500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力分析

陳 玉， 李涵之， 姚 凱， 賈 峰， 黃小衛(wèi)

(1. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 陜西 西安 710049； 2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局， 廣東 廣州 510405)

1 引言

海南聯(lián)網(wǎng)工程500 kV充油海底電纜北邊起始于廣東省湛江市徐聞縣南嶺村，通過(guò)瓊州海峽，南邊終止于海南省澄邁縣橋頭鎮(zhèn)林詩(shī)村，全長(zhǎng)31 km[1]，具有十分重要的政治和經(jīng)濟(jì)意義。

對(duì)于海底電纜，導(dǎo)體溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其數(shù)值大小直接決定了海底電纜自身的載流量[2-4]。當(dāng)海底電纜正常運(yùn)行時(shí)，其負(fù)荷大部分時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)載流量可以通過(guò)IEC-60287的穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行計(jì)算[5]。然而，在海底電纜出現(xiàn)故障需要進(jìn)行檢修或者其他輸電線路需要進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，往往需要在原來(lái)負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上施加一個(gè)超過(guò)其額定載流量的應(yīng)急負(fù)荷電流。這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體溫度迅速升高，甚至超過(guò)海底電纜的最高工作溫度[6]。當(dāng)海底電纜導(dǎo)體溫度高于自身允許工作溫度時(shí)，會(huì)影響電纜的工作壽命，導(dǎo)致電纜金屬護(hù)套膨脹、變形，甚至?xí)斐珊５纂娎|的絕緣層擊穿[7-10]。因此有必要對(duì)500 kV充油海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力進(jìn)行研究與計(jì)算，在不影響500 kV充油海底電纜使用壽命的情況下，盡可能增長(zhǎng)500 kV充油海底電纜的應(yīng)急時(shí)間以及提升應(yīng)急電流容納能力。

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜敷設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜，按其敷設(shè)環(huán)境可分為空氣裸露段、登陸段、淺水段和深水段[11]，其中每一部分的周?chē)h(huán)境熱阻、環(huán)境溫度等均不相同。目前南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局?？诜志稚形撮_(kāi)展關(guān)于500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力研究，因此研究不同敷設(shè)環(huán)境下的500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面，該海底電纜由于已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行，其導(dǎo)體溫度已經(jīng)無(wú)法直接測(cè)量得到，因此有必要搭建海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證海底電纜過(guò)負(fù)荷能力。

目前，已有大量文獻(xiàn)針對(duì)海底電纜過(guò)負(fù)荷能力的研究，針對(duì)海底電纜過(guò)負(fù)荷分析方法主要為對(duì)暫態(tài)熱路模型的推導(dǎo)以及基于有限元的仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[12]建立了電纜本體及空氣介質(zhì)一階暫態(tài)熱路模型，推導(dǎo)出空氣敷設(shè)下10 kV三芯電纜在應(yīng)急負(fù)荷下應(yīng)急時(shí)間的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[13]基于有限元法，仿真分析了暫態(tài)負(fù)荷下400 kV高壓直流海底電纜熱傳遞過(guò)程。文獻(xiàn)[14]通過(guò)建立110 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)簡(jiǎn)化暫態(tài)熱路模型，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)電纜表面溫度對(duì)導(dǎo)體溫度的推導(dǎo)，并對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[15]采用集中熱常數(shù)模型和IEC-60853模型兩種暫態(tài)熱路模型，針對(duì)110 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜實(shí)現(xiàn)短時(shí)過(guò)載電流極限研究。但是上述研究對(duì)象均為500 kV以下的電力電纜，并且為非充油海底電纜。目前沒(méi)有文獻(xiàn)針對(duì)500 kV充油海底電纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行過(guò)負(fù)荷研究。

本文基于IEC-60853標(biāo)準(zhǔn)[16]，構(gòu)建了500 kV充油海底電纜暫態(tài)熱路模型，使用Matlab作為數(shù)值計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)不同敷設(shè)環(huán)境下500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力的計(jì)算，并進(jìn)行充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證充油海底電纜暫態(tài)熱路模型的正確性。

