荒漠地区光伏电站电缆选型研究

夏显威，彭月，张娜，李晋锋，朱丽侠

摘 要：随着实现碳达峰、碳中和目标的持续推进，清洁能源越来越受到关注，促使光伏发电得到大力发展，光伏电站的建设规模也日益扩大。但与此同时也出现了一些技术问题，比如电缆选型问题。结合荒漠地区光伏电站的特点，对直流电缆和交流电缆选型进行研究；通过对敷设方式、经济电流密度等影响因素进行分析，并利用算例分析確定兼具可靠性与经济性的光伏电站电缆选型。分析结果显示：荒漠光伏电站的电缆敷设方式一般选择直埋或沟敷设；直流电缆选型时需满足载流量、热稳定校验及压降等要求，而交流电缆选型时除需满足载流量、热稳定校验及压降等要求外，还需要考虑经济电流密度，因为其可使电缆选型结果更具有经济性和可靠性。该电缆选型方法同样适用于山地和平地场景下的光伏电站。

关键词：荒漠地区；光伏电站；电缆选型；直埋敷设；压降

中图分类号：TM757.3/TM615 文献标志码：A

0  引言

目前，中国的环境问题日益严重，能源也越来越匮乏，光伏发电作为重要的新能源利用方式，已成为最理想的清洁能源利用技术[1]。中国的西部荒漠地区面积广阔，日照时间长，太阳辐照量和地质条件都占据极大优势，可用于大力建设光伏电站[2]。在光伏电站设计和建设过程中，高压、低压电缆的造价约占总造价的6%，因此，合理的电缆选型和排布可以节省电缆用量，降低工程造价，避免资源浪费[3]。荒漠地区光伏电站（下文简称为“荒漠光伏电站”）所处地势海拔相对较高，环境具有温度高、污秽重等特点，因此，在满足设计要求及施工质量的前提下，荒漠地区合理的电缆选型不仅应具有经济性，还应具有运行可靠性。

电缆选型可遵循《电力工程设计手册》及GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》[4]中的规定进行研究与计算，但建于不同地形的光伏电站对电缆在选型、设计及施工等环节会略有不同。由于气候和地形不同，荒漠光伏电站在电缆选型和敷设要求上均与其他类型光伏电站不同。

本文结合荒漠地区地形及气候特点，从电缆选型、敷设方式、经济电流密度等方面对荒漠光伏电站采用何种电缆更贴合荒漠地区实际情况及更具经济性进行分析。

1  光伏电站电缆选型及敷设方式

中国不同地区光伏电站对其所用电缆的具体要求也有所不同，但都需要按照《电力工程设计手册》及GB 50217—2018中的规定执行[4]。

1.1  直流电缆选型及敷设方式

光伏电站的直流电缆是指从直流汇流箱至箱逆变一体机之间的电缆。

1.1.1  绝缘材料类型

低压直流电缆的绝缘材料一般选用聚氯乙烯或交联聚乙烯型挤塑绝缘材料[5]。对于处在低于-15 ℃环境中的电缆，考虑到低温条件和绝缘性能，建议选择交联聚乙烯型挤塑绝缘材料[5]。

1.1.2  绝缘水平

光伏组件至汇流箱之间的最大直流电压为1500 V，因此，直流电缆的额定电压等级一般选用1.8/3 kV，即极对地绝缘水平为1.8 kV，极间绝缘水平为3 kV[5]。

1.1.3  电缆的护层材料

电缆的护层材料需要与电缆最高允许工作温度相适应。结合荒漠光伏电站的环境条件，对于处在低于-15 ℃环境中的低压直流电缆挤塑外护层宜选用交联聚乙烯材料，其他情况建议选择聚氯乙烯材料外护层。

1.1.4  电缆敷设方法

电缆的敷设方式需要根据荒漠光伏电站光伏区的环境条件、工程条件及电缆选型等因素综合考虑后选择，同时还需要从经济性和运行维护两个方面进行考虑。常见的低压直流电缆敷设方式包括直埋和电缆沟敷设两种。

