海上風電送出交流高壓單芯電纜并聯通流特性研究

2020-03-31 00:58:36

四川電力技術 2020年1期

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北武漢 430071)

0 引言

電力電纜的可靠性高，性能穩定，不易受到氣候和環境的影響且節約占地，因此電纜得到越來越廣泛的應用。隨著社會經濟的發展，用電量的不斷增加，對電網輸電容量要求越來越高，為了滿足電網的輸電要求，采用多回電纜并聯運行日益普遍[1-6]。

對于海上風電送出，由于應用場所的特殊性，目前均采用電纜作為輸電通道。風機發出的電能，一般升壓至35 kV后，由電纜送至升壓站升壓至220 kV，再通過220 kV電纜送至海上換流站或者直接接入陸上交流電網。當風場輸送功率較大時，220 kV電纜流過的電流會很大。由于目前電纜制造工藝的限制，220 kV交流電纜的通流容量已達到瓶頸，在超過單根電纜通流容量的情況下，需采用多根電纜并聯進行輸電。當電纜相距較近時，會存在臨近效應，導致同相并聯的電纜之間的阻抗存在差異，阻抗越大則電流越小。每根電纜都會受到同相和非同相的其他電纜的影響，且電纜的布置方式不同，影響程度不一樣[7-11]。因此，當并聯通流的電纜布置方式不合適時，可能會導致并聯電纜之間的電流分配出現嚴重不均衡的情況，這樣就無法充分使用并聯電纜的輸電容量，甚至會導致分流較大的電纜燒毀的現象[12]。

因此，從提高電纜線路載流能力利用率和保障電纜絕緣可靠性和運行壽命來考慮，研究電纜并聯通流時的電流分配系數具有顯著的技術和經濟價值。

1 電纜阻抗參數計算

電纜阻抗參數的計算已有多種理論計算方法，其中Carson-Clem理論的計算準確性和適用性最優。以單導線-大地的簡單回路為例，其中導線a與大地平行，如圖1所示。圖中：g為大地回流的虛擬導線；Ia為導線中流過的電流；Ig為通過虛擬導線回流的電流；Dag為虛擬返回導線與導線的距離，其取值與大地電阻率有關[13-14]。

圖1 單導線-大地回路

根據圖1的線路模型，導線與大地構成的回路自阻抗為

(1)

當兩根平行導線與大地構成回路時形成的兩個回路之間的單位長度互阻抗，可視為一個回路流過單位電流時在另一個回路上產生的電壓降(數值上相等)。因此，可求得兩根平行導線AB間的互阻抗ZAB為

(2)

式中，DAB為兩根平行導線間的距離。

對于電纜阻抗參數計算來說，與導線最大的不同之處在于金屬護套的存在(一般為鉛護套或者鋁護套)。金屬護套的處理，大多將其視為導線。因此，金屬護套Zs的自阻抗計算公式為

(3)

式中：rs為金屬護套的電阻；Ds為金屬護套的幾何平均半徑。

兩根電纜x、y的金屬護套之間的互阻抗Zsxy為

(4)

式中,Dsxy為電纜x和電纜y金屬護套之間的距離。

電纜芯線與金屬護套之間的互阻抗Zcs為

(5)

對于ABC三相交流電纜，芯線與金屬護套的阻抗矩陣為

(6)

式中：UcA、UcB、UcC為三相芯線電壓；UsA、UsB、UsC為三相金屬護套電壓；ZcXX、ZcXY為芯線自阻抗和相間芯線互阻抗；ZsXX、ZsXY為金屬護套自阻抗和相間芯線互阻抗；ZcXsX、ZsXcX、ZcXsY、ZsXcY為同相和非同相芯線與金屬護套之間的互阻抗，X、Y分別代表ABC中任意兩相。

2 電纜仿真模型建立

對于電纜阻抗計算，相比于采用Carson-Clem理論阻抗矩陣的計算方法，采用PSCAD/EMTDC建模仿真計算更為便捷和快速，PSCAD/EMTDC有專門針對電纜的模型，將電纜實際參數輸入模型即可。

仿真中采用的220 kV電纜型號為YJLW02-Z 220 kV 1*2500(F)mm2，電纜截面和參數見圖2和表1。

圖2 電纜橫截面

表1 電纜結構參數

PSCAD/EMTDC仿真模型需對實際的電纜模型進行一定的簡化處理，經過簡化后的電纜模型分為4層，分別為芯線、內絕緣層、金屬護套、外絕緣層。

3 并聯電纜載流計算

在PSCAD/EMTDC中建立兩回三相并聯電纜運行分流的仿真模型，如圖3所示，電纜長度、電纜間距和電纜布置情況均可通過修改模型相關參數改變。

3.1 并聯電纜分流不均系數

電纜并聯運行時，同相電纜間流過的電流可能由于阻抗不同導致分流不均，采用分流不均系數K來衡量。針對兩回電纜并聯運行的情況進行計算，K的定義見式(7)，K值越接近1，表明并聯電纜間分流越均勻，運行狀況越理想。

(7)

