風(fēng)電場集電線路線徑選擇研究

王景香

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

集電線路設(shè)計(jì)是將風(fēng)電機(jī)組的箱式變壓器高壓側(cè)電力，匯集輸送至風(fēng)電場變電站。風(fēng)電場集電線路工程與一般電網(wǎng)輸送電線路工程不同，風(fēng)電場集電線路的特殊性在于它是風(fēng)電場內(nèi)的輸送線路，與風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、發(fā)電量、串接風(fēng)電機(jī)組數(shù)量及風(fēng)電機(jī)組位置、場內(nèi)道路密切相關(guān)[1-4]。集電線路設(shè)計(jì)是將風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電量經(jīng)一機(jī)一變單元接線方式后在箱變高壓側(cè)先串接匯流，輸送至升壓站后二次共同升壓的集電方案。在選擇導(dǎo)線的型號及截面時(shí)，既要保證輸電線路的安全可靠性，又要充分利用導(dǎo)線的負(fù)載能力。

1 工程概況

某風(fēng)電場位于甘肅省武威市古浪縣東南方向新堡鄉(xiāng)境內(nèi)。場址區(qū)地貌類型為侵蝕剝蝕低中山，大部分山體基巖裸露。總體地勢北高南低，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，溝道主要為南北走向。場區(qū)海拔高程在2650～2950m之間，相對高差達(dá)300m。

該風(fēng)電場安裝46臺單機(jī)容量為2.2MW風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量101.2MW。風(fēng)電機(jī)組機(jī)組出口電壓為0.69kV，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與箱式變壓器的接線方式采用一機(jī)一變的單元接線方式，與單機(jī)容量配套選用46臺箱式變壓器進(jìn)行升壓，經(jīng)一次升壓后電壓等級為35kV。風(fēng)電機(jī)組-箱式變電站組采用多機(jī)組聯(lián)合單元接線方式。由于風(fēng)電場地處山地，風(fēng)電機(jī)組布置范圍較廣，風(fēng)電場面積較大，且風(fēng)電機(jī)組布置基本沿地形走勢布置在山梁處，為減少線路總長度、縮小線路走廊，風(fēng)電場集電線路設(shè)計(jì)按風(fēng)電機(jī)組排布合理接入，最終采用4回集電線路將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量匯流后輸送至風(fēng)電場區(qū)配套建設(shè)的升壓站。每回集電線路并接11—12組風(fēng)電機(jī)組-箱式變電站組，輸送容量為24.2～26.4MW。風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 EN-110/2.2風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

2 導(dǎo)線截面的選擇和校驗(yàn)

對于35kV架空送電線路，導(dǎo)線截面一般按照經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇，并根據(jù)導(dǎo)線長期容許電流校驗(yàn)、電壓損耗、機(jī)械強(qiáng)度及發(fā)熱條件進(jìn)行校驗(yàn)。導(dǎo)線截面過大，將增加投資；截面過小，將增加電能損耗和電壓損耗，限制線路輸送容量。風(fēng)電場的集電線路輸送最大負(fù)荷與氣候環(huán)境密切相關(guān)，風(fēng)電場的最大負(fù)荷產(chǎn)生于大風(fēng)季節(jié)，氣候條件有利于導(dǎo)線的散熱，可提高導(dǎo)線的負(fù)載能力[5]。應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較進(jìn)行選擇， 以免造成浪費(fèi)或?qū)Ь€損壞[6-12]。

以上述工程為例，該風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘繛?00MW，年利用小時(shí)數(shù)為2246h。3—5月風(fēng)速最大；10—12月和1月風(fēng)速最小。單機(jī)容量為2200kW，共46臺。采用一機(jī)一變組合集電線路把46臺風(fēng)電機(jī)組分為4條線路，最終采用4回集電線路將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量匯流后輸送至風(fēng)電場區(qū)配套建設(shè)的升壓站。第一回、第三回集電線路并接11組風(fēng)電機(jī)組-箱式變電站組，輸送容量為24.2MW；第二回、第四回集電線路并接12組風(fēng)電機(jī)組-箱式變電站組，輸送容量為26.4MW。

2.1 按一般原則選擇導(dǎo)線

根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度表。最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為3000以下時(shí)，經(jīng)濟(jì)電流密度取J=1.65A/mm2。本工程年利用小時(shí)數(shù)2246h，因此取J=1.65A/mm2。以風(fēng)電機(jī)組一直處于滿發(fā)狀態(tài)為例，按經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行選擇計(jì)算如下[13-14]：

(1)

