新型风电场低压电缆敷设方案研究

陈 莎，吴 昌，张 洋，李航宇，赵子昂

（中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450000）

1 背景

风电场风机变频器至35kV箱变之间的1kV低压电缆用量多、截面大，以一台2.5MW风电机组为例，需7～9根电缆截面为240mm2的铜缆并敷。一个50MW的风电场，低压电缆用量约6～7km，投资约240万～280万元。低压电缆敷设的施工进度直接制约风机的发电时间，对工程的整体进度影响重大。目前，风电场风机变频器至升压箱变之间的1kV低压电缆基本均采用“穿管+直埋”的敷设方式，如图1所示。该方式在风机基础施工时预埋电缆保护管，电缆穿管敷设至风机基础外后直埋敷设至35kV箱变基础。该方案在实际工程应用中存在如下问题：（1）预埋电缆保护管工序繁杂。（2）电缆穿管敷设难度大、电缆外保护层破坏风险大。（3）电缆敷设路径长，增加工程投资。（4）直埋段存在施工安全风险且检修、更换极其困难。

图1 “穿管+直埋”的敷设方式示意图（单位：mm）

为解决当前风电场低压电缆敷设方式的上述弊端，推荐采用“桥架+直埋”的敷设方式，如图2所示。从节约工程投资、简化施工难度、确保施工安全、降低系统损耗等方面将“桥架+直埋”敷设方式与“穿管+直埋”敷设方式进行对比分析。

图2 “桥架+直埋”的敷设方式示意图（单位：mm）

2 电缆敷设方式对工程投资的影响

风电场低压电缆用量大、截面大，对工程投资影响大。减少低压电缆工程量可直接降低工程造价。低压电缆工程量主要受35kV箱变布置方案、低压电缆敷设方案影响。目前，35kV箱变布置方案有“布置于塔筒基础范围内”和“靠近集电线路侧布置于塔筒基础内”两种，前者较后者具有节约工程用地、节约低压电缆用量（采用“桥架+直埋”敷设方式），但需增加防火措施（选用干变或增设防火墙）的特点。

基于35kV箱变布置于风机塔筒基础范围内的方案，对比分析低压电缆敷设方式对工程投资的影响。采用“穿管+直埋”的敷设方式，电缆经风机基础下穿管出风机基础后再折回直埋至箱变，单根低压电缆长度为35m，需预埋钢管或UPVC管作为电缆保护管；采用“桥架+直埋”的敷设方式，电缆经塔筒门下的电缆孔穿出，沿塔筒爬梯桥架敷设入地后直埋至箱变，单根低压电缆长度为20m，只需采用桥架作为电缆敷设通道。

某风电场装机容量50MW，装设20台单机容量为2.5MW的风机，每台风机至升压箱变敷设9根1kV阻燃型交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装铜芯电力电缆（ZC-YJV22-0.6/1kV），型号为ZC-YJV22-0.6/1kV-3×240mm2的电缆。两种敷设方式投资对比分析如表1所示。由表1可知，某50MW风电场采用“桥架+直埋”的敷设方式，将直接节约工程设备、材料成本约135.15万元。

表1 投资分析对比

3 电缆敷设方式对施工的影响

3.1 对施工安全的影响

“穿管+直埋”的敷设方式需预埋UPVC管在风机基础下，预埋管与锚栓笼的交叉安装，绑扎基础钢筋时需分层固定预埋管，施工难度大。预埋管的弯曲半径常常无法保证，导致后期电缆穿束极为困难，且电缆划伤风险极大。“穿管+直埋”敷设方式中的过渡段埋深约3.5～4m，故须做电缆敷设专项深坑开挖支护方案，安全风险大。

“桥架+直埋”的敷设方式无需预埋UPVC管，无电缆穿束工作，直埋段埋深约0.8～1.5m，无电缆敷设专项深坑开挖支护方案，电缆经户外桥架敷设至地下直埋，具有施工简便、安全，对电缆无损伤的优势。

3.2 对施工进度的影响

单台风机采用“穿管+直埋”与“桥架+直埋”低压电缆敷设方式的施工工作项目及相应时间对比如表2所示。由表2可知，某50MW风电场采用“桥架+直埋”的敷设方式，将直接节约人工日480d，约合100万元。

表2 施工时间分析对比（人工日） 单位：d

4 电缆敷设方式对系统损耗的影响

低压电缆损耗计算公式如下：

式中：Pe为单台风机功率，kW，取2500kW；U为风机出口电压，kV，取0.69kV；cosψ为功率因素，取0.9；ρ为导体电阻率，Ω·mm2/m，铜芯导体20℃时，电阻率为0.0184Ω·mm2/m；L为电缆长度，m，取35m和20m进行对比分析；S为电缆截面，mm2，取240mm2。

通过计算可得，某50MW风电场采用“桥架+直埋”敷设方式，低压电缆损耗为3.106kW；采用“穿管+直埋”的敷设方式，低压电缆损耗为5.436kW。风电场年等效利用小时数按2200h考虑，全寿命周期按25年考虑，采用“桥架+直埋”的敷设方式时，风电场全寿命超发128150kW·h电，增加营收74327元。因此，采用“桥架+直埋”的低压电缆敷设方式，对降低低压损耗，提高系统效率具有积极意义。

5 电缆敷设方式的安全性分析

“桥架+直埋”敷设方式需在风机塔筒上增设电缆密封模块，用于低压电缆穿出塔筒至电缆桥架时的固定与密封。电缆密封模块位置处于塔筒门框架内部，对原塔筒结构设计无影响。“桥架+直埋”敷设方式中电缆桥架沿风机塔筒爬梯架设，可能增加电缆桥架遭受人为破坏的风险。因此，“桥架+直埋”敷设方式的推广应用受到一定程度的限制。推荐采用加固电缆桥架、张贴“有电危险”标志、加强风电场区视频监控巡检及报警等措施来降低人为破坏的风险。

6 结论

文章对风电场低压电缆“桥架+直埋”和“穿管+直埋”敷设方式进行了对比分析，并结合具体工程给出了量化结果。分析结果表明“桥架+直埋”敷设方式具有以下显著优势：（1）减少低压电缆工程量，节约工程投资。（2）施工、维护简便，缩短建设工期、减少施工安全风险、节约施工成本、提升工程质量。（3）降低系统低压损耗，增加风电场营收。（4）可能存在的人为破坏风险可通过相应措施解决，不应该成为该方式推广应用的制约。在实际工程应用中，可评估人为破坏的风险大小后最终决定低压电缆敷设方案。