國內(nèi)外海底電纜現(xiàn)有問題總結(jié)解決與未來展望

李勃昊 何京梅 王圓圓 張劍 高福棟 楊佳明

摘 ?要：為滿足碳峰值碳中和發(fā)展需求與海底電纜設(shè)計需要，本文介紹了國產(chǎn)化海底電纜發(fā)展現(xiàn)狀及成就以及海底電纜部分結(jié)構(gòu)的典型特點，總結(jié)了我國海纜存在的主要問題，包括海底電纜的載流量計算與軟接頭技術(shù)，并對其存在的問題提出了部分的解決辦法此外還介紹了新型電纜絕緣材料聚丙烯與低頻電纜等，最終對未來技術(shù)和材料進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：海底電纜 ?載流量 ?聚丙烯 ?遠(yuǎn)距離輸電

中圖分類號：TM201.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0024-04

Summary and Solution of Existing Problems of Submarine Cable at Home and Abroad and Its Future Prospect

LI Bohao ?HE Jingmei* ?WANG Yuanyuan ?ZHANG Jian ?GAO Fudong ?YANG Jiaming

（Harbin University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang province， 150080 ?China）

Abstract： In order to meet the needs of carbon peak carbon neutralization development and submarine cable design， this paper introduces the development status and achievements of domestic submarine cable and the typical characteristics of submarine cable structure， summarizes the main problems of submarine cable in China， including the current carrying capacity calculation and soft joint technology of submarin;e cable， and puts forward some solutions to the existing problems. Finally， the future technology and materials are prospected.

Key Words： Submarine; Current carrying capacity; Polypropylene; Long-distance transmission

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對電能的需求日益增加。習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上的講話指出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。未來，綠色能源將逐步取代傳統(tǒng)能源，其中，風(fēng)能即是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源。我國海上可開發(fā)風(fēng)能資源豐富，“十三五”期間，我國積極推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，風(fēng)電場大多建立在近海區(qū)域。為獲取更多的海上風(fēng)能資源，海上風(fēng)電項目將逐漸向深海、遠(yuǎn)海方向發(fā)展。

海上風(fēng)電場的電能輸送離不開高質(zhì)量的海纜。相比全架空方案，采用海纜輸電具有投資少，施工周期短，穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。隨著海上風(fēng)電裝機量增長，對海纜的需求必將逐年增加，這給海上風(fēng)電和海底電纜的發(fā)展帶來了重要的機遇。本文從國產(chǎn)化海纜制造取得的成就、海纜的結(jié)構(gòu)及海纜的技術(shù)問題等角度進(jìn)行了論述。

1 ?國產(chǎn)化海底電纜發(fā)展現(xiàn)狀及成就

我國海纜的發(fā)展歷程曲折艱難，最早的一條海底電纜可追溯到1976年中國上海到日本熊本縣芩北的海纜，而如今，2016年啟動建設(shè)的浙江舟山500kV聯(lián)網(wǎng)輸變電工程，是我國海纜的里程碑式工程。該項目由新建架空線和海纜線路建成線路，海纜線路敷設(shè)在寧波鎮(zhèn)海和舟山大鵬島之間，整體海纜的長度約為17km，是世界上第一個交流500kV XLPE絕緣海底電纜工程[1]。東方電纜、亨通光電、中天科技三家中國企業(yè)成功研發(fā)了大長度500kV XLPE海底電纜，該項目的電纜分別于2018年12月和2019年6月投入運行，投運后運行狀況良好。經(jīng)過科學(xué)工程人員的不斷努力，我國的幾家電纜制造商已經(jīng)確立了其在全球海纜領(lǐng)域的行業(yè)地位，為我國后續(xù)的海上風(fēng)電開發(fā)提供了雄厚的技術(shù)保障。

