光伏系统电缆设计选型优化研究

特变电工新疆新能源股份有限公司研发部 ■ 汪婷婷 张恬 张梅 王闯

一 引言

国家电缆选型手册已经非常完善，但是针对光伏电站所特有的发电特性来说存在一定的局限性和差异性，因光伏系统电缆选型偏差所造成的材料资金浪费或用电安全隐患的问题也常有耳闻，且光伏电站均建在室外，日照时间长、环境温度高、水分迁移现象严重等因素加剧了电缆绝缘老化速度。电缆绝缘老化是一个长期累积效果，不易被察觉，一旦达到临界值将造成严重的用电安全事故，所以，光伏系统电缆合理选择应得到足够重视。

光伏系统设计包含多种电缆敷设形式，比较常见的有自由空气中敷设、直埋电缆敷设和电缆沟敷设3种。电缆选型通常采用按温升选择截面积和按经济电流选择电缆截面积两种，两者取截面较大者，同时按照电压损失、电路动热稳定性和机械强度校验电缆截面积。本文针对光伏发电系统上述3种电缆敷设形式，提出了电缆载流量及选型计算方法，并在此基础上分析温升法和经济电流法在光伏系统电缆选型方面的适用性。

二 电缆选型的一般原则

光伏发电的电缆选择首先应遵循电缆选择的一般要求，即按照系统电压等级、电缆导体材料、电缆芯数、绝缘性能、阻燃性能、电缆敷设方式、满足长期工作允许电流、经济电流密度及敷设环境条件因素等进行选型，按照短路动热稳定性、电压损失、机械强度等进行选型校验。同时光伏发电系统又具有常在恶劣环境条件下使用等自身特点，如高温、严寒、紫外线辐射和水分迁移等。

按照温升法选择电缆截面时应满足线路工作电流≥电缆载流量，因光伏发电系统为断续工作或短时工作，在计算时应将线路工作电流折算成等效发热电流，按温升选择电缆的截面，或者按工作制校正电线、电缆载流量。按经济电流选择截面时要以初始投资(电缆主材、附件费用及施工费用之和)和经济寿命内导体损耗费用之和最小为依据。根据我国情况，如果能全面推行按经济电流选择电线、电缆截面的方法，将减少35%～42%的线路损耗，经济意义十分重大。

三 不同敷设形式下电缆载流量计算

1 自由空气敷设

在光伏系统中自由空气电缆敷设较少，主要考虑环境温度、是否有阳光照射及电缆敷设方式。

(1)环境温度校正系数

当敷设处环境温度不同于载流量数据所对应的温度数据时，载流量应乘以温度校正系数Kt，其计算公式为：

其中，θn为电缆线芯允许长期工作温度，℃；θa为敷设处的环境温度，℃；θc为已知载流量数据的对应温度，℃。

(2)户外无遮阳校正系数

(3)敷设方式校正系数

表1给出了1～10kV电缆户外敷设无遮阳时载流量校正系数。

敷设方式大致分为水平单层敷设、水平三角敷设和水平多层敷设3种形式，敷设方法分为直接接触和间距敷设2种。在水平多层敷设时校正系数较小，在工程设计时应避免2层及以上的敷设方法。

综上，计算敷设在自由空气中的电缆载流量需包含温度校正系数、敷设方式校正系数和户外无遮阳校正系数。线路负荷工作电流除以上述系数之积，即为电缆选型载流量，可依据此载流量进行电缆选型。敷设在自由空气中的不同敷设方法电缆载流量校正系数见表2。

表1 1～10kV电缆户外敷设无遮阳时载流量校正系数

表2 敷设在自由空气中的不同敷设方法电缆载流量校正系数

2 直埋电缆敷设

直埋敷设与电缆沟敷设相比，具有建筑费用低、施工简便等优点，因此直埋电缆敷设方式在光伏系统设计中得到了广泛应用。直埋敷设方式主要考虑环境温度、不同类型土壤热阻系数的载流量修正系数、敷设方式及是否有水分迁移现象，其中电缆敷设方式分为单回敷设和多回敷设2种。

