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絕緣塑性材料運用離岸風電系統的海陸電纜聯結建設

# 技術交流

絕緣塑性材料運用離岸風電系統的海陸電纜聯結建設

全球的離岸風場大部分位於台灣海峽內,台灣首座離岸風場海洋風電已於108年11月啟動,為風電邁入商業規模的重要里程碑,成為台灣第一座商業規模的民營離岸風電場,接著苗栗海洋風場展開陸域工程的海能風場(376MW)、及位於雲林的允能風場,陸續展開海域工程,顯見台灣擁有發展離岸風力發電的條件。

政府所制定非核家園及能源轉型政策,於2050淨零碳排計畫中,規劃再生能源佔比將達到60~70%,再生能源除太陽光電、離岸風電之外,還有的綠能發電技術包括地熱、海洋能的波浪能發電系統…。台灣能源進口佔GDP比例最高曾接近15%,意思是台灣GDP每7塊錢中,就有高達1塊錢要拿去跟國外買能源,未來增加再生能源的投資、減少進口化石燃料是必然的作為,要翻轉能源需進口的依賴。

離岸風電系統的聯結建設包括風力發電機配件、組裝風機鋼材、碳纖維及風機葉片及齒輪箱、電纜及其配件等等…。以目前國內可能使用3.6MW 以上之離岸風力機種而言,其電力系統採用輸出33kV 規格計算,額定送電容量約為3.8MVA(66.5A),可以一般常用33kV 240mm2 XLPE 海纜設計,考量導體電阻及絕緣材料熱阻,配合風場現場海水環境溫度計算其容許電流、短時間過載電流、短路電流等,所使用之規範,在容許電流方面,以IEC60287 或JCS0501 規範計算之。上岸處海陸纜接續匣及風機塔架內之接續裝置,海纜引上至上岸點後,需考量陸上變電站位置,若變電站位置離上岸點處超過1km,將於海纜上岸後設立置接續匣與陸纜銜接上,為排除接續匣裝置故障意外發生,在檢討線形海纜可佈設原則,海纜儘可能直接進入變電站。

接地系統在海纜兩端,未接地開放端可能產生很高被覆層感應電壓。因此須參考ANSI/IEEE 575 規範採用在兩端(離岸式風力機與上岸端)接地,使兩端接地處其電位為零。離岸風電系統的聯結建設最重要的關鍵零組件為海纜附屬器材,主要項目包括海纜中間接續及電纜處理頭,其中工業界最常使用大廠TE - Raychem 161/69 KV GIS氣封型(EBG) PHVS、TR油封型(EBO) PHVT、屋外型(EBA) OHVT-72PBW陶瓷/OHVT-72CW聚合電纜終端匣、電纜中間接續匣(NJ/IJ)EHVS、電纜被覆保護裝置(CCPU)SB-1, XB-1、避雷器(SVL)、69 KV熱縮式電纜終端匣(LHVT)等等成功導入工業界。TE ENERGY 原廠在台灣有分公司並有專業代理商:  新太興電纜附件有限公司 (HY CABLE CO., LTD.) 總經理 侯聰賢 有TE超高壓電纜處理頭授權合格技師 可提供業主施工認證等服務。

海底電纜和風機連結後,電力會透過這些穿越潮間帶區域下方海床的纜線回送,抵達海陸轉接段(Transition Joint Bay )後銜接陸上電纜,進行輸送。也就是說,當離岸風機迎風轉出電力時,將電力送上岸的「海底電纜」,其實是風電工程中至關重要的一環!TE ENERGY運用高壓材料科學的一項工業界重大革命,就是交鏈技術的發展。由於這項突破性的發展,增強了材料本身性質的特性,甚至克服了製造與應用上的困難度。如今電力、電子、通信等工業應用材料大部分都是以交鏈技術來驅導。

 

接著跟我們一起來探討電纜中間接續技術運用--如何提高運行質量

壹、新的電纜中間接續設計在降低維護量的同時提高,現代電力系統性能和可靠性電力配電系統的要求

今天,消費者對供電系統可靠性要求越來越高,配電系統的每一個部分都成為關鍵部分 (要求整個配網沒有薄弱點),電纜附件是很少一部分仍然需要現場安裝的節點。這樣的節點可能存在安裝錯誤,給運行帶來隱患。TE/Raychem產品在提高電纜附件的性能使之安裝更加簡單可以給整個系統提高帶來很大幫助。為了提高系統可靠性,我們有必要首先瞭解要求然後有針對性的提出方案。

貳、電纜附件的歷史

本文章介紹了電纜附件的各種不同型式及運用。並且分析不同形式技術的優點。同時分析了用戶在選擇電纜附件時所關心的問題,例如溫升的考慮、導體的連接方式以及安裝是否簡單…這些所關心的問題很大程度會影響是否能保證系統的可靠。

實例介紹用戶對中壓電纜中間接續高性能要求,本文圍繞一個實際案例,介紹位於亞洲的供電公司同時也一直被評為世界頂級電力供應商,他們對產品和服務的特殊要求該供電公司擁有覆蓋廣泛的配電網路,並向許多包括台電,政府機關、製造業、銀行業、電信業….等關鍵用戶提供供電保障。因為配電網路的負載很大且很多電纜線路敷設在鬧市區地下,這給安裝和維護帶來更大挑戰。選用了新型高性能電纜,同時要求有與之匹配的電纜中間接續,而電纜中間接續性能定位,用戶對新型電纜中間接續有明確的要求:必須運用那些已被驗證過的設計理念,能被工程人員和安裝人員接受的。