2 500 kV充油海底電纜暫態(tài)熱路模型

2.1 電纜本體等效暫態(tài)熱路模型

在IEC-60853標(biāo)準(zhǔn)中，需要將絕緣層總熱容在導(dǎo)體和金屬套間分開(kāi)，使絕緣層存儲(chǔ)的總熱量不變。對(duì)于500 kV充油海底電纜而言,其導(dǎo)體內(nèi)含有油道，需要考慮油的熱容，因此需要對(duì)海底電纜絕緣層內(nèi)部熱路模型做如下修正，如圖1所示。

圖1 電纜絕緣層熱路模型Fig.1 Thermal circuit model of cable insulation

圖1中,Qo為油道中油熱容，J/(K·m)；Qi為絕緣層熱容；Qc為導(dǎo)體或者等值單芯導(dǎo)體熱容；T1為絕緣層熱阻，K·m /W；p為絕緣部分的熱容分配比例因數(shù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將電纜本體等效熱路模型簡(jiǎn)化為一個(gè)二孔網(wǎng)絡(luò)，其模型如圖2所示。

圖2 電纜本體等效熱路Fig.2 Equivalent thermal circuit of cable

在IEC-60853中，上述等效熱路模型中的參數(shù)計(jì)算需要根據(jù)電纜的過(guò)載時(shí)間分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算。QA為第一部分絕緣層以及內(nèi)部所有熱容；TA為絕緣層熱阻；TB和QB則分別為其余部分熱阻以及熱容[17]。當(dāng)過(guò)載時(shí)間大于1 h時(shí)，其參數(shù)的計(jì)算公式如下：

TA=T1

(1)

TB=qsT3

(2)

QA=Qc+Qo+pQi

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，T3為外護(hù)層熱阻；Qs為金屬套或加強(qiáng)帶熱容；Qj為外護(hù)層熱容，J/(K·m)；qs為比率，其值為導(dǎo)體損耗和金屬套損耗之和與導(dǎo)體損耗的比；Di為絕緣層外徑，mm；dc為導(dǎo)體外徑；p′為外護(hù)層熱容分配因數(shù)；De為外護(hù)層外徑；Ds為外護(hù)層內(nèi)徑。當(dāng)過(guò)載時(shí)間大于10 min且小于1 h時(shí)，其參數(shù)的計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，p*為絕緣層熱容比例分配因數(shù)；Qi1、Qi2分別為第一部分絕緣層及第二部分絕緣層熱容。

2.2 電纜暫態(tài)溫升響應(yīng)

2.2.1 電纜本體暫態(tài)溫升響應(yīng)

依據(jù)IEC-60853計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，在階躍函數(shù)的負(fù)荷電流作用下，導(dǎo)體相對(duì)電纜表面的暫態(tài)溫升響應(yīng)θc(t)如下所示：

θc(t)=Wc[Ta(1-e-at)+Tb(1-e-bt)]

(12)

式中，Wc為根據(jù)最高導(dǎo)體溫度確定的等效導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的功率損耗。其中Ta、Tb、a、b計(jì)算公式如下所示：

(13)

Tb=TA+TB-Ta

(14)

(15)

(16)

N0=QATAQBTB

(17)

(18)

2.2.2 電纜表面到周?chē)h(huán)境的暫態(tài)溫升響應(yīng)

對(duì)于海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的500 kV充油海底電纜，由于電纜之間相隔距離較遠(yuǎn)，在計(jì)算中可以按照單根電纜進(jìn)行計(jì)算[18]。因此對(duì)于土壤中敷設(shè)的單根海底電纜，其電纜周?chē)橘|(zhì)的暫態(tài)溫升θe(t)計(jì)算公式如下：

(19)

式中，WI為電纜單位長(zhǎng)度的功率損耗；De為電纜外徑；δ為土壤的散熱系數(shù)；L為電纜深度；ρT為土壤熱阻系數(shù)；t為發(fā)熱時(shí)間；-Ei(-x)為指數(shù)積分函數(shù)。

2.2.3 電纜的完整溫升響應(yīng)

對(duì)于土壤中敷設(shè)的電纜，其完整溫升響應(yīng)θ(t)包括電纜本體暫態(tài)溫升響應(yīng)和電纜表面到周?chē)橘|(zhì)的暫態(tài)溫升響應(yīng)。其計(jì)算公式如下：

(20)

