風(fēng)電機(jī)組箱變布置及等電位電纜優(yōu)化分析

楊 帆,陳海浪,余 穎

(1.武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北 武漢 430070;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230061)

0 引言

目前風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中,風(fēng)電機(jī)組與箱變之間通過(guò)電纜進(jìn)行連接,主要用于傳遞電能及中性點(diǎn)、等電位連接,由于多芯電纜敷設(shè)的便利性,多數(shù)風(fēng)電機(jī)組廠家都推薦采用多根交聯(lián)聚乙烯電力電纜進(jìn)行并聯(lián)敷設(shè),截面大、用量大、費(fèi)用高,隨著單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大,電纜費(fèi)用更高。因此,優(yōu)化電纜用量,對(duì)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(fēng)電機(jī)組箱變布置、等電位電纜兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化分析研究,并對(duì)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組采用合理優(yōu)化方案之后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性。

1 風(fēng)電機(jī)組箱變布置優(yōu)化分析

風(fēng)電機(jī)組配套箱變一般布置于風(fēng)電機(jī)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?yōu)橛徒阶儔浩?歐式箱變?yōu)楦墒阶儔浩鳌Ｔ谠缙陲L(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中,由于單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組容量較小,風(fēng)電機(jī)組配套箱變?nèi)萘恳草^小,常采用美式箱變。隨著單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大,箱變?nèi)萘恳搽S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(duì)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(fèi)用高,故目前風(fēng)電項(xiàng)目中以采用油浸式變壓器的華式箱變?yōu)橹鱗1]。以下分析僅針對(duì)采用油浸式變壓器的風(fēng)電機(jī)組箱變。

1.1 風(fēng)電機(jī)組箱變常規(guī)布置方案

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組箱變的布置,除常規(guī)的吊裝平臺(tái)、道路路徑、吊裝工序、運(yùn)維需求等施工要求之外,還要從防火間距、防雷接地兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。對(duì)于防火間距,GB 51096—2015《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《發(fā)電場(chǎng)規(guī)范》)中要求“當(dāng)選用組合式變壓器或敞開(kāi)式油變壓器時(shí),機(jī)組變電單元距離風(fēng)電機(jī)組的距離不應(yīng)小于10 m”[2]。NB 31089—2016《風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中要求“塔架外獨(dú)立布置的機(jī)組變壓器與塔架之間的距離不應(yīng)小于10 m”[3]。根據(jù)上述要求,風(fēng)電機(jī)組塔筒外側(cè)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(jìn)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(jìn)行考慮。對(duì)于防雷接地《發(fā)電場(chǎng)規(guī)范》中要求“機(jī)組變電單元設(shè)備外殼均應(yīng)接地,機(jī)組變電單元與接地網(wǎng)的連接點(diǎn)距離風(fēng)電機(jī)組塔筒與接地網(wǎng)的連接點(diǎn),沿接地體的長(zhǎng)度不應(yīng)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(nèi)容是借鑒GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中“構(gòu)架避雷針與接地網(wǎng)的連接點(diǎn)至變壓器接地導(dǎo)體(線)與接地網(wǎng)連接點(diǎn)之間沿接地極的長(zhǎng)度不應(yīng)小于15 m”[4]。工程實(shí)際中,為確保滿足上述要求,一般將風(fēng)電機(jī)組塔筒與箱變中心間距按照不小于15 m進(jìn)行布置。

根據(jù)上述要求,常規(guī)布置方案如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組-箱變常規(guī)布置平、斷面圖

風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)中遍布鋼筋,該埋管無(wú)法直接穿過(guò)該鋼筋網(wǎng),常規(guī)設(shè)計(jì)方案均考慮將該埋管從風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)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(shè)長(zhǎng)度在30 m～35 m之間,單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組按照10根YJV22-0.6/1 kV-3×240+1×120的四芯銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜進(jìn)行并聯(lián)敷設(shè),電纜用量300 m～350 m。

1.2 風(fēng)電機(jī)組箱變布置優(yōu)化分析

根據(jù)上述分析,主要通過(guò)滿足防火距離要求及防雷接地要求兩個(gè)方面進(jìn)行考慮優(yōu)化。GB 50229—2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》要求“在防火間距不滿足要求的情況下,可考慮在風(fēng)電機(jī)組塔筒與箱變之間設(shè)置防火隔墻,高度高出油浸式變壓器油枕頂部、長(zhǎng)度不小于儲(chǔ)油坑兩側(cè)各1 m”[5]。通過(guò)設(shè)置此防火隔墻后,可縮小風(fēng)電機(jī)組與箱變之間的間距,從而為二者之間的電纜長(zhǎng)度優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。在風(fēng)電場(chǎng)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)埋深一般在2.2 m左右,箱變的接地網(wǎng)埋深一般在0.8 m左右,二者間距減小時(shí),接地網(wǎng)之間通過(guò)接地體在地下土壤中進(jìn)行繞接,可滿足沿接地體長(zhǎng)度不小于15 m的要求。