式中，S—導(dǎo)線的橫截面積，mm2；Pe—送電容量，kW；J—經(jīng)濟(jì)電流密度，A/mm2；Ue—線路額定電壓，kV。

集電線路采用匯流干線方式，逐臺接入沿線風(fēng)電機(jī)組。線路接入6臺風(fēng)電機(jī)組時(shí)計(jì)算得到S為138mm2；線路接入12臺風(fēng)電機(jī)組時(shí)計(jì)算得到S為278mm2。依據(jù)規(guī)范DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)無合適導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體面積可按以上計(jì)算截面相鄰的下一檔選取。風(fēng)電場集電線路接納6臺(13.2MW)及以下風(fēng)電機(jī)組的部分，采用LGJ-150/25型導(dǎo)線，接納6臺以上12臺(26.4MW)以下風(fēng)電機(jī)組的部分采用LGJ-300/40型導(dǎo)線。

2.2 按風(fēng)電場特性選擇導(dǎo)線

根據(jù)測風(fēng)塔2015年觀測資料，對風(fēng)電場風(fēng)速進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，80m高度風(fēng)速和頻率的分布如圖1所示。

圖1 測風(fēng)塔80m高度風(fēng)速和頻率分布圖

風(fēng)電場80m高度風(fēng)速主要集中在2.0～12.0m/s風(fēng)速段區(qū)間，占全部風(fēng)速分布的87.85%；小于10m/s風(fēng)速段區(qū)間，占全部風(fēng)速分布的83.21%；10.5～14.5m/s風(fēng)速段區(qū)間，占全部風(fēng)速分布的13.82%；大于14.5m/s風(fēng)速段區(qū)間，占全部風(fēng)速分布的2.95%，如圖1所示。

風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速為3m/s，風(fēng)速減小時(shí)發(fā)電量減小；風(fēng)速增加，發(fā)電量隨之增加，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組將自動切出停機(jī)。風(fēng)速的瞬時(shí)性決定風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量亦瞬時(shí)變化，某風(fēng)電場風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組出力見表2。

表2 風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組出力表

通過上述圖表得知，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14m/s時(shí)風(fēng)電機(jī)組才達(dá)到滿發(fā)2200kW，大于20m/s時(shí)風(fēng)速過大，風(fēng)電機(jī)組自動停機(jī)。因小于10.5m/s風(fēng)速段區(qū)間，占到全部風(fēng)速分布的83.21%，若風(fēng)速為10.5m/s，對應(yīng)風(fēng)電機(jī)組功率2028kW浮動。按單機(jī)發(fā)電量為2028kW進(jìn)行導(dǎo)線選型。根據(jù)式(1)計(jì)算可得集電線路接納6臺及以下風(fēng)電機(jī)組的部分，采用LGJ-120/25型導(dǎo)線，接納6臺以上12臺以下風(fēng)電機(jī)組的部分采用 LGJ-240/30型導(dǎo)線。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)，集電線路接納6臺容量為13.2MW，額定電流Ie為229A；接納12臺容量為26.4MW，額定電流Ie為458A。依據(jù)規(guī)范DL/T 5222—2005中鋼芯鋁絞線長期允許載流量表中數(shù)據(jù)，LGJ-120/25型導(dǎo)線的長期允許載流量為338A，大于6臺風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)的額定電流229A；LGJ-240/30型導(dǎo)線的長期允許載流量為561A，大于12臺風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)的額定電流458A。因此所選導(dǎo)線可以承載風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)的電流。僅在風(fēng)機(jī)滿發(fā)的短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線的電能損耗增加。

2.3 按鋼芯鋁絞線長期允許載流量選擇

風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)集電線路接納6臺容量為13.2MW，額定電流Ie為229A；接納12臺容量為26.4MW，額定電流Ie為458A。依據(jù)規(guī)范DL/T 5222-2005中鋼芯鋁絞線長期允許載流量表，6臺時(shí)選用LGJ-95/20，12臺時(shí)選用LGJ-240/30。

2.4 導(dǎo)線截面校驗(yàn)

2.4.1按電暈條件校驗(yàn)

在高海拔地區(qū)，110～220kV線路及330kV以上電壓線路的導(dǎo)線截面，電暈往往起主要作用，本工程電壓等級為35kV，暫不考慮電暈影響[13-14]。

2.4.2按導(dǎo)線長期容許電流校驗(yàn)

極限輸送容量計(jì)算公式如下[5]

(2)

式中，Wmax—極限輸送容量，MVA；Ue—線路額定電壓，kV；Imax—導(dǎo)線持續(xù)容許電流，kA。

LGJ-120/25型鋼鋁絞線的持續(xù)允許電流在導(dǎo)線溫度為70℃時(shí)為380A，按容許發(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量計(jì)算(導(dǎo)線溫度在70℃)為23.04MVA。LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線的持續(xù)允許電流在導(dǎo)線溫度為70℃時(shí)為610A，按容許發(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量計(jì)算為36.98MVA。

風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)，輸送6臺風(fēng)電機(jī)組的容量為2.2×6÷0.95=13.89<23.04，輸送12臺風(fēng)電機(jī)組的容量為2.2×12÷0.95=27.79<36.98。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)期的最大輸送容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)線發(fā)熱所能容許的數(shù)值。

