水面光伏電站柔性連接電纜敷設(shè)方案探討

張立軍

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

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

水面光伏電站的電纜敷設(shè)方式一般是在浮筒上敷設(shè)電纜,傳統(tǒng)浮筒之間連接方式為如圖1所示的剛性連接[5]。當(dāng)水面產(chǎn)生波動時(shí)浮筒結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相對位移,從而帶動敷設(shè)于其上的電纜產(chǎn)生相對位移,使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞重復(fù)應(yīng)力[6],最終造成電纜及電纜接頭發(fā)生疲勞破壞,導(dǎo)致后期電纜的檢維修費(fèi)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(jié)有以下三點(diǎn):

(1)水位波動使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞應(yīng)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(shè)裝置,能夠有效避免后期運(yùn)營過程中電纜及接頭的疲勞破壞,降低其檢維修費(fèi)用。

1 電纜敷設(shè)方案分析

相較于傳統(tǒng)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(shè)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)行連接,使用螺栓進(jìn)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(shè)方案

2.1 柔性鏈接件參數(shù)設(shè)計(jì)分析

2.1.1 柔性鏈接件材質(zhì)

柔性鏈接件需要滿足電纜轉(zhuǎn)角敷設(shè)的要求,同時(shí)其需要能夠進(jìn)行一定比例的伸縮以適應(yīng)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(jīng)對比分析,塑料同時(shí)滿足剛度、變形性及塑形性等技術(shù)要求,因此柔性鏈接件采用塑料材質(zhì)為最優(yōu)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(shè)的要求及能夠適應(yīng)水位波動引起的橋架間的距離改變,將柔性鏈接件設(shè)置成為波折形,使其具有一定的收縮加伸長功能。

轉(zhuǎn)角敷設(shè)示意圖如圖3所示,假定橋架寬度為D,轉(zhuǎn)彎半徑為R。為滿足在直角敷設(shè)的情況下仍有足夠的收縮伸長功能,其收縮伸長率η應(yīng)滿足:

圖3 轉(zhuǎn)角敷設(shè)示意圖

一般橋架寬度在1 m～1.5 m左右,其轉(zhuǎn)彎半徑一般設(shè)計(jì)為1 m～2 m,則其伸長率(最大長度/正常長度)應(yīng)該在1.375～1.5之間。為滿足在直角敷設(shè)的情況下仍有足夠的收縮伸長功能,應(yīng)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(shí)其剛度也就越低,難以維持波折形,無法形成兩個(gè)橋架之間的有效連接。對此,分別試驗(yàn)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(jié)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(shí),能夠保持較好的整體剛度要求,形成兩個(gè)橋架間的有效連接,同時(shí)其制作時(shí)能夠維持波折形,滿足收縮伸長率的要求。

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

2.2 壓板參數(shù)設(shè)計(jì)分析

2.2.1 壓板材質(zhì)

設(shè)置壓板是為了能夠使得螺栓的預(yù)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(shí)由于安裝在水面,需要較強(qiáng)的抗腐蝕性能。目前常用壓板材質(zhì)為鍍鋅鋼板與木板,對比如表4所示。

表4 壓板材質(zhì)對比分析表

根據(jù)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(yīng)選用鍍鋅鋼板材質(zhì)。

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(yù)緊力的作用,會對塑料鏈接件產(chǎn)生剪力,而塑料抗剪性能較差;同時(shí)由于通長矩形板傳力范圍為橋架寬度范圍,能夠平均整個(gè)寬度范圍的預(yù)緊力,使得結(jié)構(gòu)受力更加均勻,因此選擇通長矩形板。

2.3 螺栓參數(shù)設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn),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(guān),其長度應(yīng)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(qiáng)度有關(guān)。螺栓抗剪受力情況如圖5所示,當(dāng)采用圖5所示的連接方式時(shí),螺栓會發(fā)生受剪破壞,從而導(dǎo)致柔性鏈接件會發(fā)生擠壓破壞。根據(jù)材料力學(xué)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(qiáng)度就越大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),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(shè)計(jì)值為250 MPa,塑料柔性鏈接件的擠壓強(qiáng)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(jì)算。

(2)柔性鏈接件擠壓計(jì)算。

2.4 柔性連接電纜敷設(shè)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(zhí)行圖

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

研發(fā)裝置成功應(yīng)用于某130 MW水面光伏電站項(xiàng)目,并對相關(guān)費(fèi)用做了經(jīng)濟(jì)分析如表6所示。

表6 經(jīng)濟(jì)效益對比分析表

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到,6個(gè)月時(shí)間內(nèi)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(shí)由于避免或減少了電纜及接頭的疲勞破壞,同時(shí)檢維修的頻率可相應(yīng)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(jì),人工成本約300元/天),可減少人工費(fèi):

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(shè)裝置的研制,填補(bǔ)了此項(xiàng)技術(shù)在該行業(yè)的空白。裝置的運(yùn)用,減少了電纜的后期檢維修成本,增加了項(xiàng)目的收益,項(xiàng)目壽命期間將減少材料費(fèi)約52.5萬元,人工費(fèi)約54萬元;同時(shí)為類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

3.3 環(huán)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(chǎn)生,環(huán)保效益尤為突出。

4 總結(jié)

本文通過對水面光伏電站電纜敷設(shè)問題進(jìn)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(jìn)行了總結(jié),提出了一種新的電纜敷設(shè)柔性連接裝置,并對該裝置的確定過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過將該裝置在實(shí)際工程中進(jìn)行運(yùn)用,并與原有剛性連接方案進(jìn)行對比,結(jié)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。