1.3 風(fēng)電機(jī)組箱變布置優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析,可在風(fēng)電機(jī)組與箱變之間增設(shè)防火隔墻,將二者之間的間距縮小,但需要考慮以下問(wèn)題:

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

(2)若將電纜通過(guò)埋管從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上面穿過(guò),無(wú)需向外敷設(shè)并繞回即可滿足電纜敷設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑要求;但是風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)中鋼筋密布,其孔洞無(wú)法滿足電纜穿管穿過(guò),且電纜埋管呈U字形,電纜埋管敷設(shè)施工存在較大困難,不具備實(shí)施可行性。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題,本文提出一種優(yōu)化方案:將風(fēng)電機(jī)組內(nèi)電纜從塔筒側(cè)面開(kāi)孔穿出,經(jīng)電纜橋架、電纜埋管到箱變電纜室,風(fēng)電機(jī)組與箱變可根據(jù)場(chǎng)地情況盡量靠近布置,如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組箱變優(yōu)化布置平斷面示意圖

此優(yōu)化方案的電纜用量較常規(guī)方案有明顯節(jié)省電纜用量的優(yōu)點(diǎn),但是由于需要在塔筒底部開(kāi)孔,對(duì)于塔筒強(qiáng)度存在一定的影響,需提前與風(fēng)電機(jī)組塔筒廠家溝通確認(rèn)。

2 箱變低壓側(cè)等電位分析及優(yōu)化

風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中,風(fēng)電機(jī)組與箱變之間一般采用0.69 kV的動(dòng)力電纜進(jìn)行連接,根據(jù)用途分為動(dòng)力電纜和等電位電纜,其中動(dòng)力電纜用于連接風(fēng)電機(jī)組變流器配電柜0.69 kV側(cè)與箱變低壓側(cè)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(cè)中性點(diǎn)[7]。箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)至風(fēng)電機(jī)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(cè)等電位接地排連接示意圖

2.1 箱變中性點(diǎn)接地分析及優(yōu)化

對(duì)于箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)是否必須引接至風(fēng)電機(jī)組塔筒底部均壓環(huán)進(jìn)行接地,通過(guò)從保護(hù)接地、接地網(wǎng)布置、低壓電纜故障三個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1.1 按保護(hù)接地方式考慮

在風(fēng)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時(shí),箱變作為供電設(shè)備,風(fēng)電機(jī)組作為用電設(shè)備,由箱變?yōu)轱L(fēng)電機(jī)組輔助系統(tǒng)提供交流電源。此時(shí)0.69 kV系統(tǒng)可以理解為不配中性導(dǎo)體的TT系統(tǒng),也即電源側(cè)中性點(diǎn)直接接地、風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部配電柜外殼通過(guò)PE線在機(jī)組內(nèi)部接地。

在風(fēng)電機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),風(fēng)電機(jī)組作為發(fā)電設(shè)備,箱變作為升壓變壓器,向電網(wǎng)輸送電能。此時(shí)0.69 kV系統(tǒng)可以理解為不配出N線的IT系統(tǒng),也即風(fēng)電機(jī)組變流器配電柜中性點(diǎn)不接地、箱變外殼通過(guò)PE線就地接入接地網(wǎng)。

箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)一般已經(jīng)在箱變內(nèi)直接接地,而風(fēng)電機(jī)組變流器配電柜0.69 kV側(cè)是沒(méi)有接地的,若將箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)電纜與風(fēng)電機(jī)組塔筒底部均壓環(huán)連接,則該電纜應(yīng)理解為等電位導(dǎo)體,而不能理解為上述的PE線。

2.1.2 按照接地網(wǎng)布置方式考慮

按照《發(fā)電場(chǎng)規(guī)范》中關(guān)于風(fēng)電機(jī)組接地要求,其工作接地、保護(hù)接地和雷電保護(hù)接地應(yīng)公用一個(gè)總的接地裝置。工程實(shí)際中,由于風(fēng)電機(jī)組與箱變位置較近,一般做法是將風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)與箱變接地網(wǎng)進(jìn)行連接,增大接地網(wǎng)面積,能夠減小接地電阻,從而滿足接地電阻要求。