2 ?海底電纜部分結(jié)構(gòu)的典型特點

三芯交流海纜的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括成纜捆扎帶、內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝、外被層、光纜單元 、阻水導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、半導(dǎo)電阻水層、合金鉛套、塑料增強保護(hù)層、填充條。采用三芯結(jié)構(gòu)可以有效降低鎧裝層及鉛套中的損耗，從而提升載流量。單芯直流海纜結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括瀝表和聚丙烯外披層、鋼絲鎧裝、聚丙烯內(nèi)墊層、光纜單元、填充條、聚乙烯護(hù)套、鉛套、半導(dǎo)電阻水層、絕緣屏蔽、阻水銅導(dǎo)體、導(dǎo)體包帶和擠出導(dǎo)體屏蔽、絕緣。直流輸電沒有電容電流，適合大長度輸電，是未來的遠(yuǎn)海風(fēng)電場輸電的重要配套裝備。

3 ?海底電纜面臨的問題與研究進(jìn)展

3.1 絕緣材料與半導(dǎo)電屏蔽料

目前我國220kV及以上的交流電纜及±160kV高壓直流電纜的絕緣料與屏蔽料全部依賴進(jìn)口，主要的供應(yīng)商是北歐化工，其生產(chǎn)的超凈絕緣料和超光滑屏蔽料在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，由國家電網(wǎng)牽頭，聯(lián)合國內(nèi)石化公司、材料及電纜制造商，攻關(guān)高壓電纜絕緣料，取得重大突破。目前，已自主研發(fā)國產(chǎn)220kV交流絕緣料及±535kV直流電纜絕緣料，產(chǎn)品均已通過型式試驗，即將在工程中應(yīng)用。但是，半導(dǎo)電屏蔽料仍需攻關(guān)，絕緣料的品質(zhì)與穩(wěn)定性仍需提升。尤其是具有抗焦燒、短去氣時間及耐空間電荷積累的絕緣料還有待開發(fā)。

3.2 載流量核算

傳統(tǒng)的載流量計算的方法現(xiàn)在有3種，分別為試驗測試法、解析計算法、數(shù)值法。試驗測試法是，3種方法當(dāng)中最精確的，但是需要進(jìn)行實地模擬，所以會導(dǎo)致成本過高，并且通用性差;而可以快速準(zhǔn)確計算電纜載流量的解析計算法，只適用于單回路敷設(shè)情況，所以在計算多回路敷設(shè)時，該方法與實際值會產(chǎn)生一些偏差。所以說，前兩種方法雖然有其部分優(yōu)點，卻也分別有著不可忽視的缺點，并不適合做精細(xì)的海底電纜載流量的計算。做海底電纜載流量以及溫度場分析時，最好的方法是數(shù)值解法，其中，能很好的模擬各敷設(shè)情況下電纜的實際運行情況的有限元法，可以解決前兩種方法的缺點，既省去了實地測試成本，又保證了計算精度，在海底電纜的載流量計算方面、相較于前兩種方法有著較大的優(yōu)勢[2]。

海底電纜的導(dǎo)體無法做分割，集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)使得導(dǎo)體交流電阻變大;由于海底電纜的金屬護(hù)套無法交叉互聯(lián)，護(hù)套環(huán)流大;為滿足耐受機械應(yīng)力要求，海纜必須裝配鎧裝層，導(dǎo)致渦流損耗大;以上因素使得海底電纜的損耗顯著大于陸纜。還需考慮的是海底電纜所處的環(huán)境是動態(tài)變化的，海水的溫度以及流動速度都會影響海底電纜的載流量。由于影響因素眾多，通過列出電路與熱路方程的方式，往往難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。通過有限元仿真，建立電-熱-流仿真模型，是解決該難題的有效方法。使用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，利用三維電–熱–流多物理場耦合方法，建立了在電-熱-流仿真基礎(chǔ)下的高壓直流海底電纜及其敷設(shè)環(huán)境模型，由上述仿真模型和可知海纜溫度變大時載流量會變大，同時絕緣層溫差越來越大，呈增大趨勢，載流量有臨界值，如果絕緣層偏外層電場大于偏內(nèi)層電場，則此時載流量會超出臨界值[3]。因為海底電纜的結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，電纜中任何的金屬構(gòu)件都可能對損耗和感應(yīng)電勢產(chǎn)生一定的影響，使用解析法等傳統(tǒng)載流量的數(shù)學(xué)算法去計算電纜中金屬構(gòu)件的作用時往往算不準(zhǔn)，所以使用有限元法探究這些金屬構(gòu)件的作用效果，再利用物理場仿真技術(shù)分別建立二維、三維模型，從而更好地減少經(jīng)典簡單電路模型所帶來的對載流量的計算誤差，利用電-熱-流仿真模型，從而得到一定電流下線芯的最高溫度，從而多次計算得到絕緣允許最高長期使用溫度下的電纜載流量[4]。