對(duì)于空氣中敷設(shè)的電纜，不需要計(jì)算電纜周?chē)橘|(zhì)溫升。只需在式(17)以及式(18)中將TB替換為T(mén)B+TC進(jìn)行計(jì)算，TC=qsT4，T4為外部環(huán)境熱阻。在暫態(tài)的過(guò)程中，導(dǎo)體損耗隨導(dǎo)體溫度及時(shí)間而發(fā)生變化，按導(dǎo)體損耗隨溫度變化的允許值求得的校正溫升響應(yīng)為：

(21)

式中，θ(t)為導(dǎo)體溫升；θ(∞)為環(huán)境溫度之上的導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫升；α為暫態(tài)起始時(shí)導(dǎo)體材料電阻率溫度系數(shù)。

2.3 海底電纜應(yīng)急電流計(jì)算

對(duì)于海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力I2，其計(jì)算公式由以下計(jì)算公式給出：

(22)

式中，IR為海底電纜的穩(wěn)態(tài)載流量，由式(23)給出[19]；R1為過(guò)載前導(dǎo)體交流電阻；Rmax為導(dǎo)體過(guò)載前達(dá)到的最高溫度下的交流電阻；R2為導(dǎo)體額定電流時(shí)交流電阻；h1為起始電流I1與穩(wěn)態(tài)載流量IR比；θmax為短時(shí)過(guò)載時(shí)導(dǎo)體達(dá)到最高允許工作溫度的溫升，θR(∞)為導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)態(tài)最高工作溫度的溫升，r為θmax與θR(∞)之比，可取為1；θR(t)為導(dǎo)體由環(huán)境溫度開(kāi)始時(shí)的暫態(tài)溫升。在計(jì)算上述溫升時(shí)，應(yīng)減去由介質(zhì)損耗所引起的熱效應(yīng)，介質(zhì)損耗引起的熱效應(yīng)Δθd由式(24)給出，其中T2為內(nèi)襯層熱阻，T4為外部熱阻，Wd為絕緣介質(zhì)損耗。

(23)

式中，θc為穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)體最高允許工作溫度；θa為穩(wěn)態(tài)時(shí)外界環(huán)境溫度；λ1為金屬護(hù)套損耗與導(dǎo)體損耗之比；λ2為鎧裝損耗與導(dǎo)體損耗之比；R為導(dǎo)體交流電阻。

(24)

3 500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力計(jì)算

3.1 500 kV充油海底電纜熱路模型計(jì)算

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用的500 kV充油海底電纜型號(hào)為OKZA-525kV-1*800mm2-Cu型號(hào)電纜。該型號(hào)電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 500 kV充油海底電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of 500 kV oil-filled submarine cable

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜跨過(guò)瓊州海峽，全長(zhǎng)31 km。由于海底地形復(fù)雜，其敷設(shè)方式也不同。因此，根據(jù)海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜線路的地形與敷設(shè)環(huán)境[2]，將海底電纜線路劃分為登陸段、淺水段、深水段以及空氣中四個(gè)區(qū)域。海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜線路劃分示意圖如圖3所示。

圖3 海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜地形劃分示意圖Fig.3 Topographic division of 500 kV oil-filled submarine cable in Hainan interconnection system

根據(jù)表1，給出500 kV充油海底電纜本體結(jié)構(gòu)有關(guān)的熱路參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 500 kV充油海底電纜熱路模型參數(shù)Tab.2 Thermal circuit parameters of 500 kV oil-filled submarine cable

不同敷設(shè)環(huán)境下，海底電纜的外界環(huán)境參數(shù)均不相同，不同敷設(shè)環(huán)境下海底電纜的外界環(huán)境溫度[11]、埋深[2]、土壤熱阻系數(shù)[2]以及散熱系數(shù)[17]見(jiàn)表3。

對(duì)于海底電纜熱路模型而言，其外部熱阻T4以及損耗因數(shù)λ1，λ2與海底電纜的具體敷設(shè)環(huán)境有關(guān)。根據(jù)表3，給出500 kV充油海底電纜外部熱阻及損耗系數(shù)見(jiàn)表4。

表3 500 kV充油海底電纜環(huán)境參數(shù)Tab.3 Environmental parameters of 500 kV oil-filled submarine cable

表4 500 kV充油海底電纜外部熱阻及損耗因數(shù)Tab.4 External thermal resistance and loss coefficient of 500 kV oil-filled submarine cable