1.2  交流电缆选型及敷设方式

光伏电站的交流电缆是指从箱逆变一体机至升压站进站开关柜之间的电缆。

1.2.1  绝缘材料类型

高压交流电缆的绝缘材料一般选用交联聚乙烯绝缘材料，且高压交流电缆需采用内、外半导电屏蔽层与绝缘层3层共挤的工艺形式。

1.2.2  绝缘水平

光伏电站箱逆变一体机至升压站进站开关柜之间的交流电缆为35 kV电压等级。因此，交流电缆的额定电压等级一般选用26/35 kV，即极对地绝缘水平为26 kV，极间绝缘水平为35 kV[5]。

1.2.3  电缆的护层材料

交流侧发电系统中单芯电缆若需要增强其抗外力能力时，电缆外护层应选用非磁性金属铠装层，不得选用未经非磁性处理的钢制铠装层[5]。

1.2.4  电缆敷设方法

电缆的敷设方式需要根据荒漠光伏电站光伏区的环境条件、工程条件及电缆选型等因素综合考虑后选择，同时还需要从经济性和运行维护两个方面进行考虑。常见的高压交流电缆敷设方式包括直埋和电缆沟敷设两种。

2  经济电流密度计算

依据JB/T 10181.32—2014《电缆载流量计算第32部分：运行条件相关电力电缆截面的经济优化选择》或IEC 60287-3-2：1995《Electric cables——Calculation of the current rating——Part 3：Sections on operating conditions——Section 2：Economic optimization of power cable size》中的计算方法进行经济电流密度计算。当导体截面为经济截面时其总费用最低，此时导体单位截面积流过的电流即为经济电流密度。经济截面一般是使电缆总费用函数为最小值时对应的导体截面[6]。电缆总费用CT与导体截面S的函数CT（S）可表示为：

CT（S）=CI（S）+I2maxR（S）lF                                 （1）

式中：CI（S）为导体截面与电缆线路安装费用之间的函数；Imax为第1年内导体的最大负荷电流，即小时最大平均电流值；l为电缆长度；R（S）为导体单位长度的交流电阻与其截面的函数；F为辅助量，导体电流和电阻之外的所有参数都用该系数表示。

CI（S）和R（S）之間的关系式可从标准导体截面单位长度电缆的交流电阻与标准导体截面电缆已知价格之间的关系中推导出。根据IEC 60287-1-1—2006《Electric cables——Calculation of the current rating——Part 1-1：Current rating equations （100% load factor） and calculation of losses——General》，导体单位长度的交流电阻与其截面的函数之间关系的计算式[6]可表示为：

R（S）=  Bρ20[1+α20（θm–20）] 106                        （2）

S

式中：B为假定的导体经济截面可能值，可由IEC 60287-1-1—2006中的公式计算求得；ρ20为20 ℃时导体的直流电阻率；α20为20 ℃时导体的电阻温度系数；θm为导体的平均工作温度。

考虑电缆型号和安装费后，导体截面与电缆线路安装费用函数之间关系的计算式[6]可以表示为：

CI（S）=l（AS+C）                                               （3）

式中：A为与导体截面有关的单位长度电缆费用中的可变部分费用；C为与电缆敷设条件等有关的单位长度电缆费用中的不变部分费用。

对式（1）中的S进行求导，使其为零时，可求得经济截面Sec[6]，其可表示为：

Sec=1000     I2maxFρ20B[1+α20（θm–20）]             （4）

A

其中：

B=（1+yp+ys）（1+λ1+λ2）                                     （5）

式中：ys、yp分别为集肤效应和邻近效应系数；λ1、λ2分别为金属套和铠装的损耗因数。

F=NpNc（TP+D） 100Q

100+i                                    （6）

式中：Np为每个回路的相导体数；Nc为类型和负荷值相同的回路数；P为相应电压等级下消耗1Wh电能的费用；T为最大焦耳损耗下的工作时间；D为年供电费用；Q为辅助量；i为折现率。

3  算例分析

本文以新疆维吾尔自治区某100 MW荒漠光伏电站为例，该电站共有257972块545 W单晶硅光伏组件，每26块光伏组件串联为1个光伏组串，每24路光伏组串接入1台24汇1的直流汇流箱，每14台直流汇流箱接入1台3125 kW的箱逆变一体机。该电站共设32个光伏子阵，每个光伏子阵设置14台24汇1的直流汇流箱和1台3125 kW的箱逆变一体机。本项目中电缆采用直埋敷设方式。

