大型光伏電站場區35 kV電纜選型及設計實踐

摘 要：針對大型光伏電站實際應用過程中，35 kV電纜選型及設計等問題進行了研究。首先對比分析了銅電纜、鋁電纜和鋁合金電纜在光伏電站中的應用，以降低光伏電站的建設成本為目的，提出了35 kV電纜的選型原則；然后結合實際項目的設計實踐，綜合考慮環境溫度、土壤熱阻系數、按短路熱穩定條件計算電纜導體允許最小截面等影響因素，對大型光伏電站場區35 kV電纜選型進行了詳細探討，并進行了校驗。該設計可減少線纜投資，降低光伏電站的運行損耗，進一步提高項目收益率，具有現實可行的重要意義。

關鍵詞：光伏電站；35 kV電纜選型；鋁合金電纜；設計實踐

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

收稿日期：2024-01-11

通信作者：黨天剛（1990—），男，碩士、工程師，主要從事升壓站電氣一次、光伏電站場區電氣方面的研究。tiangangdang7179@163.com

0" 引言

根據《中國電力行業年度發展報告2023》[1]，中國在新能源發電領域增勢迅猛，截至2022年底，中國全口徑發電裝機容量超過25億kW，同比上年增長8.0%，較上年增速提升0.2個百分點；其中，光伏發電的并網容量超過3.9億kW，同比上年增長28.1%。2022年，中國全口徑發電量超過8.7萬億kWh，同比上年增長4%。其中，光伏發電并網發電量約4276億kWh，同比上年增長約3%，約占全口徑發電量的5%[1-2]。

為深入貫徹黨中央關于“雙碳”目標的重大決策，中國在光伏發電技術水平上不斷成熟并持續創新，使光伏電站建設成本顯著下降，光伏發電已進入平價上網時代。盡管如此，部分項目在35 kV集電線路路徑和電纜優化方面仍存在薄弱環節，比如：35 kV 集電線路路徑過長、截面過大等因素會造成項目投資損失，在光伏發電項目中較高（包含0.08元/W的措施費）等。因此，結合實際工作經驗，對光伏發電項目線纜進行設計優化，不僅可減少投資、降低運行損耗，還可以減少線纜故障率，進而提高項目收益率，具有重要的現實意義和可行性。

本文針對大型光伏電站場區35 kV箱式變壓器之間電纜和進站的電纜選型及設計進行探討，并結合實際項目，對光伏電站場區35 kV鋁合金電纜進行選型及校驗。

1" 電纜性能

1.1" 電纜的材質

對不同材質電纜的性能進行對比，具體結果如表1所示。

從表1可以看出：相比于銅電纜，鋁電纜和鋁合金電纜的電阻率較大、導電性能相對較弱；但鋁合金的伸長率與銅電纜相近[3]。鋁電纜和鋁合金電纜導體表面易形成1層致密的氧化膜，可耐受并阻止各種形式的腐蝕。此外，鋁合金電纜比銅電纜具有更好的柔韌性能，安裝時所需的拉力較小。由于摻雜了稀土元素，相比于鋁電纜，鋁合金電纜在抗蠕變性能、延展性能、柔韌性能方面都有較大提高，同時減少了不同金屬之間的電位差，從而降低了電化學腐蝕產生的影響。在同等載流量（即最大安全承載的電流）及電纜長度情況下，相比于銅電纜，鋁合金電纜具有質量輕、彎曲半徑小、強韌性好、易施工等優點，施工時能夠減少超過20%的施工工作量。

近年來，在光伏場區35 kV電纜選型中，鋁電纜、鋁合金電纜的應用越來越廣泛，二者憑借低成本、優越的彎曲性、抗蠕變性、耐腐蝕性、較輕的重量，以及安裝過程中節能、環保等特性，已逐步取代銅電纜。

1.2" 電纜的經濟性

以某公司2022年電纜的集采價格為例，對35 kV銅電纜、鋁電纜、鋁合金電纜的采購單價進行對比，如圖1所示。電纜規格型號采用“芯數×標稱截面積”的方式表示。

從圖1可以看出：鋁電纜和鋁合金電纜的采購單價明顯低于銅電纜。因此，鋁電纜和鋁合金電纜具有成本較低的優勢，在滿足同等電氣性能的前提下，鋁電纜和鋁合金電纜的價格比銅電纜的低30%～50%[4]。綜上所述，正確合理地使用鋁電纜和鋁合金電纜，有利于光伏電站降低成本、提高施工效率。

