降低高壓海底電纜登陸段電能損耗的措施研究

何旭濤，馬興端，閆循平

（啟明電力設計院， 浙江 舟山 316021）

降低高壓海底電纜登陸段電能損耗的措施研究

何旭濤，馬興端，閆循平

（啟明電力設計院， 浙江 舟山 316021）

海底電力電纜施放在海底水域中，因其使用環(huán)境的特殊性，海底電纜通常采用粗鋼絲鎧裝保護，從而產(chǎn)生較大的渦流和環(huán)流損耗，登陸段的損耗發(fā)熱成為制約海底電纜輸送容量的瓶頸。采用剝?nèi)サ顷憛^(qū)段電纜的鎧裝鋼絲并單端接地等工藝措施，能有效降低單芯海底電纜登陸段損耗，顯著提升輸送容量。

海底電纜；登陸段；電能損耗；措施

海洋輸電包括利用海底電纜進行島嶼供電、海洋平臺供電、海上風電場等，是海洋工程基礎設施建設的重要組成部分，也是支撐海島經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎。中國有漫長的海岸線，島嶼眾多， 隨著國家“振興海洋， 開發(fā)海洋”戰(zhàn)略的實施，海洋輸電網(wǎng)絡出現(xiàn)了由大容量、長距離海底電纜實現(xiàn)電能傳輸?shù)莫毺啬Ｊ?。海纜線路按使用環(huán)境可分為3個區(qū)段：海水全浸區(qū)段、潮差區(qū)段和登陸區(qū)段。由于登陸區(qū)段的環(huán)境熱阻比其他區(qū)段大許多，成為海纜電流傳輸?shù)钠款i，明顯降低了海纜電能傳輸?shù)男省?/p>

本 文 的 海 底 電 纜 計 算 引 例 為 110 kV 交 聯(lián) 聚乙烯絕緣鉛護套鋼絲鎧裝單芯海底電力電纜，為引述方便，文中簡稱為海底電纜。

1 國外海底電纜工程降低損耗采取的措施

1.1 加 拿 大 至溫 哥 華 島 525 kV 交 流 海 底 電 纜 聯(lián)網(wǎng)工程

加拿大至溫哥華島 525 kV 輸電工程用海纜兩回 ， 銅 導 體 截 面 1 600 mm2， 每 回 傳 輸 容 量 1 200 MW， 海底 電 纜 全線長 148 km。 為 降 低海纜 損 耗 ，海纜鎧裝層由銅扁線構成，導致海纜本體造價高昂（海 南 500 kV 海纜 的 鎧 裝 型式與 之 相同 ）。

1.2 西班 牙 至摩洛 哥 400 kV 海 底 電 纜聯(lián)網(wǎng)工 程

西 班 牙 至 摩 洛 哥 跨 直 布 羅 陀 海 峽 的 400 kV海 纜 的 輸 送 容 量 為 700 MW， 采 用 充 油 電 纜 。 海水全浸區(qū)段海纜導體截面 800mm2，采用銅扁線鎧 裝 ； 登 陸 區(qū) 段 電 纜 導 體 增 大 為 1 600 mm2， 以解決登陸區(qū)段電纜傳輸容量與海水全浸區(qū)的配合問題。2個區(qū)段海纜間采用過渡接頭連接，處于海水潮差區(qū)的接頭也正是故障的高發(fā)點。

2 高電壓海底電纜運行特點

2.1 長度長

海底電纜應用于海島電力供應以及海洋風電場發(fā)電系統(tǒng)電力傳輸，因此比陸上電纜工程的長度更長，達幾公里甚至幾十公里，因而長度長是海底電纜的顯著特點。

2.2 接地方式特殊

由于海纜連續(xù)長度長，跨越海洋、江河、湖泊，無法在海洋或江河湖泊中間處進行類似于陸上電纜的換位布置及接地，因而采用半導電層來釋放感應電荷，并在電纜系統(tǒng)兩端將海纜的金屬套和鎧裝層互聯(lián)接地。