根據(jù)式(22)在計(jì)算海底電纜過(guò)負(fù)荷能力時(shí)，需要知道海底電纜的穩(wěn)態(tài)載流量。結(jié)合表2海底電纜熱路模型參數(shù)，表3外界環(huán)境溫度以及表4海底電纜外部熱阻及損耗因數(shù)，根據(jù)式(23),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 500 kV充油海底電纜載流量Tab.5 Rated current carrying capacity of 500 kV oil-filled submarine cable

由于在IEC-60853標(biāo)準(zhǔn)下，導(dǎo)體功率損耗Wc以及電纜總功率損耗WI均為在導(dǎo)體最高溫度90 ℃下計(jì)算獲得，即電流為額定載流量時(shí)的損耗[11]。根據(jù)表4以及表5計(jì)算500 kV充油海底電纜的導(dǎo)體損耗以及電纜功率損耗數(shù)值見(jiàn)表6。

表6 500 kV充油海底電纜導(dǎo)體功率損耗及電纜功率損耗數(shù)值Tab.6 500 kV oil-filled submarine cable conductor power loss and cable power loss value

3.2 不同敷設(shè)環(huán)境下海底電纜過(guò)負(fù)荷能力分析

在獲得不同敷設(shè)環(huán)境下載流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合表3充油海底電纜外界環(huán)境相關(guān)參數(shù)。根據(jù)應(yīng)急電流計(jì)算公式(22)求解500 kV充油海底電纜應(yīng)急電流隨應(yīng)急時(shí)間的變化情況。應(yīng)急時(shí)間分別選擇15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h。由表5可知，海底電纜載流量最低點(diǎn)位于登陸段，即海底電纜的額定載流量為815 A。因此分別繪制起始電流為25%、50%以及75%的登陸段載流量，其結(jié)果如圖4、圖5以及圖6所示。

圖4 起始25%額定載流量的過(guò)負(fù)荷能力變化曲線Fig.4 Overload capacity curve starting at 25% rated current carrying capacity

圖5 起始50%額定載流量的過(guò)負(fù)荷能力變化曲線Fig.5 Overload capacity curve starting at 50% rated current carrying capacity

圖6 起始75%額定載流量的過(guò)負(fù)荷能力變化曲線Fig.6 Overload capacity curve starting at 75% rated current carrying capacity

由圖4、圖5以及圖6中可以得出500 kV充油海底電纜以下運(yùn)行規(guī)律：

(1)對(duì)于500 kV充油海底電纜，通常情況下，其位于深水段的過(guò)負(fù)荷能力最強(qiáng)，其次為淺水段、空氣中以及登陸段。因此，限制500 kV充油海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力的主要瓶頸為登陸段。對(duì)于初始電流為50%登陸段載流量，在應(yīng)急時(shí)間為4 h時(shí)，深水段的應(yīng)急電流為1 365.9 A。而對(duì)于登陸段而言，在應(yīng)急時(shí)間為4 h時(shí)，其應(yīng)急電流卻只有1 182.3 A。對(duì)于500 kV充油海底電纜而言，位于深水段比位于登陸段有更好的過(guò)負(fù)荷裕度。這也與海水的溫度相較于陸地溫度低，海底土壤相較于陸地土壤散熱系數(shù)更好、導(dǎo)熱系數(shù)更低相吻合。

(2)對(duì)于500 kV充油海底電纜而言，在同一起始電流情況下，其過(guò)負(fù)荷能力隨著應(yīng)急時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，并且其降低速率不斷減小。并且由圖4、圖5以及圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)急時(shí)間大于4 h時(shí)，應(yīng)急電流大小趨于穩(wěn)定，受應(yīng)急時(shí)間的影響較小。

(3)在相同的應(yīng)急時(shí)間下，起始電流越高，海底電纜的應(yīng)急電流越小。以應(yīng)急時(shí)間1 h為例，當(dāng)初始電流為25%額定載流量時(shí)，海底電纜登陸段的應(yīng)急電流為1 885.4 A,而當(dāng)初始電流增大到50%額定載流量以及 75%額定載流量時(shí)，海底電纜登陸段的應(yīng)急電流下降至1 724.0 A和1 416.7 A。

由上面分析可知，500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷能力的瓶頸段為登陸段。以初始電流為75%額定載流量為例，給出登陸段外界環(huán)境溫度分別為30 ℃、35 ℃以及40 ℃的過(guò)負(fù)荷能力隨應(yīng)急時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7 起始75%額定載流量不同環(huán)境溫度下登陸段過(guò)負(fù)荷能力變化曲線Fig.7 Overload capacity curve under different ambient temperatures starting at 75% rated current carrying capacity

