水面光伏電站柔性連接電纜敷設方案探討

張立軍

(中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著陸地光伏的不斷開發,土地資源的不斷減少[1],越來越多的投資者開始將目標轉向水面光伏[2]。水面光伏電站通過在水面敷設浮筒并在其上敷設組件,來達到利用光伏進行發電的目的[3],同時由于水面光伏浮筒的敷設,能夠有效減少水面蒸發,抑制藻類繁殖保護水中生態[4]。

水面光伏電站的電纜敷設方式一般是在浮筒上敷設電纜,傳統浮筒之間連接方式為如圖1所示的剛性連接[5]。當水面產生波動時浮筒結構會產生相對位移,從而帶動敷設于其上的電纜產生相對位移,使得結構產生疲勞重復應力[6],最終造成電纜及電纜接頭發生疲勞破壞,導致后期電纜的檢維修費用較高[7]。電纜及電纜接頭疲勞破壞情況如圖2所示。

圖1 浮筒剛性連接圖

圖2 電纜及電纜接頭疲勞破壞圖

總結有以下三點:

(1)水位波動使得結構產生疲勞應力;

(2)剛性連接造成疲勞破壞;

(3)電纜及電纜接頭更換成本高。

鑒于以上問題,本文提出一種新型的電纜敷設裝置,能夠有效避免后期運營過程中電纜及接頭的疲勞破壞,降低其檢維修費用。

1 電纜敷設方案分析

相較于傳統的“剛性連接方案”,本文提出“半剛性連接方案”和“柔性連接方案”兩種不同的電纜敷設裝置,具體方案見表1。

表1 總體方案選擇表

由表1可知,兩種方案都可以實現減少電纜疲勞破壞。半剛性連接方案需采用彈簧作為浮筒之間的連接材料,彈簧與浮筒橋架的連接需要焊接,現場施工難度較高,而柔性連接方案只需要使用柔性鏈接件進行連接,使用螺栓進行連接施工難度低。因此選擇柔性連接方案作為最終總體方案。

2 柔性連接電纜敷設方案

2.1 柔性鏈接件參數設計分析

2.1.1 柔性鏈接件材質

柔性鏈接件需要滿足電纜轉角敷設的要求,同時其需要能夠進行一定比例的伸縮以適應水面波動的變化,因此對其剛度及變形性能具有一定的要求。此外柔性鏈接件需要加工成波折形,需要具有一定塑形性,柔性鏈接材料對比分析如表2所示。

表2 柔性鏈接材料對比分析表

由表2可知,經對比分析,塑料同時滿足剛度、變形性及塑形性等技術要求,因此柔性鏈接件采用塑料材質為最優選擇。

2.1.2 柔性鏈接件收縮伸長率

柔性鏈接件長度一般為兩橋架之間的距離,為了滿足電纜直角敷設的要求及能夠適應水位波動引起的橋架間的距離改變,將柔性鏈接件設置成為波折形,使其具有一定的收縮加伸長功能。

轉角敷設示意圖如圖3所示,假定橋架寬度為D,轉彎半徑為R。為滿足在直角敷設的情況下仍有足夠的收縮伸長功能,其收縮伸長率η應滿足:

圖3 轉角敷設示意圖

一般橋架寬度在1 m～1.5 m左右,其轉彎半徑一般設計為1 m～2 m,則其伸長率(最大長度/正常長度)應該在1.375～1.5之間。為滿足在直角敷設的情況下仍有足夠的收縮伸長功能,應選擇柔性鏈接件的收縮伸長率為2。

2.1.3 柔性鏈接件厚度

柔性鏈接件越厚,其塑形性越差,制作成波折形越難,波折處越容易開裂;柔性鏈接件越薄,其所能承受的拉力就越小,同時其剛度也就越低,難以維持波折形,無法形成兩個橋架之間的有效連接。對此,分別試驗了不同厚度下單位長度塑料鏈接件的剛度及波折塑形性,對比分析結果如表3所示。