接地網(wǎng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加接地模塊、降阻劑、離子緩蝕劑等,以降低接地網(wǎng)電阻。據(jù)此箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)引至風(fēng)電機(jī)組塔底均壓環(huán)接地和自箱變基礎(chǔ)接地環(huán)接地,其實(shí)質(zhì)連接的都是同一個(gè)接地網(wǎng)。箱變與風(fēng)電機(jī)組各自的等電位系統(tǒng)可以理解為兩個(gè)獨(dú)立的建筑,等電位接地系統(tǒng)一般是多級(jí)放射性設(shè)置,并經(jīng)一點(diǎn)接地,兩者之間沒(méi)有必要再通過(guò)等電位電纜進(jìn)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(fā)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(cè)接地點(diǎn)導(dǎo)入接地網(wǎng)釋放,接地故障引發(fā)電流增大、電壓下降、三相電流不平衡等,觸發(fā)箱變低壓側(cè)智能斷路器預(yù)設(shè)保護(hù)動(dòng)作,箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)與風(fēng)電機(jī)組塔筒底部均壓環(huán)連接的等電位電纜并無(wú)相關(guān)意義。

2.2 箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)接地優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)上述分析,可將風(fēng)電機(jī)組箱變低壓側(cè)中性點(diǎn)接地在箱變基礎(chǔ)內(nèi)接地網(wǎng)接地環(huán)接地,無(wú)需引入風(fēng)電機(jī)組塔筒,從而起到優(yōu)化作用,接線示意如圖4所示。

圖4 箱變低壓側(cè)等電位接地排連接優(yōu)化示意圖

3 經(jīng)濟(jì)性分析

以某100 MW風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目,安裝20臺(tái)容量5 MW、型號(hào)WD190-5.0 MW的風(fēng)電機(jī)組,箱變采用5.5 MW華式箱變,二者之間通過(guò)電纜連接。分別用常規(guī)方案及優(yōu)化方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

3.1 常規(guī)方案

單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組及箱變布置采用常規(guī)方案布置,可參考圖1。經(jīng)過(guò)計(jì)算,風(fēng)電機(jī)組與箱變之間采用10根YJV22-0.6/1 kV-3×240+1×120電纜,單根長(zhǎng)度平均為35 m,整個(gè)項(xiàng)目的電纜用量共計(jì)約7 km。按照市場(chǎng)均價(jià)750元/m的設(shè)備材料費(fèi)及20元/m的安裝費(fèi),電纜總費(fèi)用約為539萬(wàn)元。

3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)上一章節(jié)的分析結(jié)論,取消風(fēng)電機(jī)組與箱變之間的等電位電纜,故風(fēng)電機(jī)組與箱變之間采用10根YJV22-0.6/1kV-3×240電纜,并采用優(yōu)化方案對(duì)風(fēng)電機(jī)組與箱變布置進(jìn)行優(yōu)化,二者之間單根電纜長(zhǎng)度平均為16 m,整個(gè)項(xiàng)目的電纜用量共計(jì)約3.2 km。按照市場(chǎng)均價(jià)670元/m的設(shè)備材料費(fèi)及20元/m的安裝費(fèi),電纜總費(fèi)用約為220.8萬(wàn)元。

3.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

將常規(guī)方案的總電纜用量與電纜總費(fèi)用與優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算節(jié)省的總電纜用量及電纜總費(fèi)用,結(jié)果如表1所示。

表1 常規(guī)方案與優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過(guò)上述對(duì)比分析可知,經(jīng)過(guò)上述兩項(xiàng)優(yōu)化措施后的推薦優(yōu)化方案較常規(guī)方案在總電纜用量上節(jié)省3.8 km,電纜總費(fèi)用節(jié)省318.2萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)非常明顯。

4 結(jié)論

隨著風(fēng)電機(jī)組單臺(tái)容量越來(lái)越大,風(fēng)電機(jī)組與箱變之間的動(dòng)力電纜用量越來(lái)越大,所需投資也越來(lái)越大,亟需進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,減少不必要的電纜投資。為減少此部分電纜用量,節(jié)約投資成本,本文通過(guò)對(duì)減小風(fēng)電機(jī)組與箱變之間的間距及減少等電位電纜兩個(gè)方面進(jìn)行綜合分析,并提出了優(yōu)化方案。最后將優(yōu)化方案與常規(guī)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析,結(jié)果表明優(yōu)化方案在技術(shù)滿足要求的前提下,具有比較明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。