2.3 損耗較大

由于制造及施工條件的制約，目前國內(nèi)高電壓海纜多采用單芯導體結(jié)構，電纜的相間距一般達數(shù)十米以上，海纜金屬套和鎧裝層之間有很大的環(huán)流，電能損耗較大，損耗引起的發(fā)熱又造成海纜載流量下降，尤其是熱阻較大的登陸區(qū)段情況更甚。

3 海纜登陸段降低電能損耗的工程意義

3.1 海纜各區(qū)段損耗及載流量對比

以 舟 山 一 項 110 kV 海 底 電 纜 工 程 為 例 ， 海水全浸區(qū)段海水或海床的熱阻較小，設計參考溫度 為 12～21℃ ， 海 床 熱 阻 系 數(shù) 0.8 K·m/W， 該 區(qū)段海纜 長度 40 km； 潮差區(qū) 段 設 計參考溫 度 25℃，土 壤 熱 阻 系 數(shù) 1.2 K·m/W， 該 區(qū) 段 海 纜 長 度 0.1 km； 登陸區(qū)段設計參考土壤溫度 30℃， 土壤熱阻系 數(shù) 2.1 K·m/W， 該 區(qū) 段 海 纜 長 度 0.5 km； 由 于受敷設環(huán)境熱阻條件所限，登陸區(qū)段成為海纜傳輸電流的瓶頸。

在 不 同 環(huán) 境 條 件 下 ， 110 kV 電 壓 等 級 、 500 mm2銅導體截面的三相交聯(lián)聚乙烯絕緣海纜兩端金屬套和鎧裝層互聯(lián)接地運行時，對載流量、金屬套和鎧裝層的損耗進行分析計算，各區(qū)段計算結(jié)果見表1。

3.2 降低登陸區(qū)段海纜電能損耗的工程意義

我國生產(chǎn)的海纜均為鋼絲鎧裝結(jié)構型式，具有很強的防外力機械破壞能力，且造價相對較低，能滿足海纜設計及環(huán)境使用要求。但鋼絲鎧裝海纜登陸區(qū)段的載流量明顯低于海水全浸區(qū)，僅為海水全浸區(qū)載流量的 60%～70%， 使該區(qū)段成為整條海纜線路傳輸容量的瓶頸。

表1 110 kV 單 芯 500mm2海底 電 纜 載流 量 與 損耗 對 照

海纜系統(tǒng)各區(qū)段一般采用相同的導體截面、相同結(jié)構類型，不必采用過渡接頭（連接不同導體截面、不同結(jié)構、不同金屬套，過渡接頭的開發(fā)難度很大， 且容易成為海纜系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)）。 由于海纜系統(tǒng)中海水全浸區(qū)的電纜長度占全線的絕大部分，其長度可達數(shù)十公里，如果因為登陸區(qū)段的載流量低而增加海底電纜導體截面或采用昂貴的銅扁線鎧裝，將導致工程造價大幅提高。如果采取措施降低海纜登陸區(qū)段的電能損耗，消除瓶頸，從而提高整條海纜傳輸容量，不僅可以避免過渡接頭，而且全線均可采用比較經(jīng)濟的電纜，對節(jié)約工程造價、減少資源消耗具有顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。

4 降低海纜登陸段電能損耗的措施

4.1 降低登陸段海纜電能損耗的措施

因鋼絲感應產(chǎn)生的交流損耗（渦流損耗和磁滯損耗）較大，為減小登陸段電纜的交流損耗及環(huán)流損耗，可采取以下措施：剝?nèi)サ顷憛^(qū)段海纜的鋼絲鎧裝層，并在此處將海纜的金屬套、鎧裝層互聯(lián)接地，登陸區(qū)段電纜終端側(cè)不直接接地，即登陸 區(qū)段海 纜 采用單端 互 聯(lián) 接 地的方 式 。110 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜登陸區(qū)段剝?nèi)ユz裝層并接地后，其載流量計算結(jié)果如表2所示。