2" 電纜設計需考慮的因素

電纜設計時，需參考GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》[5]，需要考慮的關鍵因素包括：環境溫度、土壤熱阻系數、并聯系數、電纜熱穩定截面、電纜敷設方法等。

2.1" 環境溫度

環境溫度對電纜的載流量有顯著影響，不同敷設條件下電纜持續允許載流量需用其校正系數K進行校正。對于GB 50217—2018未涵蓋的其他環境溫度，電纜持續允許載流量的校正系數可以通過下式計算，即：

（1）

式中：θm為電纜導體的最高工作溫度，℃；θ1為電纜導體對應額定載流量的基準環境溫度，℃；θ2為實際環境溫度，℃。

目前，電力電纜絕緣護套主要有聚氯乙烯（PVC）護套和聚乙烯（PE）兩種，分別采用兩種絕緣護套的電力電纜性能對比如表2所示。

因此，在電纜選型時，應考慮場址區域的氣候條件，尤其是在氣候嚴寒的地區（比如：中國西北地區和內蒙古地區），其冬季室外氣溫較低。

2.2" 土壤熱阻系數

土壤熱阻系數對電纜持續允許載流量的校正系數也存在影響，中國不同區域土壤熱阻系數的推薦值如表3所示。

2.3" 電纜熱穩定截面

按短路熱穩定條件計算電纜導體允許最小截面積S，其計算式為：

S≥√Q" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

C

式中：Q為短路電流的熱效應值；C為熱容量系數。

本文中鋁電纜和鋁合金電纜的熱容量系數取值為93，其表達式為：

C=" 1" " "Jq In 1+α（θm–20） ·10-2" " " " " " " " " " " "（3）

η" " αKρ" "1+α（θp–20）

式中：η為熱容量校正系數，取值為1；J為熱功當量系數，取1.0；q為材質的單位體積熱容量，J/（cm3·℃）；α為電阻溫度系數，℃-1；ρ為電阻系數，（Ω·cm2）/cm；θp為短路時電纜的最高工作溫度，℃。

θp=θo+（θH–θo）" "Ip" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

IH

式中：θo為環境溫度最高值，℃；θH為電纜最高允許工作溫度，℃；Ip為電纜實際最大工作電流，A；IH為電纜額定負荷電流，A。

35 kV電纜選型時，需先考慮載流量要求，然后再根據項目的接入系統報告（收口版）中提供的短路電流數據，進行熱穩定校驗。

2.4" 電纜敷設方法

大型光伏場區35 kV集電線路路徑選擇應遵循以下原則：盡量縮短路徑長度，并減少集電線路之間的交叉；電纜應沿巡檢道路敷設，便于施工和后期運行維護；集電線路路徑應盡量集中，避免多次開挖。

根據GB 50217—2018，光伏電站電纜敷設深度不得小于0.8 m，需在電纜上下分別均勻鋪設100 mm厚的細砂或軟土，并覆蓋混凝土保護板或類似的保護層。35 kV電纜直埋敷設時，接頭處應滿足以下要求：

1） 與控制電纜之間的凈距，在平行時不小于0.25 m，在交叉時不小于0.5 m；

2） 與建筑物、構造物基礎之間的凈距不小于0.6 m；

3） 與道路邊之間的凈距不小于1.0 m；

4） 與排水明溝之間的凈距，在平行時不小于1.0 m，在交叉時不小于0.5 m；

5） 在直線段、轉彎處、接頭處、進入建筑物等位置，應設置明顯的標志；

6） 金屬層必須直接接地，鋼管兩端口采用有機堵料封堵嚴密，堵料嵌入管口深度不小于50 mm；

7） 跨越道路、主干道、過沖溝時均需采用穿管（鋼管）方式保護電纜，且在鋼管兩端處做防水密封處理，跨越道路及主干道時鋼管伸出路基高度1 m；

8） 進入設備處應安裝格蘭頭，要求采取措施以避免電纜接頭連接點承受向下拉力；

9） 所有直流鋁合金電纜需采用專用的銅鋁過度端子與設備銅排連接，35 kV電纜接頭采用專用銅鋁過度端子，接線應緊固；

10） 35 kV輸出線路至升壓站的電纜需采用同一型號、同一長度、同一敷設方式、同一生產批次的高壓電纜。

3" 實際項目算例

3.1" 項目概況

以新疆維吾爾自治區哈密市某10萬kW光伏發電項目為例，該項目直流側裝機容量為129.4436 MW，交流側為102.3 MW；共31個3.3 MW的光伏子陣，每7或8臺35 kV箱式變壓器并聯為1回集電線路，每回集電線路的容量約為23.1MW/26.4MW；以4回35 kV集電線路接入220 kV升壓站，電纜采用直埋方式，材質選用鋁合金項目35 kV直埋電纜路徑示意圖如；圖2所示。圖中：1#～31#為35 kV變壓器。