表3 不同厚度塑料鏈接件性能對比分析表

由表3可知,塑料柔性連接件厚度定位3 mm時,能夠保持較好的整體剛度要求,形成兩個橋架間的有效連接,同時其制作時能夠維持波折形,滿足收縮伸長率的要求。

綜上所述,經過各分級方案比選,最終選擇柔性鏈接件材質為塑料,收縮伸長率為2,厚度為3 mm。

2.2 壓板參數設計分析

2.2.1 壓板材質

設置壓板是為了能夠使得螺栓的預緊力傳遞到更大范圍,使得柔性鏈接件與橋架貼合更加緊密,同時由于安裝在水面,需要較強的抗腐蝕性能。目前常用壓板材質為鍍鋅鋼板與木板,對比如表4所示。

表4 壓板材質對比分析表

根據表4可知,雖然鍍鋅鋼板的加工較難,但考慮到其更好的傳力性和抗腐蝕性,壓板應選用鍍鋅鋼板材質。

2.2.2 壓板形狀與尺寸

目前常用的壓板形狀分為通長矩形板與圓形版,二者對比分析如表5所示。

表5 壓板形狀對比分析表

圓形板四周由于預緊力的作用,會對塑料鏈接件產生剪力,而塑料抗剪性能較差;同時由于通長矩形板傳力范圍為橋架寬度范圍,能夠平均整個寬度范圍的預緊力,使得結構受力更加均勻,因此選擇通長矩形板。

2.3 螺栓參數設計分析

2.3.1 螺栓長度

螺栓連接示意圖如圖4所示。螺栓長度太長會增加橋架中電纜的磨損風險,太短則不利于安裝。螺栓長度與壓板厚度、塑料鏈接件、橋架厚度以及螺帽厚度等因素有關,其長度應滿足下式:

圖4 螺栓連接示意圖

2.3.2 螺栓直徑

螺栓直徑的確定與材料的強度有關。螺栓抗剪受力情況如圖5所示,當采用圖5所示的連接方式時,螺栓會發生受剪破壞,從而導致柔性鏈接件會發生擠壓破壞。根據材料力學受剪及擠壓破壞理論,螺栓的直徑越大,螺栓的抗剪承載力及柔性鏈接件的擠壓承載力強度就越大。根據工程經驗,極限情況下塑料柔性鏈接件間的最大拉力為2 kN,而螺栓鋼材的抗剪設計值為250 MPa,塑料柔性鏈接件的擠壓強度約為15 MPa～20 MPa,則其所需要的最小螺栓直徑分別為:

圖5 螺栓抗剪受力圖

(1)螺栓剪切計算。

(2)柔性鏈接件擠壓計算。

2.4 柔性連接電纜敷設最佳方案

綜合以上分析,確定最佳方案如圖6所示。

圖6 最佳方案執行圖

3 效益分析

3.1 經濟效益

研發裝置成功應用于某130 MW水面光伏電站項目,并對相關費用做了經濟分析如表6所示。

表6 經濟效益對比分析表

由統計結果可以看到,6個月時間內使用柔性連接相對于剛性連接電纜檢維修成本降低約:

同時由于避免或減少了電纜及接頭的疲勞破壞,同時檢維修的頻率可相應降低,由原來的1次/半月降低為1次/月(每次檢維修2天3人計,人工成本約300元/天),可減少人工費:

6×2×3×300=10 800元

3.2 社會效益

本文介紹了水面光伏電站柔性連接電纜敷設裝置的研制,填補了此項技術在該行業的空白。裝置的運用,減少了電纜的后期檢維修成本,增加了項目的收益,項目壽命期間將減少材料費約52.5萬元,人工費約54萬元;同時為類似工程提供借鑒經驗。

3.3 環保效益

該裝置能夠減少或避免電纜及電纜接頭的疲勞破壞,避免了工程建筑垃圾的產生,環保效益尤為突出。

4 總結

本文通過對水面光伏電站電纜敷設問題進行研究,分析了電站電纜后期檢維修成本較高的原因,并針對原因進行了總結,提出了一種新的電纜敷設柔性連接裝置,并對該裝置的確定過程進行了詳細介紹。通過將該裝置在實際工程中進行運用,并與原有剛性連接方案進行對比,結果表明該新型柔性連接方案能夠有效避免電纜的疲勞破壞。