基于Huebscher模型的新能源高壓外送電纜線路技術優化

摘 要：迪拜五期900 MW光伏項目是迪拜2030綜合能源戰略的一部分，現依托該項目，對影響外送電纜線路的參數進行深入分析，針對IEC 60287標準中未涉及的電纜敷設模型，采用創造性思維，通過Huebscher模型來模擬方形電纜槽的等效直徑，在保證電纜載流量的同時，大幅降低了土建開挖及回填、接地電纜等工程量，擴展了目前IEC標準中敷設模型的運用范圍，同時也彌補了國內相關應用的空白。

關鍵詞：高壓電纜線路;載流量;敷設模型;熱阻;矯正計算

中圖分類號：TM75? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0004-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.002

0? ? 引言

聚焦能源清潔發展，加強發輸電通道建設，拓展新能源消納空間，可有力推動清潔能源大規模開發外送，緩解棄風、棄光問題。鑒于海外新能源市場的廣闊前景，清潔能源長距離高壓外送逐漸成為海內外大型新能源項目的標配元素。由于電纜的電容遠大于架空輸電線路，當電纜長度達到一定限值后，電纜的全部輸送容量將僅夠用來對電纜自身充電，功率沒辦法輸出[1-2]，所以，研究電纜的電氣特性至關重要。以往國內項目電纜參數通常是通過查閱手冊得到，既不確切也不實用，因而在國外未得到廣泛認可。

1? ? IEC 60287-2-1中電纜外部熱阻計算方法

高壓電纜在無強迫對流散熱的空間敷設，目前數值計算方案是通過對電纜周圍一定范圍內的電磁場、溫度場進行二階微分方程的數值計算，并考慮之間的相互耦合，不斷迭代得到導體溫升，最終計算得出載流量。其中熱阻的確定對于高壓電纜長期允許載流量計算至關重要，對于電纜溝道敷設方式，溝道外部的熱阻極難獲得[3]。

通常管道中的電纜外部熱阻由三部分組成：電纜表面和管道內表面之間的空氣熱阻T4′、管道本身熱阻T4"、管道外部熱阻T4？蓯。

管道中的電纜外部熱阻計算式為：

T4=T4′+T4"+T4？蓯

在IEC 60287-2-1： 2015標準中提到，T4？蓯的計算如下：

其中，u=。

在IEC 60287-2-1： 2015標準的4.2.7.4章節中，對于rb的考慮如下：

式中：x為管道短邊長度（mm）;y管道長邊長度（mm）;y/x<3。

從已有的IEC 60287-2-1： 2015標準可以看出，對于目前電纜溝道敷設的熱阻矯正計算方式只適用于電纜溝道長邊和短邊之比小于3的場景，并沒有涉及長邊和短邊之比大于3的場景。

2? ? 多回電纜外部熱阻計算方法研究

迪拜五期900 MW光伏項目涉及3期共9組高壓電纜的敷設，電纜溝道長邊和短邊之比遠大于3，且局部特殊地段開挖場地受限。在高壓外送線路投標階段，共計有4家業內頂尖的高壓線路集成商針對迪拜五期特殊的3期9組高壓電纜的敷設結構提供了方案，包括預制熱阻系數較低的電纜溝回填土，增加電纜敷設間距以減少電纜熱阻的影響等，從而滿足IEC標準的敷設形式，進而完成線路的電氣計算工作。但是，上述方案均將大大增加EPC方的執行費用。其中，韓國LS Cable & System在進行投標優化后，提供的方案3回9根電纜單個電纜槽的寬度為2.7 m，電纜槽間距需2.9 m，9回27根電纜統計下來總敷設寬度仍為17 m。外方線路集成商原始方案如圖1所示。

在分析高壓電纜線路電氣特征以及IEC已有模型原理后，針對迪拜五期具體的敷設回填方式，提出當預制電纜管道需回填沙土時，首先假設排管外部有與回填土相等熱阻系數的均一介質，再計及預制管道外部土壤之間的熱阻系統的差異，加上校正項：