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于500 kV充油海底電纜，其過(guò)負(fù)荷能力隨外界環(huán)境溫度升高而降低。在過(guò)負(fù)荷時(shí)間1 h、外界環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，應(yīng)急電流有1 416.7 A，而當(dāng)環(huán)境溫度升高至35 ℃及40 ℃時(shí)，應(yīng)急電流下降為1 332.2 A以及1 245.4 A。這說(shuō)明海底電纜的外界環(huán)境溫度對(duì)海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力有較大影響。對(duì)于海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，其包含海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一回工程及海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)二回工程共7根500 kV充油海底電纜，如果某一回路海底電纜發(fā)生故障跳閘，退出運(yùn)行，該回路負(fù)荷會(huì)涌進(jìn)另一回路，導(dǎo)致過(guò)負(fù)荷情況發(fā)生。另一方面，由于用電高峰往往發(fā)生在夏季，夏季登陸段環(huán)境溫度較高，海底電纜的載流量更低，更容易發(fā)生過(guò)負(fù)荷狀況。因此，對(duì)于500 kV充油海底電纜而言，需要實(shí)時(shí)關(guān)注高溫時(shí)期500 kV海底電纜登陸段的運(yùn)行狀態(tài)。此外，一旦發(fā)生過(guò)負(fù)荷情況，應(yīng)當(dāng)盡量縮短停電時(shí)間，進(jìn)而降低海底電纜運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 岸上模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析海底電纜過(guò)負(fù)荷能力，需要進(jìn)行海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)。岸上模擬實(shí)驗(yàn)采用海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)充油海底電纜樣段，全長(zhǎng)1.2 m，為準(zhǔn)確測(cè)量海底電纜的導(dǎo)體溫度，需要給充油海底電纜打孔，每個(gè)孔錯(cuò)開(kāi)。其打孔示意圖如圖8所示，打孔位置示意圖如圖9所示。

圖8 充油海底電纜打孔示意圖Fig.8 Schematic diagram of oil-filled submarine cable drilling

圖9 充油海底電纜打孔位置圖Fig.9 Schematic diagram of oil-filled submarine cable drilling location

為了驗(yàn)證500 kV充油海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力，需要使用大電流發(fā)生設(shè)備提供應(yīng)急電流。大電流發(fā)生設(shè)備由山東泰開(kāi)高壓開(kāi)關(guān)有限公司提供，可輸出大電流進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。大電流發(fā)生器的引出端為軟銅帶,連接海底電纜銅導(dǎo)體終端。兩者通過(guò)螺釘緊固，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)，如圖10所示。

圖10 充油海底電纜銅導(dǎo)體終端實(shí)物圖Fig.10 Physical map of copper conductor terminal of oil-filled submarine cable

采用泰克 DAQ6510高精度溫度采集設(shè)備測(cè)量500 kV 充油海底電纜的銅導(dǎo)體溫度。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，需將熱電偶連接溫度采集設(shè)備，并插入孔洞中。充油海底電纜兩端各有上下兩個(gè)油閥，油閥與電纜內(nèi)部油道連通。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，需緊固下油閥避免漏油，并打開(kāi)上油閥灌入絕緣油。在絕緣油充滿(mǎn)油道后關(guān)閉上油閥，然后進(jìn)行電流溫升實(shí)驗(yàn)。在空氣中搭建的500 kV充油海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖11所示，其實(shí)物圖如圖12所示。

圖11 充油海底電纜加熱實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.11 Schematic diagram of oil-filled submarine cable experimental heating experiment

圖12 充油海底電纜加熱實(shí)驗(yàn)圖Fig.12 Schematic diagram of oil-filled submarine cable heating experiment

由于岸上模擬實(shí)驗(yàn)選用的海底電纜長(zhǎng)度為1.2 m，其海底電纜接頭兩端電壓為0 V，海底電纜介質(zhì)損耗為0 W。因此需要重新確定本次實(shí)驗(yàn)海底電纜的額定載流量。海底電纜的額定載流量確定方法如下：

