光伏系統電纜設計選型優化研究

特變電工新疆新能源股份有限公司研發部 ■ 汪婷婷 張恬 張梅 王闖

一 引言

國家電纜選型手冊已經非常完善，但是針對光伏電站所特有的發電特性來說存在一定的局限性和差異性，因光伏系統電纜選型偏差所造成的材料資金浪費或用電安全隱患的問題也常有耳聞，且光伏電站均建在室外，日照時間長、環境溫度高、水分遷移現象嚴重等因素加劇了電纜絕緣老化速度。電纜絕緣老化是一個長期累積效果，不易被察覺，一旦達到臨界值將造成嚴重的用電安全事故，所以，光伏系統電纜合理選擇應得到足夠重視。

光伏系統設計包含多種電纜敷設形式，比較常見的有自由空氣中敷設、直埋電纜敷設和電纜溝敷設3種。電纜選型通常采用按溫升選擇截面積和按經濟電流選擇電纜截面積兩種，兩者取截面較大者，同時按照電壓損失、電路動熱穩定性和機械強度校驗電纜截面積。本文針對光伏發電系統上述3種電纜敷設形式，提出了電纜載流量及選型計算方法，并在此基礎上分析溫升法和經濟電流法在光伏系統電纜選型方面的適用性。

二 電纜選型的一般原則

光伏發電的電纜選擇首先應遵循電纜選擇的一般要求，即按照系統電壓等級、電纜導體材料、電纜芯數、絕緣性能、阻燃性能、電纜敷設方式、滿足長期工作允許電流、經濟電流密度及敷設環境條件因素等進行選型，按照短路動熱穩定性、電壓損失、機械強度等進行選型校驗。同時光伏發電系統又具有常在惡劣環境條件下使用等自身特點，如高溫、嚴寒、紫外線輻射和水分遷移等。

按照溫升法選擇電纜截面時應滿足線路工作電流≥電纜載流量，因光伏發電系統為斷續工作或短時工作，在計算時應將線路工作電流折算成等效發熱電流，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。按經濟電流選擇截面時要以初始投資(電纜主材、附件費用及施工費用之和)和經濟壽命內導體損耗費用之和最小為依據。根據我國情況，如果能全面推行按經濟電流選擇電線、電纜截面的方法，將減少35%～42%的線路損耗，經濟意義十分重大。

三 不同敷設形式下電纜載流量計算

1 自由空氣敷設

在光伏系統中自由空氣電纜敷設較少，主要考慮環境溫度、是否有陽光照射及電纜敷設方式。

(1)環境溫度校正系數

當敷設處環境溫度不同于載流量數據所對應的溫度數據時，載流量應乘以溫度校正系數Kt，其計算公式為：

其中，θn為電纜線芯允許長期工作溫度，℃；θa為敷設處的環境溫度，℃；θc為已知載流量數據的對應溫度，℃。

(2)戶外無遮陽校正系數

(3)敷設方式校正系數

表1給出了1～10kV電纜戶外敷設無遮陽時載流量校正系數。

敷設方式大致分為水平單層敷設、水平三角敷設和水平多層敷設3種形式，敷設方法分為直接接觸和間距敷設2種。在水平多層敷設時校正系數較小，在工程設計時應避免2層及以上的敷設方法。

綜上，計算敷設在自由空氣中的電纜載流量需包含溫度校正系數、敷設方式校正系數和戶外無遮陽校正系數。線路負荷工作電流除以上述系數之積，即為電纜選型載流量，可依據此載流量進行電纜選型。敷設在自由空氣中的不同敷設方法電纜載流量校正系數見表2。

表1 1～10kV電纜戶外敷設無遮陽時載流量校正系數

表2 敷設在自由空氣中的不同敷設方法電纜載流量校正系數

2 直埋電纜敷設

直埋敷設與電纜溝敷設相比，具有建筑費用低、施工簡便等優點，因此直埋電纜敷設方式在光伏系統設計中得到了廣泛應用。直埋敷設方式主要考慮環境溫度、不同類型土壤熱阻系數的載流量修正系數、敷設方式及是否有水分遷移現象，其中電纜敷設方式分為單回敷設和多回敷設2種。

