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[智能电缆] 关于风电机组电力电缆载流量的研究

P:2019-03-10 20:38:31

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文| 陈林,王宝归,喻勇; 作者单位:南车株洲电力机车研究所有限公司



电力电缆的实际载流量因受敷设方式、运行条件和周围环境等因素的影响而不易确定。电缆的载流量偏大,会造成缆芯工作温度超过允许值,绝缘的寿命就会比预期值缩短;载流量偏小,则电缆芯铜材或铝材就不能得到充分的利用,导致不必要成本上升和资源浪费。随着风力发电技术的进一步发展,风电机组越来越被应用于更加恶劣的环境中(高严寒、高辐射、高腐蚀、高海拔等环境),环境条件的变化必然会影响到电力电缆的载流量。一个科学、准确的电力电缆载流量计算,才能既保证风电机组电气系统安全可靠运行,又节约成本。


电力电缆载流量的理论计算


目前风电行业电力电缆载流量的确定主要基于理论计算方法,并充分考虑实际应用环境因素影响。理论计算主要基于IEC标准,国际电工委员会(IEC)标准在1957年在McGrath论文的基础上,结合1957年之后载流量的算法改进,于1982年提出了电缆额定载流量(100%负荷因数)计算标准IEC60287(国内相对应的标准是JB/T10181—2000)。目前各国电缆产品及其载流量大都已向IEC靠拢。表1为根据该标准计算所得风电行业常用的几种单芯橡胶绝缘电缆的标准载流量值。



风电机组电力电缆载流量影响因素分析


目前风电机组电力电缆的敷设环境非常复杂,本文将从几个影响风电机组电力电缆载流量的主要因素进行详细分析,得出不同敷设环境对电力电缆载流量的影响,为风电机组电气系统的设计和电力电缆的选型提供重要的理论指导。


一、环境温度的影响


环境温度是影响电缆载流量的一个重要因素。环境温度主要是指电缆敷设区域的空气温度。空气温度的高低对电缆产生热量散发能力具有直接影响。空气温度越高,则它与电缆的对流换热速度就越慢,不利于电缆产生热量的散发,使得载流量变小,相反,当空气温度越低时,电缆产生的热量散发越快,载流量就越大。风电机组中电缆选型设计中,需要充分考虑发电机、齿轮箱的部件发热,塔筒的热效应等对电缆实际运行环境的影响。(见表2



二、电缆敷设方式的影响


电缆排列方式包括电缆敷设桥架形式、电缆之间的敷设距离等因素。这些因素通过不同方式影响电缆区域的温度场分布,从而对电缆载流量产生影响。表3是不同敷设方式电缆载流量的修正系数表。风电机组的电缆敷设往往是几种方式的组合。在机舱中一般是水平三角形敷设,塔筒扭缆处为垂直接触式敷设,塔筒内为垂直三角形敷设。


三、海拔高度的影响


海拔升高、空气密度降低、散热的对流作用减弱,对于敷设在塔筒内部电缆,以空气为冷却介质,其温升就会随之升高,载流量会下降,影响电力电缆的使用寿命。海拔每升高100m,电力电缆的温升增加0.10.5(一般在0.4以下),而气温随海拔高度的升高而降低,直减率为海拔每升高100m气温约降低0.6,可以部分补偿由海拔高度升高对电力电缆温升的影响。因此海拔升高对电力电缆温升的影响不大。一般情况下,海拔高度与电力电缆载流量的修正系数关系见表4


此外,高海拔地区辐射强度比较强烈,使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。同时,随着海拔的升高,绝对湿度与介电强度的降低都会导致绝缘强度的降低。因此需要考虑风电机组电力电缆的绝缘强度。


四、其它因素的影响


在风电机组电力电缆载流量的估算中,风电机组电力系统的电流谐波含量、功率因素以及电缆不均流性的大小,是影响电力电缆实际载流量的重要因素,这些因素都会使电缆的实际载流量高于风电机组的额定电流。


实际应用


一、1.5MW双馈风电机组电缆选型


在南车风电的1.5MW高原风电机组设计中,充分考虑了上述因素,并据表5进行了选型设计。


WT1500D88高原型风电机组的主要电气参数为:

a)发电机转子最大电流500A

b)发电机转子冲击电压2000Vpk

c)发电机定子最大电流1347A

d)发电机定子冲击电压690Vrms

转子侧电缆选型:500÷0.57=877A转子侧电缆选型优选:21.8/3kV-150mm2电缆;

定子侧电缆选型:1347÷0.57=2363A

定子侧电缆可选型为40.6/1kV185mm2电缆,50.6/1kV150mm2电缆;

从成本考虑最优选择为:50.6/1kV150mm2电缆。


二、测试验证


在某高原风电场,我们对南车风电的WT1500D88风电机组的定子电缆做了实际运行考核实验,实验数据见表6


由表6中数据可知,电缆的最高温度为55.2℃,最大温升为12.8K,而电缆导体最高运行温度为90℃,实验表明电缆的选型设计是合理安全的。


结论


文中详细分析了各种环境因素对风电机组电力电缆载流量的影响,为风电机组电力电缆的选型和电气系统设计提供了重要依据,并据此做了1.5MW高原风电机组电缆选型设计,在运行考核实验中,电缆温升在合理范围,运行可靠。


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