引言

集電海纜是海上風電項目中重要的組成部分,目前國內(nèi)近海淺水區(qū)的海上風電項目中常見的集電海纜多為35kV三芯xLPE海底電纜。相對于單芯電纜,三芯xLPE海底電纜在運行過程中損耗更小,更節(jié)省生產(chǎn)、敷設(shè)及運維過程中的成本[1]。66kV集電海纜目前在英國、德國等歐洲國家的海上風電項目中使用得較為廣泛,該領(lǐng)域在國內(nèi)尚屬空白。相對于35kV,66kV集電海纜可以輸送更多的電能,連接更多同等單機容量的風力發(fā)電機組,風機間的間距也可布置得更大,在大型海上風電項目中技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。

1國內(nèi)集電海纜的應(yīng)用情況

海底電纜是海上風電場輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,國內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗仍較少,實施難度較大,單位造價很高,基于此,有必要對海底電纜的性能、選型、設(shè)計等問題進行更深入的研究與探索。目前國內(nèi)的海上風電項目多在近海淺水區(qū)域,大部分場址容量在100~400Mw及以上的區(qū)間。針對近海淺水區(qū)的海上風電項目,目前國內(nèi)較為主流的海纜生產(chǎn)廠均把35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣、分相鉛護套、鋼絲鎧裝、光電復(fù)合、三芯海底電纜作為制作的主體,電纜截面主要在3×70mm2到3×400mm2的區(qū)間。表1為近年來國內(nèi)主流海纜廠的35kV集電海纜部分業(yè)績。

通過表1可以看到,國內(nèi)的近海淺水區(qū)海上風電項目均以35kV電壓等級作為集電系統(tǒng)的電壓等級。由于電壓等級只有35kV,所以單回的集電海纜輸送能力很有限。以粵東某近海淺水海上風電項目為例,一個400Mw的海上風電項目,共布置57臺7Mw的海上風力發(fā)電機組,共需要16回35kV的集電海纜,該項目選取的最大35kV集電海纜截面為3×400mm2,在理想工況下最多可連接5臺7Mw的風機,本項目35kV集電海纜的總采購長度要達到100km以上。

266kV集電海纜的關(guān)鍵參數(shù)

目前,歐洲海上風電項目66kV集電海纜應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,雖然國內(nèi)尚無應(yīng)用實施,但國內(nèi)有些海纜生產(chǎn)廠已經(jīng)具備生產(chǎn)66kV交流聚乙烯集電海纜的能力。66kV集電海纜的規(guī)格范圍在3×95mm2到3×800mm2區(qū)間,在環(huán)境溫度為25℃,埋設(shè)深度為1.5m,熱阻系數(shù)為1.2m·K/w的工況下載流量在269A到680A區(qū)間,單回輸送容量從30Mw到74Mw左右。同等截面的66kV集電海纜在同等工況下輸送容量是同等截面35kV集電海纜輸送容量的1.8倍以上,大大提高了集電海纜的輸送能力。電纜外徑為137~192mm,相對于35kV集電海纜的外徑,尺寸變化并不大,對施工的影響有限。

從海纜截面形式來看,可采用單芯或三芯電纜,單芯海底電纜與三芯海底電纜各有利弊。單芯海底電纜外徑小,單位重量輕,電纜的敷設(shè)及檢修難度小:但是占用較大的海域面積,敷設(shè)費用較高。三芯電纜具有平衡的負載,在鎧裝層中沒有感應(yīng)的循環(huán)電流,敷設(shè)費用也低:但是其外徑較大,單位重量大,電纜的敷設(shè)及檢修難度相對較大。由于集電海纜的設(shè)計用量較多,單回輸送容量需求有限,此外從集約利用海洋資源以及技術(shù)優(yōu)越性的角度出發(fā),66kV電壓等級的集電海纜推薦采用同35kV集電海纜一致的三芯模式。

366kV同35kV集電海纜在大容量海上風電項目中應(yīng)用的技術(shù)對比

假定南海某區(qū)域有一個900Mw容量的海上風電項目,設(shè)計布置140臺6.45Mw的風力發(fā)電機。按照35kV集電海纜去設(shè)計,至少需要28個集電回路,每個回路最多可連接5臺6.45Mw的風機。其中連接1~2臺風機采用3×70mm2截面,連接3臺風機采用3×150mm2截面,連接4臺風機需要3×300mm2截面,連接5臺風機采用3×400mm2截面的海纜。所需要的集電海纜總長約為240km。

近海深水區(qū)域900Mw大型海上風電項目的35kV集電海纜布置如圖1所示。

同樣的裝機規(guī)模與風機布置,當采用66kV集電海纜時,連接1~4臺6.45Mw的風機僅需要選擇一根3×95mm2截面的海纜,當選擇最大3×800mm2截面的66kV集電海纜時,可以同時連接到11臺6.45Mw的風機。整個風電場的140臺風力發(fā)電機組,在66kV集電系統(tǒng)的連接下,僅需要13個回路即可完成電能匯集至海上升壓站的任務(wù),比35kV集電系統(tǒng)所需回路數(shù)的一半還要少。所需要的集電海纜總長約為115km,是35kV集電海纜總長的48%左右。除了總回路數(shù)與海纜總長上的技術(shù)優(yōu)勢外,66kV集電海纜相對于35kV集電海纜而言,單位與總電能損耗更少,電壓壓降更小。同樣在規(guī)范要求的5%壓降條件下,66kV的單回長度可以延伸得更長。

近海深水區(qū)域900Mw大型海上風電項目的66kV集電海纜布置如圖2所示。

4結(jié)語

綜上所述,35kV集電海纜基本可以滿足小、中型近海淺水區(qū)海上風電項目的使用需求。隨著機組單機容量的大型化,風電場總裝機容量的不斷提升,66kV集電海纜在深遠海大型海上風電項目中具有很明顯的技術(shù)優(yōu)勢。雖然66kV集電海纜目前在國內(nèi)海上風電項目中還沒有實際應(yīng)用的先例,但相信隨著我國海上風電事業(yè)的不斷發(fā)展與設(shè)備工藝水平的不斷進步,66kV甚至更高電壓等級的集電系統(tǒng)將會在我國未來的海上風電項目中發(fā)揮更大的作用。