3.3 軟接頭技術(shù)

隨著未來遠(yuǎn)海風(fēng)電場的建設(shè)，大長度海底電纜的需求將會增大。然而，交聯(lián)聚乙烯電纜在生產(chǎn)過程中，為避免焦燒顆粒進(jìn)入絕緣層，連續(xù)生產(chǎn)時間通常不能過長，需將電纜經(jīng)接頭來連接，達(dá)到規(guī)定長度。海底電纜無法應(yīng)用預(yù)制式電纜頭，在大多數(shù)情況下海底電纜都需要用到模塑式的接頭即軟接頭。軟接頭不僅需要滿足電氣性能，還需要承受一部分機械應(yīng)力，技術(shù)難度較大。雖然軟接頭結(jié)構(gòu)簡單，但其制作工序難，尤其在擠出溫度、擠出速度、導(dǎo)體焊接、硫化溫度等方面，需要經(jīng)驗積累。軟接頭中恢復(fù)絕緣與本體絕緣的界面被認(rèn)為是絕緣弱點，由于本體絕緣前期已經(jīng)固化，恢復(fù)絕緣熔體在交聯(lián)過程中，很可能與已交聯(lián)的本體絕緣層粘合較差。決定模注式接頭品質(zhì)的另一要素是注塑時模具中的溫度是否達(dá)到要求，目前的加熱方式都是由外向內(nèi)，內(nèi)部溫度是否達(dá)到要求不可知。另外，熔體在模具中流動充盈過程無法通過試驗手段表征，注塑工藝參數(shù)沒有相關(guān)理論進(jìn)行指導(dǎo)。目前，通過有限元流體動力學(xué)仿真可以對熔體在模具中的流動過程進(jìn)行模擬，從而指導(dǎo)注塑工藝參數(shù)的選用。

3.4 電纜絕緣材料

隨著海上資源的發(fā)展，海纜對于材料的需求將會越來越苛刻，海底電纜的材料將會變成重中之重。目前，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）是電纜材料的首選，它結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、耐熱好、負(fù)載能力強、不融化、耐化學(xué)腐蝕、機械強度高。但是，XLPE依舊存在著許多的問題。

XLPE絕緣電纜在高壓直流輸電過程中，產(chǎn)生和積累的空間電荷是聚合物絕緣材料需要面對的重要問題，它始終限制著聚合物絕緣材料在高壓直流輸電電纜中的應(yīng)用。除此之外，XLPE的制備方法中，輻射交聯(lián)法一次性的投資費用大，操作和維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，而且運行中安全防護(hù)問題也比較苛刻;過氧化物交聯(lián)法制備需要在高溫高壓和幾十米（甚至上百米）的專用管道進(jìn)行連續(xù)加熱，設(shè)備占據(jù)空間大，能量消耗大，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)的XLPE材料的長度受到了限制，同時也限制了該技術(shù)在中小型生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用;兩步法交聯(lián)工藝的缺點是生產(chǎn)流程長，生產(chǎn)設(shè)備較多，且容易混入雜質(zhì);一步法交聯(lián)工藝的缺點是工藝技術(shù)要求高，投資較大。生產(chǎn)過程復(fù)利用，最后只能焚燒，而焚燒帶來的白色污染不利于環(huán)境。