從表2可見，鋼絲鎧裝海纜登陸段剝?nèi)ユz裝及 單 端 互 聯(lián) 接 地 后 ， 損 耗 明 顯 減 少 ， 500 mm2銅導體 截 面 的 海 纜 傳 輸 電 流 可 提 高 至 643 A，輸 送容量提高了 62%， 經(jīng)濟效益顯著。

表2 110 kV 單 芯 500mm2海 底 電 纜 剝 去 鎧 裝 層后的載流量與損耗

潮差區(qū)段的海纜也可采用此種措施以降低電能損耗、提高傳送容量。

4.2 工程應用注意事項

海底電纜結(jié)構如圖1所示。海纜登陸后，將鎧裝鍍鋅鋼絲與 PP繩瀝青外皮剝除， 并在剝?nèi)ユz裝層的斷點處做接地裝置。但剝?nèi)ユz裝后的內(nèi)墊層及鉛護套因失去了鎧裝的保護而容易受損，因此必須認真做好剝除鎧裝后的登陸段電纜的機械保護措施，并固定電纜，防止電纜受外力損壞。

圖1 110 kV 交 聯(lián) 聚 乙 烯 絕 緣 鉛 護 套 鋼 絲 鎧 裝單芯電纜結(jié)構示意

5 結(jié)語

（1）因使用環(huán)境的需要， 海底電纜外部一般采用粗鋼絲作鎧裝保護，而這也是高電壓單芯海底電纜登陸段產(chǎn)生電能損耗的主要原因。

（2）本文提出的海底電纜登陸區(qū)段采用剝?nèi)ユz裝鋼絲并單端接地的措施，是有效降低登陸區(qū)段海纜電能損耗的一項不增加投資、見效顯著的工程性解決方案，并能有效提高整條海底電纜的傳輸容量。該措施已成功運用于舟山海纜工程中。

（3）降低海纜電能損耗對于“節(jié)約資源， 保護環(huán)境”具有重要意義。 本文提出的技術措施對于提高海底電纜輸電工程設計、運行水平具有參考價值，對同類型電纜工程具有借鑒作用。

[1]R.G.FOXALL.Design，manufacture and installation of a 525 kV alternating current submarine cable link from mainland Canada to Vancouver island[C].CIGRE Session 1984∶21-04.

[2]R.GRANADINO.400 kV 700 MW fluid filled submarine cables for the Spain-Morocco interconnection[C].CIGRE Session 2000 ∶21-301.

[3]JB/T 10181.1-2000（idt IEC 60287-1-1∶1994） 載 流 量 公式 （100%負 荷 因 數(shù) ） 和 損 耗 計 算[S].北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出版社，2000.

[4]GB 50217-2007 電 力 工 程 電 纜 設 計 規(guī) 范[S].北 京 ：中 國計劃出版社，2008.

（本文編輯：龔 皓）

Research on Power Loss Reduction M easures for Landing Parts of High Voltage Submarine Power Cables

HE Xu-tao，MA Xing-duan，YAN Xun-ping
（Qiming Electric Power Design Institute， Zhoushan Zhejiang 316021， China）

Steel armor has been widely used to protect submarine cables， which are laid under the sea， due to the specific characteristics of its operation environment.Therefore， submarine cables suffer great eddy current and circulating current losses.The heat generated in the landing parts of the cables becomes the bottleneck that constrains the transmission capacity.The technologicalmeasures such as removing the steel armor of the landing parts and perform single-end grounding can effectively reduce the loss in the landing parts of single-core submarine cables and significantly enhance the transmission capacity.

submarine cables； landing parts； electric energy loss； measures

TM756.1

： B

： 1007-1881（2011）10-0029-03

2011-06-16

何旭濤（1973-）， 男， 浙江舟山人， 工程師， 從事高電壓輸電線路工程與海洋輸電工程設計工作。