标准测试条件（STC）下545 W单晶硅光伏组件的主要电性能参数如表1所示。

3.1  直流电缆选型及敷设

3.1.1  载流量校验

电缆载流量校验除了需要考虑额定载流量外，还需要与回路过负荷保护配合[7]，一般回路过负荷保护所需校验的载流量大于额定载流量。电缆载流量校验需满足式（7）[6]，即：

KIxu≥Ig                                                                                                   （7）

式中：K为电缆在土壤中直埋敷设方式下的综合校正系数；Ixu为电缆在直埋敷设条件下的额定载流量；Ig为电缆长期持续工作下的电流。

3.1.2  热稳定校验

电缆导体的热稳定校验需满足式（8），即：

S= √H                                                             （8）

c

式中：H为热效应值；c为热稳定系数。

3.1.3  综合校正系数的选择

在直埋电缆的载流量计算式中综合校正系数的取值会依据环境条件及敷设方式等进行选择[8]，根据本算例的情况其可表示为：

K=KtK4                                                                                                      （9）

式中：Kt为环境温度校正系数；K4为土壤直埋并敷设多根电缆时的载流量校正系数。

在电缆工作电流一定的情况下，由式（9）可知，电缆采用直埋敷设方式时，影响载流量的因素有2个。依据《电力工程设计手册》进行电缆的截面选型。

3.1.4  压降校验

直流电缆压降?U的计算式[4]可表示为：

?U=200Igl  R1                                                                                 （10）

U

式中：U為电缆工作电压；R1为每千米电缆的电阻。

在满足GB 50217—2018要求的前提下，箱逆变一体机中逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）的电压跟踪范围为875～1300 V，光伏组件在正常发电状态下，会因受到环境、温度、太阳辐照度强弱等因素的影响而不断变化，在考虑经济电流密度的情况下，汇流箱到箱逆变一体机之间的直流电缆压降满足GB 50217—2018中的要求即可。汇流箱正常接的路数是24路，若在不满接的情况下计算压降，该压降值远小于国标中要求的压降值即可。

本算例中，电缆长度按照0.1 km计算，每个汇流箱接24路电缆，则压降应为2%；若每个汇流箱接21路，则压降应为1.75%；若每个汇流箱接20路，则压降应为1.67%。

3.1.5  电缆选型结果

在满足上述条件的前提下，计算得到直流电缆的相关参数结果，根据该结果，选择型号为ZRC-YJLHY23-1.8/3kV-2×240 mm2的直流电缆。

3.1.6  小结

选择直流电缆时，主要考虑载流量、热稳定校验和压降。直流电缆在本算例中用在汇流箱至箱逆变一体机之间，电压等级属于低压，一般选用铝合金电缆即可，型号通常选择ZRC-YJLHY23-1.8/3kV。直流汇流箱较常出现不满接的情况，24汇1的直流汇流箱通常接20或21路电缆，合理的选型和敷设方式可以节省电缆的成本。

3.2  交流电缆选型及敷设

3.2.1  载流量校验

交流电缆的载流量校验需满足：箱逆变一体机输出的最大交流功率（3437.5 kVA）为1.1倍的额定运行功率。本算例中，箱逆变一体机的额定交流电压为35 kV，单台箱逆变一体机输出的额定交流电流经载流量反向校正后，其与综合校正系数存在如下关系[6]：

IN1≥ 1                                                        （11）

K

式中：IN1为单台箱逆变一体机输出的额定交流电流经载流量反向校正后的电流。

本算例中按照每回35 kV线路汇集4回集电线路，每回集电线路容量约为25 MW，合计4回。单台箱逆变一体机可接入容量及对应电缆截面可按照式（11）计算得到。

3.2.2  热稳定校验

交流电缆的热稳定校验计算方法同直流电缆的相同。

3.2.3  综合校正系数的选择

交流电缆在土壤中直埋敷设方式下的综合校正系数的计算方法同直流电缆时的相同。

3.2.4  经济截面的选择

本算例中光伏组件最佳倾角下接收的年总太阳辐射量为5550.8 MJ/m2，将求出的电缆最大焦耳损耗下的工作时间和相应电压等级下消耗1 Wh电能的费用代入到式（6），然后再计算求得最大负荷电流下经济截面。