綜上所述，交聯(lián)聚乙烯于絕緣電纜的應(yīng)用具有一定的局限性。首先，交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜去氣時間長，耗時耗力[5]。其次，XPLE因為自身熱固性的特點，無法進(jìn)行重構(gòu)，遂尋找新的可以代替交聯(lián)聚乙烯的電纜材料是必要的?；诖?，筆者認(rèn)為，聚丙烯絕緣材料是目前很多海纜的首選材料。。

因為聚丙烯絕緣電纜可大長度輸出，且聚丙烯樹脂材料易得，材料價格相對便宜，加工工藝簡便。它的耐熱性和耐化學(xué)性也較好，熔點較高，不存在燒焦等問題，可以耐長期工作高溫。其次，聚丙烯機械強度較高，由于結(jié)晶度較高，具有良好的抗拉性，耐刮磨性，不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問題。在面對海水和微生物侵蝕的時候性能良好，還可以通過在聚丙烯繩中加入碳黑或者紫外線吸收劑來解決一部分抗紫外線老化問題。除此之外，聚丙烯相比于其他材料具有良好的電學(xué)性能，具有較好的擊穿強度和體電阻率，沒有交聯(lián)劑產(chǎn)物。而且聚丙烯是熱塑性可回收，具有環(huán)保優(yōu)勢，大容量直流電纜技術(shù)和節(jié)能減排的需求都符合。

但是，聚丙烯的低溫沖擊性能較差和低導(dǎo)熱能力，使得會有電荷積聚在直流場下聚合物空間，導(dǎo)致電樹枝容易老化。另外，聚丙烯的剛性和模量低、成品收縮率大、低溫脆性大和易老化[6]，所以目前無法大規(guī)模進(jìn)行應(yīng)用。不過隨著對聚丙烯海纜材料的進(jìn)一步研究，相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，未來有望代替XLPE。

3.5 低頻電纜

在近距離水下輸電時，目前的主流方案為工頻輸電，而隨著海上風(fēng)電的進(jìn)一步開發(fā)，人們需要更遠(yuǎn)的輸電距離（<50km），此時工頻輸電因為其頻率較高等原因、存在著漏電流、引線電感、還有導(dǎo)致電壓脈沖波動情況下發(fā)熱的ESR以及較大的電阻的缺點，這會導(dǎo)致出現(xiàn)電纜中的能量被浪費等問題。一部分人采取BDL濾波器、改善材料、控制電纜長度等方法解決如上問題，但是這些辦法不僅增加了工程造價，而且還有一部分方法不適合遠(yuǎn)距離輸電。那么在這種遠(yuǎn)距離大容量的輸電情況下（50km150km）中，直流輸電無電容等損耗能量、線路造價較低，無系統(tǒng)穩(wěn)定性問題以及調(diào)節(jié)快速等優(yōu)點，不過其有換流裝置很昂貴、有諧波影響、缺乏直流開關(guān)等缺點，所以并不將其作為非超遠(yuǎn)距離輸電時的優(yōu)選，目前在低頻電纜以及直流輸電問題上還有這很大的改進(jìn)空間，尤其在材料方面亟待開發(fā)。

4 ?結(jié)語

我國有著很強的海纜研究生產(chǎn)機構(gòu)，但是與國外還是有著一定差距。目前基于三維電–熱–流多物理場耦合方法，建立了在電-熱-流仿真基礎(chǔ)下的高壓直流海底電纜及其敷設(shè)環(huán)境模型，通過有限元法可以對載流量進(jìn)行有效計算，不過軟接頭的注塑工藝參數(shù)等問題還有待解決。在電纜材料領(lǐng)域，聚丙烯電纜可大長度輸出，其材料易得，價格便宜，但是在技術(shù)層面上還存在著很大的問題，未來或許可以代替XLPE。而在短距離海上輸電時（<50km）可以采取工頻輸電，在中長距離輸電時（50km150km）可以采取直流輸電。

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