(1)环境温度校正系数

直埋敷设时取埋深处最热月平均地温作为直埋敷设环境温度，当敷设处环境温度不同于载流量数据所对应的温度数据时，载流量应乘以温度校正系数Kt，其计算公式与式1相同。

(2)不同类型土壤热阻系数的载流量修正系数

表3给出了不同类型土壤热阻系数，其载流量修正系数见表4。

(3)水分迁移修正系数

当设计选用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆直埋地敷设时，由于这种电缆的线芯工作温度可达90℃，电缆表面温度较高，往往造成电缆沿线周围土壤干化，即所谓水分迁移现象。由于水分迁移使土壤热阻系数增大，电缆线芯长期工作温度超过70℃时，水分迁移较明显，线芯温度愈高，情况愈严重。这种现象在地下水位较低的西北地区尤为显著，屡有电缆过热事故发生。因此，除直接埋设于水泥或沥青路面下或有保水覆盖层的情况外，一般应考虑水分迁移的影响。设计宜采用土壤热阻系数2.5～3.0(K·m)/W来修正电缆载流量，以降低电缆表面温度，否则应采用特殊回垫土换土处理。

表3 不同类型土壤热阻系数

表4 不同类型土壤热阻系数的载流量修正系数

(4)多回路直埋电缆的载流量校正系数

当直埋电缆敷设满足埋地深度0.7m，土壤热阻系数为2.5(K·m)/W时采用表5所示载流量校正系数。

表5 多回路直埋电缆的载流量校正系数

综上，计算直埋电缆敷设的电缆载流量需包含温度校正系数、不同类型土壤热阻系数的载流量修正系数、水分迁移修正系数和多回路直埋电缆的载流量校正系数。线路负荷工作电流除以上述系数之积，即为电缆选型载流量，可依据此载流量进行电缆选型。

3 电缆沟敷设

在光伏电站中电缆沟敷设方式主要分为室内电缆沟敷设和室外电缆沟敷设2种。因其建筑费用较高，施工相对复杂，在光伏电站中部分采用电缆沟敷设方式，主要分布在汇集线路主干道、分站房及配电室内。这种敷设方式下的载流量计算主要考虑环境温度和电缆敷设方式，其中电缆敷设方式分为水平单层敷设、三角敷设和多层敷设。

(1)环境温度校正系数

室内电缆敷设时取最热月的每日最高温度平均值另加5℃作为室内电缆敷设时的环境温度；室外电缆敷设时取最热月的每日最高温度平均值作为室外电缆敷设时的环境温度，当敷设处环境温度不同于载流量数据所对应的温度数据时，载流量应乘以温度校正系数Kt，其计算公式与式1相同。

(2)敷设方式校正系数

电缆沟敷设方式与自由空气敷设大致相同，主要分为单层敷设、三角敷设和多层敷设3种形式，敷设方法分为直接接触和间距敷设2种。在水平多层敷设时校正系数较小，在工程设计时应避免2层及以上的敷设方法。载流量校正系数参考表2所示。

综上，计算敷设在电缆沟内的电缆载流量需包含温度校正系数和敷设方式校正系数。线路负荷工作电流/上述系数之积，即为电缆选型载流量，可依据此载流量进行电缆选型。

四 光伏系统电缆选型流程及适用性分析

1 光伏系统电缆选型流程

根据以上算法和原则，可将设计分为敷设条件设置、预设电缆类型、电缆敷设方式确认和负荷线路工作电流计算4个层面，按照图1所示流程进行。

2 光伏系统电缆选型适用性分析

由于光伏电站自身特性，许多设计人员偏向于采用经济电流法选择电缆截面，目前较常用的经济电流法分为经济电流范围选择法和经济电流密度曲线选择法2种。经济电流范围选择法是依据计算公式得出电缆截面下的经济电流范围，再根据线路负荷电流选取合适截面。经济电流密度曲线选择法主要采用查看相关经济电流密度曲线图选取合适截面，此算法精确度不高。一般情况下经济电流密度算法选取电缆截面比温升计算截面大，且经济电流密度算法考虑校正系数较多。对比可知经济电流密度法适合于中、低压电力电缆的计算，温升法适用性较广，建议在光伏系统设计时将经济电流密度修正参数值适当减小，并对比温升法计算值，两者取较大值可为设计提供更加可靠的理论支持。

五 结束语

本文针对光伏系统电缆设计特点，对比分析光伏系统电缆选型适用性，并对自由空气敷设、直埋电缆敷设和电缆沟敷设3种形式下的电缆载流量的计算方法做了详细阐述，总结了光伏系统电缆载流量计算流程，为光伏电站电缆选型设计人员设计工作提供可靠的理论参考。

[1] 任元会,卞凯生,姚家祎 .工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社, 2005.

[2] GB50217-2007.电力工程电缆设计规范[S].

[3] JGJ/T16-92.民用建筑电气设计规范[S].