給海底電纜首先通入300 A的負(fù)荷電流，觀察其導(dǎo)體溫度變化，當(dāng)其溫度穩(wěn)定，海底電纜達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)后施加600 A的電流。重復(fù)上述步驟分別施加900 A、1 200 A以及1 500 A的電流。利用同一個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)500 kV充油海底電纜的導(dǎo)體溫度。待到溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，繼續(xù)通過(guò)調(diào)節(jié)電流，將導(dǎo)體溫度達(dá)90 ℃穩(wěn)態(tài)，并記錄此時(shí)電纜的載流量為1 600 A。海底電纜施加電流示意圖如圖13所示。

圖13 充油海底電纜電流施加示意圖Fig.13 Schematic diagram of oil-filled submarine cable current application

在進(jìn)行充油海底電纜穩(wěn)態(tài)載流量實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行過(guò)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。首先將充油海底電纜穩(wěn)定到電流為900 A。此時(shí)測(cè)量充油海底電纜的周?chē)h(huán)境溫度為28.7 ℃，導(dǎo)體溫度為54.5 ℃。之后施加1 700 A過(guò)負(fù)荷電流，記錄充油海底電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到90 ℃的時(shí)間，之后停止加熱1 h，重新將充油海底電纜穩(wěn)定到900 A的穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)3 h后施加1 800 A的過(guò)負(fù)荷電流并重復(fù)上述步驟。最后再進(jìn)行1 900 A的過(guò)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)導(dǎo)體溫度達(dá)到90 ℃的時(shí)間。以900 A穩(wěn)態(tài)為過(guò)負(fù)荷起始點(diǎn)，充油海底電纜電流施加隨時(shí)間變化示意圖如圖14所示。

圖14 充油海底電纜施加電流示意圖Fig.14 Schematic diagram of current applied to oil-filled submarine cable

4.2 充油海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出起始電流為900 A,分別施加1 700 A、1 800 A以及1 900 A 的過(guò)負(fù)荷電流，充油海底電纜導(dǎo)體溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖15所示。

圖15 充油海底電纜導(dǎo)體溫升曲線Fig.15 Temperature rise curve of oil-filled submarine cable conductor

根據(jù)圖15充油海底電纜導(dǎo)體溫升曲線，發(fā)現(xiàn)隨著施加應(yīng)急電流的增大，海底電纜導(dǎo)體溫度更快地達(dá)到90 ℃，應(yīng)急時(shí)間相應(yīng)地會(huì)減小，這也進(jìn)一步驗(yàn)證4.1節(jié)的分析結(jié)果。由于海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)是在電纜兩端電壓為0 V的前提下進(jìn)行，其額定載流量為1 600 A，結(jié)合式(22)可以計(jì)算相同應(yīng)急時(shí)間下的過(guò)負(fù)荷電流，并與實(shí)際施加的電流值進(jìn)行比較，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于500 kV充油海底電纜暫態(tài)熱路模型具有良好的準(zhǔn)確性。

表7 充油海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.7 Comparison of simulation test results of oil-filled submarine cable on shore

5 結(jié)論

對(duì)于海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜而言，其過(guò)負(fù)荷能力是非常重要的參數(shù)。本文以海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV充油海底電纜作為研究對(duì)象，構(gòu)建了500 kV充油海底電纜暫態(tài)熱路模型，研究其在不同敷設(shè)環(huán)境下的過(guò)負(fù)荷能力，給出500 kV充油海底電纜過(guò)負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律如下：

(1)充油海底電纜位于深水段的過(guò)負(fù)荷能力最強(qiáng)，而登陸段為限制海底電纜過(guò)負(fù)荷能力的瓶頸區(qū)域，因此在海底電纜運(yùn)行監(jiān)控的過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注登陸段海底電纜的環(huán)境溫度以及負(fù)荷情況。

(2)對(duì)于500 kV充油海底電纜而言，在同一起始電流情況下，其應(yīng)急電流隨著應(yīng)急時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。并且在相同的應(yīng)急時(shí)間下，起始電流越高，海底電纜的應(yīng)急電流越低。

(3)500 kV充油海底電纜的過(guò)負(fù)荷能力隨外界環(huán)境溫度升高而降低。應(yīng)關(guān)注夏季高溫時(shí)間500 kV海底電纜的運(yùn)行狀態(tài)，降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

本文完成了充油海底電纜岸上模擬實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與暫態(tài)熱路模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該暫態(tài)模型的準(zhǔn)確性。該方法能夠有效地為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員進(jìn)行過(guò)負(fù)荷操作提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。