(1)環境溫度校正系數

直埋敷設時取埋深處最熱月平均地溫作為直埋敷設環境溫度，當敷設處環境溫度不同于載流量數據所對應的溫度數據時，載流量應乘以溫度校正系數Kt，其計算公式與式1相同。

(2)不同類型土壤熱阻系數的載流量修正系數

表3給出了不同類型土壤熱阻系數，其載流量修正系數見表4。

(3)水分遷移修正系數

當設計選用交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜直埋地敷設時，由于這種電纜的線芯工作溫度可達90℃，電纜表面溫度較高，往往造成電纜沿線周圍土壤干化，即所謂水分遷移現象。由于水分遷移使土壤熱阻系數增大，電纜線芯長期工作溫度超過70℃時，水分遷移較明顯，線芯溫度愈高，情況愈嚴重。這種現象在地下水位較低的西北地區尤為顯著，屢有電纜過熱事故發生。因此，除直接埋設于水泥或瀝青路面下或有保水覆蓋層的情況外，一般應考慮水分遷移的影響。設計宜采用土壤熱阻系數2.5～3.0(K·m)/W來修正電纜載流量，以降低電纜表面溫度，否則應采用特殊回墊土換土處理。

表3 不同類型土壤熱阻系數

表4 不同類型土壤熱阻系數的載流量修正系數

(4)多回路直埋電纜的載流量校正系數

當直埋電纜敷設滿足埋地深度0.7m，土壤熱阻系數為2.5(K·m)/W時采用表5所示載流量校正系數。

表5 多回路直埋電纜的載流量校正系數

綜上，計算直埋電纜敷設的電纜載流量需包含溫度校正系數、不同類型土壤熱阻系數的載流量修正系數、水分遷移修正系數和多回路直埋電纜的載流量校正系數。線路負荷工作電流除以上述系數之積，即為電纜選型載流量，可依據此載流量進行電纜選型。

3 電纜溝敷設

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

(1)環境溫度校正系數

室內電纜敷設時取最熱月的每日最高溫度平均值另加5℃作為室內電纜敷設時的環境溫度；室外電纜敷設時取最熱月的每日最高溫度平均值作為室外電纜敷設時的環境溫度，當敷設處環境溫度不同于載流量數據所對應的溫度數據時，載流量應乘以溫度校正系數Kt，其計算公式與式1相同。

(2)敷設方式校正系數

電纜溝敷設方式與自由空氣敷設大致相同，主要分為單層敷設、三角敷設和多層敷設3種形式，敷設方法分為直接接觸和間距敷設2種。在水平多層敷設時校正系數較小，在工程設計時應避免2層及以上的敷設方法。載流量校正系數參考表2所示。

綜上，計算敷設在電纜溝內的電纜載流量需包含溫度校正系數和敷設方式校正系數。線路負荷工作電流/上述系數之積，即為電纜選型載流量，可依據此載流量進行電纜選型。

四 光伏系統電纜選型流程及適用性分析

1 光伏系統電纜選型流程

根據以上算法和原則，可將設計分為敷設條件設置、預設電纜類型、電纜敷設方式確認和負荷線路工作電流計算4個層面，按照圖1所示流程進行。

2 光伏系統電纜選型適用性分析

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

五 結束語

本文針對光伏系統電纜設計特點，對比分析光伏系統電纜選型適用性，并對自由空氣敷設、直埋電纜敷設和電纜溝敷設3種形式下的電纜載流量的計算方法做了詳細闡述，總結了光伏系統電纜載流量計算流程，為光伏電站電纜選型設計人員設計工作提供可靠的理論參考。

[1] 任元會,卞凱生,姚家祎 .工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社, 2005.

[2] GB50217-2007.電力工程電纜設計規范[S].

[3] JGJ/T16-92.民用建筑電氣設計規范[S].