3.2 并聯電纜分流不均系數影響因素

1)電纜布置形式

下面列舉了8種工程實際中可能用到的電纜布置形式，如圖3所示，圖中Ⅰ和Ⅱ表示兩回電纜線路，a和b表示電纜間距。分別計算這8種情況三相電纜的K值，并對計算結果進行分析。按照前面所述的電纜參數建立電纜模型，電纜參數考慮3種情況：①電纜長度l=6 km，電纜間距a=0.2 m，b=0.5 m；②電纜長度l=6 km，電纜間距a=1.0 m，b=2.5 m；③電纜長度l=30 km，電纜間距a=0.2 m，b=0.5 m。

圖3 兩回三相并聯電纜分流仿真模型

表2 不同雙回電纜布置方案電纜分流系數計算結果

圖4 不同雙回電纜布置方案

根據圖4中8種電纜布置情況，建立仿真模型，計算得到的雙回電纜分流系數計算結果見表2所示。

由于并聯電纜各相施加的電壓相同，且電纜的規格相同，因此導致電纜間電流分配不均勻的主要原因是電纜導體互阻抗的差異。

由表2的計算結果可以看出，方案1和方案2并聯電纜電流分配極不均勻。若采用這兩種布置方案，不僅會造成電纜選型方面的浪費，而且在故障過流情況下，可能使并聯電纜的其中一根超過其限制而過熱損傷。

總體而言，方案3、4、5、6最優，并聯電纜中流過的電流大小相同，能完全利用到電纜的載流能力；其次是方案7、8；再次是方案2；最差的是方案1。

從8種方案的布置情況來看，對于同相兩根電纜，若它們的布置在整個兩回三相電纜布置中的相對位置越對稱，則二者的互阻抗差異越小，而自阻抗均相同，所以兩根電纜間的電流分配會越均勻，分流系數越接近于1。在8個布置方案中，方案3、4、5、6中同相的電纜受其余電纜影響而產生的互阻抗均完全相同，因此，分流系數均為1，為最優布置形式。

對于輸電走廊緊張的城市電纜線路而言，方案5、6是最優選擇，既可節約走廊寬度，又能充分利用電纜的載流能力。在高度受限的應用場合(如電纜夾層、活動地板等)，方案3為最優方案。

2)電纜間距

下面以方案1的布置方式，研究電纜間距對分流不均勻系數的影響。

當電纜平行布置時，改變電纜間距是一種可行的措施，分別計算方案1情況下電纜間距為0.2 m、0.4 m、0.8 m、1.6 m、3.2 m和6.4 m等6種情況下K值的變化情況，如圖5所示。

由圖5可看出，隨著電纜間距的增大，K值趨近于1，并聯電纜間電流趨于平均分配。因此，在條件允許情況下，增大并聯電纜布置間距，可改善分流不均的狀況。

由式(4)可知，單位長度電纜間的互阻抗隨電纜間距的增大而減小，而電纜自阻抗不變，因此隨著電纜間距的增大，同相兩根電纜間的阻抗差異減小，因而電流分布更均勻。

圖5 電纜間距對分流不均勻系數的影響

3)電纜長度

分別計算電纜長度為0.1 km、0.4 km、1 km、10 km、20 km、35 km和50 km等7種情況下布置方案1的分流不均勻系數K，計算結果見圖6。

圖6 電纜長度對分流不均勻系數的影響

由圖6可見，隨著電纜長度的增加，邊相AC的不均勻系數呈增大趨勢，尤其C相在電纜長度50 km時，K值已超過2；中相B的不均勻系數無明顯變化。因此，在長距離電纜并聯輸電中，要特別關注電纜的布置方式，否則會出現嚴重的電流不均現象。

3.3 海上風電送出工程實例計算

某海上風電送出工程，220 kV匯流母線至變壓器之間的電纜電流達3600 A，而目前單根220 kV單芯電纜的通流容量一般不超過2500 A，因此需2回電纜并聯運行。電纜連接情況如下：電纜以ABCABC的布置方式從GIS引出，經過15 m進入電纜夾層，電纜夾層中長度為50 m，出電纜夾層連接到聯接變壓器220 kV套管(此段長度為15 m)，變壓器套管處的電纜布置方式為AABBCC。

GIS出口處的電纜相序和間距見圖7所示。變壓器220 kV套管接口處相序和間距見圖8所示。

圖7 GIS接口處相序布置

圖8 變壓器220 kV套管接口處相序布置

若電纜夾層中電纜采用GIS出線的布置順序布置，計算得到的電流不均勻系數K值如表3所示。

表3 優化前并聯電纜K值

由表3可見，并聯電纜間電流分配很不均勻，這樣當發生故障出現暫時過電流時，有可能會超過電纜的通流限值，不利于設備安全穩定運行，因此，需對夾層中的電纜布置進行優化。由于GIS出口至夾層段和聯接變壓器套管至夾層段長度僅15 m，不便于改變電纜間距和布置方式，因此只能優化電纜夾層中的電纜。將夾層中的電纜布置方式改為ABCCBA。調整后，計算得到的電流不均勻系數K值如表4所示。