風電機組箱變布置及等電位電纜優化分析

楊 帆,陳海浪,余 穎

(1.武漢聯動設計股份有限公司，湖北 武漢 430070;2.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230061)

0 引言

目前風力發電項目中,風電機組與箱變之間通過電纜進行連接,主要用于傳遞電能及中性點、等電位連接,由于多芯電纜敷設的便利性,多數風電機組廠家都推薦采用多根交聯聚乙烯電力電纜進行并聯敷設,截面大、用量大、費用高,隨著單臺風電機組容量的不斷增大,電纜費用更高。因此,優化電纜用量,對于減少工程投資、提高投資收益是非常必要的。

本文主要從風電機組箱變布置、等電位電纜兩個方面進行優化分析研究,并對單臺風電機組采用合理優化方案之后產生的經濟性進行對比分析,驗證其經濟性。

1 風電機組箱變布置優化分析

風電機組配套箱變一般布置于風電機組塔筒外部,箱變按照類型分為美式箱變、歐式箱變和華式箱變。美式箱變和華式箱變為油浸式變壓器,歐式箱變為干式變壓器。在早期風力發電項目中,由于單臺風電機組容量較小,風電機組配套箱變容量也較小,常采用美式箱變。隨著單臺風電機組容量的不斷增大,箱變容量也隨之增大,美式箱變已不再適用,而主要采用歐式箱變和華式箱變。然而,對于大容量的變壓器,干式變壓器較油浸式變壓器的體積大、費用高,故目前風電項目中以采用油浸式變壓器的華式箱變為主[1]。以下分析僅針對采用油浸式變壓器的風電機組箱變。

1.1 風電機組箱變常規布置方案

對于風電機組箱變的布置,除常規的吊裝平臺、道路路徑、吊裝工序、運維需求等施工要求之外,還要從防火間距、防雷接地兩個方面進行考慮。對于防火間距,GB 51096—2015《風力發電場設計規范》(以下簡稱《發電場規范》)中要求“當選用組合式變壓器或敞開式油變壓器時,機組變電單元距離風電機組的距離不應小于10 m”[2]。NB 31089—2016《風電場設計防火規范》中要求“塔架外獨立布置的機組變壓器與塔架之間的距離不應小于10 m”[3]。根據上述要求,風電機組塔筒外側距離箱變中油浸式變壓器外輪廓之間凈間距需按照不小于10 m進行布置?？紤]塔筒及箱變自身尺寸,二者中心間距一般按照不小于15 m進行考慮。對于防雷接地《發電場規范》中要求“機組變電單元設備外殼均應接地,機組變電單元與接地網的連接點距離風電機組塔筒與接地網的連接點,沿接地體的長度不應小于15 m”[2]。此要求主要是為了確保良好的接地效果和電氣安全,內容是借鑒GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中“構架避雷針與接地網的連接點至變壓器接地導體(線)與接地網連接點之間沿接地極的長度不應小于15 m”[4]。工程實際中,為確保滿足上述要求,一般將風電機組塔筒與箱變中心間距按照不小于15 m進行布置。

根據上述要求,常規布置方案如圖1所示。

圖1 風電機組-箱變常規布置平、斷面圖

風電機組至箱變之間的電纜埋管一般采用外徑為160 mm的PE管,而風電機組基礎中遍布鋼筋,該埋管無法直接穿過該鋼筋網,常規設計方案均考慮將該埋管從風電機組基礎底部穿出連接至箱變底部,按照中心間距15 m,平均每根電纜的敷設長度在30 m～35 m之間,單臺風電機組按照10根YJV22-0.6/1 kV-3×240+1×120的四芯銅芯交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜進行并聯敷設,電纜用量300 m～350 m。

1.2 風電機組箱變布置優化分析

根據上述分析,主要通過滿足防火距離要求及防雷接地要求兩個方面進行考慮優化。GB 50229—2019《火力發電廠與變電站設計防火標準》要求“在防火間距不滿足要求的情況下,可考慮在風電機組塔筒與箱變之間設置防火隔墻,高度高出油浸式變壓器油枕頂部、長度不小于儲油坑兩側各1 m”[5]。通過設置此防火隔墻后,可縮小風電機組與箱變之間的間距,從而為二者之間的電纜長度優化提供了基礎。在風電場接地網設計時,風電機組的接地網埋深一般在2.2 m左右,箱變的接地網埋深一般在0.8 m左右,二者間距減小時,接地網之間通過接地體在地下土壤中進行繞接,可滿足沿接地體長度不小于15 m的要求。

1.3 風電機組箱變布置優化方案

根據上述分析,可在風電機組與箱變之間增設防火隔墻,將二者之間的間距縮小,但需要考慮以下問題:

(1)風電機組電纜一般通過埋管從其基礎底部穿出,然后接至配套箱變。在風電機組與箱變靠近布置時,由于電纜轉彎半徑需滿足15倍電纜外徑的要求[6],電纜在穿出了風電機組基礎后需要繞大半圈再返回箱變,長度相比常規布置方案并未減少。

(2)若將電纜通過埋管從風機基礎上面穿過,無需向外敷設并繞回即可滿足電纜敷設轉彎半徑要求;但是風電機組基礎中鋼筋密布,其孔洞無法滿足電纜穿管穿過,且電纜埋管呈U字形,電纜埋管敷設施工存在較大困難,不具備實施可行性。

針對以上存在的問題,本文提出一種優化方案:將風電機組內電纜從塔筒側面開孔穿出,經電纜橋架、電纜埋管到箱變電纜室,風電機組與箱變可根據場地情況盡量靠近布置,如圖2所示。

