水面光伏电站柔性连接电缆敷设方案探讨

张立军

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着陆地光伏的不断开发,土地资源的不断减少[1],越来越多的投资者开始将目标转向水面光伏[2]。水面光伏电站通过在水面敷设浮筒并在其上敷设组件,来达到利用光伏进行发电的目的[3],同时由于水面光伏浮筒的敷设,能够有效减少水面蒸发,抑制藻类繁殖保护水中生态[4]。

水面光伏电站的电缆敷设方式一般是在浮筒上敷设电缆,传统浮筒之间连接方式为如图1所示的刚性连接[5]。当水面产生波动时浮筒结构会产生相对位移,从而带动敷设于其上的电缆产生相对位移,使得结构产生疲劳重复应力[6],最终造成电缆及电缆接头发生疲劳破坏,导致后期电缆的检维修费用较高[7]。电缆及电缆接头疲劳破坏情况如图2所示。

图1 浮筒刚性连接图

图2 电缆及电缆接头疲劳破坏图

总结有以下三点:

(1)水位波动使得结构产生疲劳应力;

(2)刚性连接造成疲劳破坏;

(3)电缆及电缆接头更换成本高。

鉴于以上问题,本文提出一种新型的电缆敷设装置,能够有效避免后期运营过程中电缆及接头的疲劳破坏,降低其检维修费用。

1 电缆敷设方案分析

相较于传统的“刚性连接方案”,本文提出“半刚性连接方案”和“柔性连接方案”两种不同的电缆敷设装置,具体方案见表1。

表1 总体方案选择表

由表1可知,两种方案都可以实现减少电缆疲劳破坏。半刚性连接方案需采用弹簧作为浮筒之间的连接材料,弹簧与浮筒桥架的连接需要焊接,现场施工难度较高,而柔性连接方案只需要使用柔性链接件进行连接,使用螺栓进行连接施工难度低。因此选择柔性连接方案作为最终总体方案。

2 柔性连接电缆敷设方案

2.1 柔性链接件参数设计分析

2.1.1 柔性链接件材质

柔性链接件需要满足电缆转角敷设的要求,同时其需要能够进行一定比例的伸缩以适应水面波动的变化,因此对其刚度及变形性能具有一定的要求。此外柔性链接件需要加工成波折形,需要具有一定塑形性,柔性链接材料对比分析如表2所示。

表2 柔性链接材料对比分析表

由表2可知,经对比分析,塑料同时满足刚度、变形性及塑形性等技术要求,因此柔性链接件采用塑料材质为最优选择。

2.1.2 柔性链接件收缩伸长率

柔性链接件长度一般为两桥架之间的距离,为了满足电缆直角敷设的要求及能够适应水位波动引起的桥架间的距离改变,将柔性链接件设置成为波折形,使其具有一定的收缩加伸长功能。

转角敷设示意图如图3所示,假定桥架宽度为D,转弯半径为R。为满足在直角敷设的情况下仍有足够的收缩伸长功能,其收缩伸长率η应满足:

图3 转角敷设示意图

一般桥架宽度在1 m～1.5 m左右,其转弯半径一般设计为1 m～2 m,则其伸长率(最大长度/正常长度)应该在1.375～1.5之间。为满足在直角敷设的情况下仍有足够的收缩伸长功能,应选择柔性链接件的收缩伸长率为2。

2.1.3 柔性链接件厚度

柔性链接件越厚,其塑形性越差,制作成波折形越难,波折处越容易开裂;柔性链接件越薄,其所能承受的拉力就越小,同时其刚度也就越低,难以维持波折形,无法形成两个桥架之间的有效连接。对此,分别试验了不同厚度下单位长度塑料链接件的刚度及波折塑形性,对比分析结果如表3所示。

