺水區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目的使用需求。隨著機(jī)組單機(jī)容量的大型化,風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量的不斷提升,66kV集電海纜在深遠(yuǎn)海大型海上風(fēng)電項(xiàng)目中具有很明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然66kV集電海纜目前在國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電項(xiàng)目中還沒有實(shí)際應(yīng)用的先例,但相信隨著我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)的不斷發(fā)展與設(shè)備工藝水平的不斷進(jìn)步,66kV甚至更高電壓等級(jí)的集電系統(tǒng)將會(huì)在我國(guó)未來的海上風(fēng)電項(xiàng)目中發(fā)揮更大的作用。