T4？蓯（ρe，ρc）=T4？蓯（ρc）+（ρe-ρc）lnu+

并通過Huebscher模型來模擬方形電纜槽的等效直徑：

de=1.3（a+b）×0.625/[（a+b）×0.25]

式中：de為等效直徑（mm）;a為長邊長度（mm）;b為短邊長度（mm）。

將Huebscher模型和只考慮每期電纜槽的長寬比得到的等效直徑作比較，取影響載流量最大值來對目前標準中的計算模型進行補充和擴展。

3? ? 多回電纜外部熱阻計算方法的應用及其校驗

依據上述思路可以避免IEC 60287-2-1： 2015中運用場景的局限，不直接套用IEC現有的計算模型，在實際項目實施中只考慮每期電纜槽的長寬比，并輔以國際通用的計算軟件CYMCAP進行校驗，得到一致的結論，如表1所示。

在實際執行中，此計算模型已提交業主及咨詢方審核通過，并運用在PHASE A期的外送線路中，每期3回9根電纜分成2個電纜槽，寬度分別為2 m、1 m，電纜槽間距控制在525 mm，9回27根電纜實際敷設的寬度限值在11 m左右。實施方案如圖2所示。

在擴展目前IEC標準中敷設模型的基礎上，針對高壓電纜輸電線路的電氣參數整理總結各種工況下的計算方法，包括電纜參數計算、電纜長期載流量及短時工況下短路電流的需求計算、接地和互聯同軸電纜的感應電流及載流量需求計算。其中，電纜護層感應電流的計算對于迪拜五期長距離輸送線路的系統分段有較為關鍵的影響，采取交叉互聯的接地方式后，線芯和護套的間距不再保持不變，需要分段計算各段護套的保護電壓，這樣有利于整個電纜輸電系統的設計，以減少中間電纜頭數量，有效縮短現場施工時間[4-6]。迪拜五期采取上述交叉互聯接地模式，可以大大減少后期此類工程的設計工作，對于進一步降低EPC整體造價有較大的幫助。交叉互聯接地如圖3所示。

本項目建立的這種IEC標準中未涉及的電纜敷設模型，在保證電纜載流量的同時，大幅降低了土建開挖及回填工程量、接地電纜工程量，土建開挖及回填工程量減少約為整個外線土建工程量的25%。該計算模型已獲得了五期項目業主及當地電力公司的認可，在五期第一期工程項目中得到實際驗證。現場外線施工照片如圖4所示。

4? ? 結語

本文針對新能源項目建立了一種適用于海外地區的外送電纜通道的新型電氣性能計算模型，依托于作為迪拜2030綜合能源戰略一部分的迪拜五期900 MW光伏項目，對影響外送電纜線路的參數進行深入研究，同時對高壓電纜的各項性能參數進行優化設計，建立起適用于海外長距離外送電纜通道設計的計算方法，獲得了較好的經濟效果。基于Huebscher模型的新能源高壓外送電纜線路技術擴展了目前IEC標準中敷設模型的運用范圍，對于IEC相關標準有一定的補充作用，同時為后期填補國內相關規范空白提供了有力的技術支撐。

[參考文獻]

[1] 馬國棟.電線電纜載流量[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] 劉子玉，王惠明.電力電纜結構設計原理[M].西安：西安交通大學出版社，1995.

[3] Electric cables-Calculation of the current rating-Part 2-1：Thermal resistance-Calculation of thermal resistance：IEC 60287-2-1：2015[S].

[4] Calculation of thermally permissible short-

circuit currents，taking into account non-

adiabatic heating effects：IEC 949：1988[S].

[5] 歐景茹，祁樹文，楊世春，等.高壓單芯電纜線路金屬護套接地方式[J].吉林電力，2005（2）：19-21.

[6] 牛海清，王曉兵，蟻澤沛，等.11O kV單芯電纜金屬護套環流計算與試驗研究[J].高電壓技術，2005（8）：15-17.

收稿日期：2022-01-10

作者簡介：劉勁磊（1983—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：電力工程設計。