海底電纜暫態(tài)載流量計算與優(yōu)化選型

夏 峰， 單潛瑜， 趙遠(yuǎn)濤， 周則威， 楊 帆， 姚 凱， 黃 韻， 王玉芬

（寧波東方電纜股份有限公司，浙江 寧波315801）

0 引 言

隨著跨海輸電、海上風(fēng)電等大規(guī)模海洋工程的發(fā)展和推進，海底電纜的電壓等級逐漸增高，截面增大，這對海底電纜的研發(fā)、制造、施工等帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)的載流量計算方法被指出趨于保守，在日漸激烈的國際市場上已經(jīng)不具備競爭優(yōu)勢。

電纜載流量的研究始于19世紀(jì)后期，NM方法［1］作為更深入的載流量研究方法被提出，該方法首次提出了載流量和溫度變化的具體解法。目前國內(nèi)外主要的計算方法有兩種：第一種是將電纜回路等效考慮成熱路模型，基于IEC 60287系列公式進行數(shù)值推導(dǎo)［2］，該方法存在許多缺陷，比如不適用多回路集群敷設(shè)方式，損耗計算時對于不同位置、溫度取的電阻率是定值，計算環(huán)境趨于理想化，排管、電纜溝等敷設(shè)下無法考慮到空氣流動的耦合作用；第二種是基于傳熱學(xué)的原理的數(shù)值法，其中包括差分法、邊界元法以及有限元方法等［3-5］，常用的商業(yè)軟件有Ansys、COMSOL Multiphysics等［6］。

本工作基于國外某風(fēng)電場近幾年的海底電纜載流量實際運行情況以及CYME國際輸配電公司、安大略省水電公司Ontario Hydro和加拿大電氣協(xié)會CEA聯(lián)合開發(fā)的軟件CYMCAP，提出運用動態(tài)方法對海底電纜的載流量進行建模計算，并基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)方法進行電纜的優(yōu)化選型。

1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.1 海底電纜結(jié)構(gòu)與參數(shù)

型號為HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交聯(lián)聚乙烯海底復(fù)合電纜（光纜用于檢測電纜溫度［7］）的結(jié)構(gòu)尺寸見表1，海底電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

表1 海底電纜結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 海底電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 參數(shù)設(shè)置

（1）環(huán)境條件

海底電纜所處海床段的環(huán)境溫度為11℃，海床土壤熱阻系數(shù)為0.8 K·m／W，電纜埋深為1.5 m。

（2）載流量監(jiān)控曲線

對于電纜實時監(jiān)控來說，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)更能反映線路的實際情況［8］。線路的最小載流量需求為1 000 A，根據(jù)2019年線路的全年實測數(shù)據(jù)換算得出載荷因子曲線（1～35 d的載荷曲線）如圖2所示。

由圖2可知：海底電纜在正常運行時通常不會滿載狀態(tài)運行。目前歐洲國家正在研究動態(tài)載流量算法以及電纜鎧裝優(yōu)化設(shè)計，目的在于盡可能的優(yōu)化電纜截面，充分利用穩(wěn)態(tài)設(shè)計時預(yù)留的設(shè)計裕度。

圖2 1～35 d載荷曲線

2 方法和計算標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會頒布的IEC 60287，IEC 60854，IEC 60949和IEC 1042等系列標(biāo)準(zhǔn)有具體的公式，對線纜行業(yè)有引導(dǎo)的作用，被用于電纜載流量的計算。對于溫度場分析，CYMCAP可進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的分析，暫態(tài)分析必須在穩(wěn)態(tài)熱分析完成后才可運行，從某種意義上來說領(lǐng)先于IEC標(biāo)準(zhǔn)。

3 載流量分析

3.1 穩(wěn)態(tài)載流量計算

對于交聯(lián)聚乙烯絕緣的交流電纜來說，在特定工況下，導(dǎo)體溫度達(dá)到90℃時的穩(wěn)定電流為該電纜的穩(wěn)態(tài)載流量［9-10］。

根據(jù)環(huán)境條件，可以得到該工況下海纜的穩(wěn)態(tài)載流量為948 A，與目標(biāo)載流量相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求。

3.2 暫態(tài)載流量計算

將導(dǎo)體溫度作為時間的函數(shù)，輸入某一個特定的載流量（預(yù)加載載流量）、具體的時間間隔為8 760 h、分析步長以及電纜載流量的比例因子，由此來評估電纜可以達(dá)到的溫度。

根據(jù)輸入條件，得到該工況下海底電纜的暫態(tài)分析結(jié)果見圖3。可知在目標(biāo)載流量下，導(dǎo)體的動態(tài)溫度均低于90℃，可以滿足載流量輸出要求。

圖3 導(dǎo)體溫度-運行時間曲線

4 電纜優(yōu)化選型與敏感性分析

4.1 電纜選型優(yōu)化

由穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的分析結(jié)果可知，傳統(tǒng)的載流量計算方法趨于保守，在日趨激烈的國際市場上，這樣的計算結(jié)果需要選擇更大的導(dǎo)體截面和電壓等級，導(dǎo)致電纜重量和外徑偏大，給電纜的設(shè)計、生產(chǎn)、制造、運輸及敷設(shè)帶來困難，意味著投入更多的人力、物力和資金。

基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)結(jié)果對比了相同電壓等級下滿足載流量要求的電纜選型，見表2。

表2 電纜選型對比

4.2 敏感性分析

型號為HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交聯(lián)聚乙烯海底電纜通過控制變量的方法，對土壤熱阻系數(shù)（見圖4）、環(huán)境溫度（見圖5）和電纜埋深（見圖6）進行參數(shù)的敏感性分析。

由圖4、圖5和圖6可以看出：環(huán)境溫度、海床熱阻系數(shù)和電纜埋深與電纜的載流量均呈負(fù)相關(guān)。

圖4 載流量-熱阻系數(shù)曲線

圖5 載流量-環(huán)境溫度曲線

圖6 載流量-電纜埋深曲線

在海底電纜的系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮到海底電纜線路上的土壤熱阻和溫度情況；在進行敷設(shè)設(shè)計時，電纜的埋深是最關(guān)鍵的因素。以上因素均直接影響到電纜系統(tǒng)的載流量大小以及設(shè)計的安全性。

5 結(jié)束語

結(jié)合海底電纜實際監(jiān)測情況和工況條件，計算電纜暫態(tài)載流量，從理論上提高了線路的傳輸能力，通過合理配置電纜負(fù)荷，提高了電纜設(shè)計、制造、施工和運行上的經(jīng)濟性，對海底電纜的設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)意義。