表3 不同厚度塑料链接件性能对比分析表

由表3可知,塑料柔性连接件厚度定位3 mm时,能够保持较好的整体刚度要求,形成两个桥架间的有效连接,同时其制作时能够维持波折形,满足收缩伸长率的要求。

综上所述,经过各分级方案比选,最终选择柔性链接件材质为塑料,收缩伸长率为2,厚度为3 mm。

2.2 压板参数设计分析

2.2.1 压板材质

设置压板是为了能够使得螺栓的预紧力传递到更大范围,使得柔性链接件与桥架贴合更加紧密,同时由于安装在水面,需要较强的抗腐蚀性能。目前常用压板材质为镀锌钢板与木板,对比如表4所示。

表4 压板材质对比分析表

根据表4可知,虽然镀锌钢板的加工较难,但考虑到其更好的传力性和抗腐蚀性,压板应选用镀锌钢板材质。

2.2.2 压板形状与尺寸

目前常用的压板形状分为通长矩形板与圆形版,二者对比分析如表5所示。

表5 压板形状对比分析表

圆形板四周由于预紧力的作用,会对塑料链接件产生剪力,而塑料抗剪性能较差;同时由于通长矩形板传力范围为桥架宽度范围,能够平均整个宽度范围的预紧力,使得结构受力更加均匀,因此选择通长矩形板。

2.3 螺栓参数设计分析

2.3.1 螺栓长度

螺栓连接示意图如图4所示。螺栓长度太长会增加桥架中电缆的磨损风险,太短则不利于安装。螺栓长度与压板厚度、塑料链接件、桥架厚度以及螺帽厚度等因素有关,其长度应满足下式:

图4 螺栓连接示意图

2.3.2 螺栓直径

螺栓直径的确定与材料的强度有关。螺栓抗剪受力情况如图5所示,当采用图5所示的连接方式时,螺栓会发生受剪破坏,从而导致柔性链接件会发生挤压破坏。根据材料力学受剪及挤压破坏理论,螺栓的直径越大,螺栓的抗剪承载力及柔性链接件的挤压承载力强度就越大。根据工程经验,极限情况下塑料柔性链接件间的最大拉力为2 kN,而螺栓钢材的抗剪设计值为250 MPa,塑料柔性链接件的挤压强度约为15 MPa～20 MPa,则其所需要的最小螺栓直径分别为:

图5 螺栓抗剪受力图

(1)螺栓剪切计算。

(2)柔性链接件挤压计算。

2.4 柔性连接电缆敷设最佳方案

综合以上分析,确定最佳方案如图6所示。

图6 最佳方案执行图

3 效益分析

3.1 经济效益

研发装置成功应用于某130 MW水面光伏电站项目,并对相关费用做了经济分析如表6所示。

表6 经济效益对比分析表

由统计结果可以看到,6个月时间内使用柔性连接相对于刚性连接电缆检维修成本降低约:

同时由于避免或减少了电缆及接头的疲劳破坏,同时检维修的频率可相应降低,由原来的1次/半月降低为1次/月(每次检维修2天3人计,人工成本约300元/天),可减少人工费:

6×2×3×300=10 800元

3.2 社会效益

本文介绍了水面光伏电站柔性连接电缆敷设装置的研制,填补了此项技术在该行业的空白。装置的运用,减少了电缆的后期检维修成本,增加了项目的收益,项目寿命期间将减少材料费约52.5万元,人工费约54万元;同时为类似工程提供借鉴经验。

3.3 环保效益

该装置能够减少或避免电缆及电缆接头的疲劳破坏,避免了工程建筑垃圾的产生,环保效益尤为突出。

4 总结

本文通过对水面光伏电站电缆敷设问题进行研究,分析了电站电缆后期检维修成本较高的原因,并针对原因进行了总结,提出了一种新的电缆敷设柔性连接装置,并对该装置的确定过程进行了详细介绍。通过将该装置在实际工程中进行运用,并与原有刚性连接方案进行对比,结果表明该新型柔性连接方案能够有效避免电缆的疲劳破坏。