3.2" 35 kV電纜選型

由前文可得：當光伏場區土壤環境溫度設定為25 ℃，當電纜導體最高工作溫度為90 ℃時，電纜持續允許載流量校正系數為1.0。

項目所在地氣候嚴寒，屬于北方干燥沙地區域，冬季室外氣溫較低，因此35 kV選擇YJY電

力電纜；根據表3，土壤熱阻系數取2.0 K·m/W；電纜載流量校正系數為0.87。本項目35 kV集電線路僅最后1臺箱變至配套220 kV升壓站路徑存在并聯；施工過程中要求2根電纜并列敷設，間距為200 mm，載流量校正系數為0.92。

某電纜廠家提供的35 kV直埋電纜選型樣本計算表如表4所示。

3.3" 35 kV電纜截面熱穩定校驗

根據該項目的接入系統報告（收口版）及審查意見，本項目配套220 kV變電站遠景年（2030年）35 kV母線的短路電流為16.5 kA；經電纜熱穩定計算，35 kV電纜最小截面積不應小于120 mm2。基于此，確定該項目每回35 kV集電線路的電纜型號，具體結果如表5所示，電纜導體允許最小截面均滿足熱穩定校驗。對應圖2中的15#～8#箱變所在的回路：15#→12#為第1→3臺升壓箱變，12#→11#為第4→5臺升壓箱變，11#→10#為第5→6臺升壓箱變，10#→9#為第6→7臺升壓箱變，9#→8#為第7→8臺升壓箱變。

另外，此處需要提醒項目業主、設計單位注意，在招標確定電纜廠家后，需要廠家提供一份正式的電纜載流量說明（包括電纜導體最高工作溫度、土壤熱阻系數、環境溫度），供設計單位復核。大型光伏電站的最后1臺箱變至配套升壓站之間的電纜截面較大，通常會存在電纜中間接頭，此處建議修建電纜井，以方便后期的運維管理。

4" 結論

近年來，在光伏場區的電力傳輸中，35 kV鋁電纜和鋁合金電纜因具有成本低、彎曲性好、抗蠕變性好和耐腐蝕性強，以及重量輕、安裝過程節能環保等優勢，應用越來越廣泛，正逐漸取代銅電纜。本文針對大型光伏電站場區35 kV箱變之間電纜及進站電纜選型及設計進行了探討，并結合實際項目，對光伏電站場區35 kV鋁合金電纜進行選型及校驗，確保其滿足技術要求。

大型光伏電站35 kV電纜選型設計過程中，必須綜合考慮環境溫度、土壤熱阻系數、并聯系數、電纜導體截面等因素的影響。此外，需要根據項目接入系統報告（收口版）及審查意見中的35 kV母線短路電流，對最小截面面積進行校驗。本文提出的光伏電站電纜選型設計為減少線纜投資、降低運行損耗、進一步提高項目收益率提供了可行的理論參考，具有現實可行的重要意義。

[參考文獻]

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[4] 汪婷婷，張恬，張梅，等. 光伏系統電纜設計選型優化研究[J]. 太陽能，2013（11）：13-16.

[5] 中國電力企業聯合會. 電力工程電纜設計標準：GB 50217—2018[S]. 北京：中國計劃出版社，2018.

SELECTION AND DESIGN PRACTICE OF 35 kV CABLE SELECTION IN LARGE-SCALE PV POWER STATION SITE

Dang Tiangang，Chen Qingwen

（Powerchina Northwest Engineering Corporation Limited，Xi'an 710065，China）

Abstract：This paper focuses on the selection and design of 35 kV cables in the practical application process of large-scale PV power stations. Firstly，compares and analyzes the application of copper cables，aluminum cables，and aluminum alloy cables in PV power stations，and proposes selection principles for 35 kV cables to reduce the construction cost of PV power stations. Then，combining the design practice of actual projects，it comprehensively considers influence factors such as the ambient temperature，soil thermal resistance coefficient，and calculates the minimum allowable cross-section of the cable conductor according to short-circuit thermal stability conditions，to conduct a detailed discussion and verification on the selection of 35 kV cables in the field of large-scale PV power stations. This design can reduce cable investment，lower operational losses of PV power stations，and further improve project profitability，which has practical and feasible significant importance.

Keywords：PV power station；35 kV cable selection；aluminum alloy cables；design practice