3.2.5  压降校验

三相交流电缆压降?U1的计算式[4]可以表示为：

?U1= 173 Igl（R1cosφ+xsinφ）                        （12）

U

式中：cosφ为功率因数；sinφ为无功功率与视在功率的比值；x为每千米电缆的电抗。

单相交流电缆压降?U2的计算式[4]可以表示为：

?U2= 200 Igl（R1cosφ+xsinφ）                        （13）

U

本算例中，电缆长度按照0.1 km计算，当采用型号为ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×95mm2的电缆时，其压降为4%；当采用型号为ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×240mm2的电缆时，其压降为3%；当采用型号为ZRC-YJLHY23-26/35kV-3×400mm2的电缆时，其压降为2%，当采用型号为ZRC-YJY63-26/35kV-1×300mm2的电缆时，其压降为2%。

3.2.6  经济截面交流电缆的选型结果

本算例中共4回集电线路，每回集电线路包括8台箱逆变一体机，由于每回集电线路对应的交流电缆型号均相同，因此仅对1回集电线路，也就是8台箱逆变一体机的交流电缆选型结果进行分析。在满足上文分析结果的情况下，经济截面交流电缆的选型结果如表2所示。

集电线路采用交流电缆，其电压等级为高压，因此需采用高压交流电缆。交流电缆的选型过程需同时满足载流量、热稳定校验、压降及经济的要求，这样得到的选型结果才更具有经济性和合理性。

4  结论

本文结合荒漠地区地形及气候特点，从电缆选型、敷设方式、经济电流密度等方面对荒漠光伏电站采用何种电缆更贴合荒漠地区实际情况及更具经济性进行了分析。分析结果显示：荒漠光伏电站的电缆敷设方式一般选择直埋或沟敷设；直流电缆选型时需满足载流量、热稳定校验及压降等要求，而交流电缆选型时除需满足载流量、热稳定校验及压降等要求外，还需要考虑经济电流密度，因为其可使电缆选型结果更具有经济性和可靠性。该电缆选型方法同样适用于山地和平地场景下的光伏电站。

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[7] 张彦昌，石巍. 光伏电站直流汇流电缆选型[J]. 电力建设，2014，35（2）：113-116.

[8] 陈景涛，李锡芝. 大型光伏电站电力电缆截面经济最佳化因素探讨[J]. 电线电缆，2016（1）：13-17.

Research on cable selection for PV power stations in desert areas

Xia Xianwei1，Peng Yue2，Zhang Na2，Li Jinfeng1，Zhu Lixia1

（1. China National Petroleum Corporation （CNPC） Tarim Oilfield Company，Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture  841000，China；2. Xian LONGi Clean Energy Co.，Ltd.，Xian 710100，China）

Abstract：With the continuous promotion of achieving carbon peak and carbon neutrality goals，clean energy is receiving increasing attention，promoting the vigorous development of PV power generation，and the construction scale of PV power stations is also expanding day by day. But at the same time，there have also been some technical issues，such as cable selection issues. This paper studies the selection of DC and AC cables based on the characteristics of PV power stations in desert areas，by analyzing factors such as laying method，economic current density，and using numerical examples to determine a reliable and cost-effective cable selection for PV power stations. The analysis results show that the cable laying method for desert PV power stations generally chooses direct burial or trench laying；When selecting DC cables，it is necessary to meet the requirements of current carrying capacity，thermal stability verification，and voltage drop. However，when selecting AC cables，in addition to meeting the requirements of current carrying capacity，thermal stability verification，and voltage drop，it is also necessary to consider the economic current density，as it can make the cable selection results more economical and reliable. This cable selection method is also applicable to PV power stations in mountainous and flat terrain scenarios.

Keywords：desert areas；PV power stations；cable selection；directly buried laying；pressure drop