2.4.3按電壓損失校驗(yàn)

根據(jù)導(dǎo)線截面及負(fù)荷功率查出：額定電壓為35kV，功率因數(shù)為0.95，按要求導(dǎo)線每MW·km電壓損失不大于5%，根據(jù)線路的電壓計(jì)算公式如下：

Δu=ΔupPl

(3)

式中，Δu—線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；Δup—三相線路1kW·km的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%/(kW·km)；P—有功負(fù)荷，kW；l—線路長度，km。

計(jì)算得出不同型號導(dǎo)線的最長傳輸距離見表3。

表3 不同型號導(dǎo)線的傳輸距離

工程中串接6臺機(jī)組線路長度最長為2.8km，6臺以上逐臺串接12臺機(jī)組線路長度最長為8.0km，經(jīng)比較計(jì)算，導(dǎo)線都能滿足壓降要求。

3 電能損耗比較

三相線路中有功及無功功率損耗計(jì)算公式如下：

ΔPL=3Ic2R×10-3

(4)

ΔQL=3Ic2X×10-3

(5)

式中，ΔPL—有功功率損耗，kW；ΔQL—無功功率損耗，kvar；Ic—電流，A；R—電阻，Ω；X—電抗，Ω/km。

6臺風(fēng)電機(jī)組容量為13.2MW時(shí)，電流Ic為229A；12臺風(fēng)電機(jī)組容量為26.4MW時(shí)，電流Ic為458A。計(jì)算4種導(dǎo)線功率損耗結(jié)果見表4。

表4 鋼芯鋁絞線功率損耗計(jì)算表

年耗電量按最大負(fù)荷小時(shí)數(shù)2246h計(jì)算，電流Ic為229A時(shí)，LGJ-120/25比LGJ-95/20長度同為3km時(shí)有功損耗減少33kW，年損耗電能為7.412萬kW·h，按電價(jià)0.56元計(jì)算為4.15萬元；電流Ic為458A時(shí)，LGJ-240/30比LGJ-185/30長度同為4km時(shí)損耗減少126kW，年損耗電能為28.3萬kW·h，按電價(jià)0.56元計(jì)算為15.9萬元。無功損耗差值很小，可忽略不計(jì)。

4 投資比較

風(fēng)電的造價(jià)控制好壞直接關(guān)系到風(fēng)電的發(fā)展，因此風(fēng)電的投資控制非常重要[15]。風(fēng)電項(xiàng)目一般會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成影響，易引發(fā)嚴(yán)重的水土流失危害，因此風(fēng)電的投資控制也需要包括水土保護(hù)設(shè)計(jì)[16-17]。

依據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì) 35kV集電線路分冊》導(dǎo)線LGJ-185/30用混凝土單桿，依據(jù)89D175《35kV鐵橫擔(dān)架空線路安裝》，導(dǎo)線LGJ-240/30用混凝土雙桿，導(dǎo)線、混凝土桿、以及鐵附件、基礎(chǔ)開發(fā)及回填費(fèi)用比較見表5。

表5 四種導(dǎo)線投資差值表

長度同為3km導(dǎo)線LGJ-120/25比LGJ-95/20有功損耗每年減少按上網(wǎng)電價(jià)折算為4.15萬元；長度同為4km導(dǎo)線LGJ-240/30比LGJ-185/30有功損耗每年減少按上網(wǎng)電價(jià)折算為15.9萬元。7km導(dǎo)線損耗總計(jì)為20.05萬元/年。導(dǎo)線型號不同，設(shè)計(jì)選用的混凝土桿型不同，產(chǎn)生的費(fèi)用差值為33.07萬元。比較工程投資差值及滿負(fù)荷時(shí)的損耗差值，從長期運(yùn)行考慮，宜選用導(dǎo)線LGJ-120/25及LGJ-240/30。

5 結(jié)論

風(fēng)電場集電線路工程與電網(wǎng)輸送電線路工程不同，受風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組布置形式、現(xiàn)場地形地貌及地質(zhì)條件、場內(nèi)道路等約束比較大。風(fēng)電場輸電線路導(dǎo)線截面選型需考慮其特性，場內(nèi)線路輸電容量隨著風(fēng)電機(jī)組串接數(shù)量的增加而增加，單機(jī)情況下，發(fā)電容量受風(fēng)速的直接影響，風(fēng)速的瞬時(shí)性影響發(fā)電量的多變性，選擇截面時(shí)如果按照風(fēng)電機(jī)組最大發(fā)電量串接考慮而實(shí)際運(yùn)行中很多時(shí)候風(fēng)電機(jī)組都不能滿發(fā)，造成預(yù)期計(jì)算的截面可能不是最優(yōu)的截面。在選擇風(fēng)電場輸電線路導(dǎo)線截面時(shí)結(jié)合工程實(shí)際情況綜合比較，選出最適宜的方案，使得工程投資經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行安全、可靠。