圖2 風電機組箱變優化布置平斷面示意圖

此優化方案的電纜用量較常規方案有明顯節省電纜用量的優點,但是由于需要在塔筒底部開孔,對于塔筒強度存在一定的影響,需提前與風電機組塔筒廠家溝通確認。

2 箱變低壓側等電位分析及優化

風力發電項目中,風電機組與箱變之間一般采用0.69 kV的動力電纜進行連接,根據用途分為動力電纜和等電位電纜,其中動力電纜用于連接風電機組變流器配電柜0.69 kV側與箱變低壓側三相,等電位電纜連接塔筒底部等電位接地排與箱變低壓側中性點[7]。箱變低壓側中性點至風電機組塔底等電位接地排連接的方式如圖3所示。

圖3 箱變低壓側等電位接地排連接示意圖

2.1 箱變中性點接地分析及優化

對于箱變低壓側中性點是否必須引接至風電機組塔筒底部均壓環進行接地,通過從保護接地、接地網布置、低壓電纜故障三個方面進行分析。

2.1.1 按保護接地方式考慮

在風電機組處于停機狀態時,箱變作為供電設備,風電機組作為用電設備,由箱變為風電機組輔助系統提供交流電源。此時0.69 kV系統可以理解為不配中性導體的TT系統,也即電源側中性點直接接地、風電機組內部配電柜外殼通過PE線在機組內部接地。

在風電機組處于發電狀態時,風電機組作為發電設備,箱變作為升壓變壓器,向電網輸送電能。此時0.69 kV系統可以理解為不配出N線的IT系統,也即風電機組變流器配電柜中性點不接地、箱變外殼通過PE線就地接入接地網。

箱變低壓側中性點一般已經在箱變內直接接地,而風電機組變流器配電柜0.69 kV側是沒有接地的,若將箱變低壓側中性點通過電纜與風電機組塔筒底部均壓環連接,則該電纜應理解為等電位導體,而不能理解為上述的PE線。

2.1.2 按照接地網布置方式考慮

按照《發電場規范》中關于風電機組接地要求,其工作接地、保護接地和雷電保護接地應公用一個總的接地裝置。工程實際中,由于風電機組與箱變位置較近,一般做法是將風電機組接地網與箱變接地網進行連接,增大接地網面積,能夠減小接地電阻,從而滿足接地電阻要求。

接地網采用水平加垂直接地極形式,接地材料采用熱鍍鋅扁鋼、角鋼,根據現場情況增加接地模塊、降阻劑、離子緩蝕劑等,以降低接地網電阻。據此箱變低壓側中性點引至風電機組塔底均壓環接地和自箱變基礎接地環接地,其實質連接的都是同一個接地網。箱變與風電機組各自的等電位系統可以理解為兩個獨立的建筑,等電位接地系統一般是多級放射性設置,并經一點接地,兩者之間沒有必要再通過等電位電纜進行連接。

2.1.3 按照箱變低壓電纜故障考慮

箱變低壓電纜一般采用YJV22-0.6/1 kV電纜,有鋼帶鎧裝屏蔽層,如圖3所示,電纜屏蔽層兩端均已做接地。若發生電纜單相絕緣損壞接地故障,故障電流將沿電纜屏蔽層傳輸至兩側接地點導入接地網釋放,接地故障引發電流增大、電壓下降、三相電流不平衡等,觸發箱變低壓側智能斷路器預設保護動作,箱變低壓側中性點與風電機組塔筒底部均壓環連接的等電位電纜并無相關意義。

2.2 箱變低壓側中性點接地優化方案

經過上述分析,可將風電機組箱變低壓側中性點接地在箱變基礎內接地網接地環接地,無需引入風電機組塔筒,從而起到優化作用,接線示意如圖4所示。

圖4 箱變低壓側等電位接地排連接優化示意圖

3 經濟性分析

以某100 MW風力發電項目,安裝20臺容量5 MW、型號WD190-5.0 MW的風電機組,箱變采用5.5 MW華式箱變,二者之間通過電纜連接。分別用常規方案及優化方案進行經濟性對比分析。

3.1 常規方案

單臺風電機組及箱變布置采用常規方案布置,可參考圖1。經過計算,風電機組與箱變之間采用10根YJV22-0.6/1 kV-3×240+1×120電纜,單根長度平均為35 m,整個項目的電纜用量共計約7 km。按照市場均價750元/m的設備材料費及20元/m的安裝費,電纜總費用約為539萬元。

3.2 優化方案

根據上一章節的分析結論,取消風電機組與箱變之間的等電位電纜,故風電機組與箱變之間采用10根YJV22-0.6/1kV-3×240電纜,并采用優化方案對風電機組與箱變布置進行優化,二者之間單根電纜長度平均為16 m,整個項目的電纜用量共計約3.2 km。按照市場均價670元/m的設備材料費及20元/m的安裝費,電纜總費用約為220.8萬元。

3.3 經濟性對比

將常規方案的總電纜用量與電纜總費用與優化方案進行對比,并計算節省的總電纜用量及電纜總費用,結果如表1所示。

表1 常規方案與優化方案經濟性對比

通過上述對比分析可知,經過上述兩項優化措施后的推薦優化方案較常規方案在總電纜用量上節省3.8 km,電纜總費用節省318.2萬元,經濟性優勢非常明顯。

4 結論

隨著風電機組單臺容量越來越大,風電機組與箱變之間的動力電纜用量越來越大,所需投資也越來越大,亟需進行改進優化,減少不必要的電纜投資。為減少此部分電纜用量,節約投資成本,本文通過對減小風電機組與箱變之間的間距及減少等電位電纜兩個方面進行綜合分析,并提出了優化方案。最后將優化方案與常規方案進行經濟性對比分析,結果表明優化方案在技術滿足要求的前提下,具有比較明顯的經濟性優勢。