1. 電纜中間接續安裝不能要求對安裝技術要求太高或需要特殊設備。

2. 設計必須有較強的安裝容錯性。

         3. 有良好的運行經驗 – 不願意當實驗品。

         4. 必須符合 IEC/CENELEC 要求,並且有一些特殊要求也必須運用相應實驗驗證用戶的特殊要求。

         5. 電纜和電纜中間接續被敷設于繁忙的道路之下,電纜中間接續製造商必須能證明提供的電纜中間接續能夠承受大流量交通所帶來的震動。

  1.          6. 電纜被敷設地下,護層有被外力損壞可能。因此電纜中間接續設計必須考慮在電纜甚至導體進水情況下長期運行。
  2.  
  3.          7. 電纜系統負載較大,並伴有系統故障或接地不良等情況。因此運行溫度有可能常規要求 (>90OC) –電纜中間接續必須能滿足要求。
  4.  
  5.         8. 最新的 CENELEC 對局放要求 PD ≤10pC –用戶要求按照以前要求 ≤3pC.

       叁、試驗和認證 - 試驗項目

  1.        1. 按現行 CENELEC 標準要求進行試驗驗證 (CENELEC HD 629.1 S1 )
  2.  
  3.        2. 按 IEEE 404要求進行額外試驗 (對照 24/25kV 系統電壓等級)
    •            --BIL: 150kVp vs. 125kVp
    •            --PD: ≤3pC vs. ≤10pC
    •            --負荷迴圈試驗溫度: 130OC vs. 90OC (注:負荷迴圈同時對溫升曲線測量)
    •  
  4.        3. 在外部水壓 (0.3bar) 內部2米水壓下,獨立進行負荷迴圈試驗在過電壓熱迴圈條件下進行震動試驗 (~2G, 1.2 million cycles)。
  5.  
  6.        4. 由於沒有一個國際標準對試驗方法定義,必須自行建立。

 

(一)、外部水壓試驗

在TE/Raychem位於德國的試驗室進行

 

(二)、內部水壓試驗

 

(三)、震動試驗

 

肆、中間接續設計和元件選用

  1.         為了滿足客戶對性能的要求,同時能夠簡化安裝,我們必須選用一些特殊元件以解決這一矛盾。
  2.         Raychem產品主要元件包括:

(一) 機械接管

(二) 電阻性應力控制

(三) 運用三層共體技術的中間接續本體

(四) 防水膠填充介質

(五) 鎧裝恢復

(六) 外保護管

 

伍、中壓三芯中間接續選用的接管

接管可運用在中壓等級,用戶已經有十幾年使用機械接管的成功運行經驗,並認可其是一種可靠的並且易於安裝並不需要特殊安裝工具的產品。另外特殊設計可是接管中間分離成兩部分,這給安裝三芯大截面帶來方便。

  電纜中間接續本體的選用

  電纜中間接續中最重要的元件是帶遮罩的中間接續本體

  它的主要功能是:

(一) 電纜絕緣和遮罩的可靠替代。

(二) 維持足夠的介面壓力以有效減小局放水平並能抵抗可能內部水壓

(例如在導體進水的情況下)。

(三) 足夠的密封水平以抵擋外部水汽。

(四) 持續提供握力,即使在負荷迴圈條件下。

(五) 有一定的機械強度以適應不利的環境狀況(例如水或土壤帶來的運動)。

A、層共體中間接續本體 Rayfit™

先進的三層共體熱縮管

 

 

 

B、層共體中間接續本體 Rayfit™

複合彈性系統

握緊力

 

                  在安裝時,熱縮管和EPDM提供足夠的握力在負荷迴圈時的尺寸改變:

  1.                  1. 能夠靈活調適
  2.                  2. 足夠握緊力
  3.                  3. 堅固的外保護
  4.                  4. 出色的內部和外部防水

 

          C、層共體中間接續本體 Rayfit™

 

               TE/Raychem不同材料設計的中間接續本體,安裝後握緊力的比較

  1.              A. Rayfit 三層熱縮管
  2.              B. ECIC 雙層熱縮管
  3.              C. CICM 雙層熱縮管
  4.              D. 冷縮管

 

D、層共體中間接續本體 Rayfit™優勢

  1.        1. 能夠隨電纜“呼吸”
  2.        2. 良好的熱傳導性能,減少熱阻
  3.        3. 足夠的握緊力提供良好的介面條件
  4.        4. 本體長度減少,整個接頭體積縮小
  5.        5. 能夠提供良好的內部及外部防水
  6.        6. 熱縮時間縮短,安裝方便

 

E客戶對中間接續加強的要求

客戶依據其對各種不同設計產品多年經驗,要求整個電纜中間接續內部需要填充型。其優點是:

  1.         1. 良好的熱傳導特性(從導體到電纜中間接續外層的熱傳導)
  2.         2. 超強的機械強度,抵禦外力破壞
  3.         3. 在電纜中間接續處阻止電纜內水的縱向滲透

 

       陸、總結:

運用先進的技術和元件,大部分客戶對電纜附件的性能要求都可以滿足, TE/Raychem產品嚴格的測試專案能夠證明產品性能並為用戶提供信心,在這裏介紹的案例證明,簡單的設計同時具備可靠性能的電纜附件是可能的。然而良好的現場安裝人員的培訓仍是推薦的,良好的施工品質才能符合現代用戶對高性能系統的要求。

 

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