海上風(fēng)電場集電線路35 kV海纜跨越光纜研究

李源澤，王婧倩，張智偉

(1. 上海電力設(shè)計院有限公司, 上海 200025；2. 上海綠色環(huán)保能源有限公司, 上海 200433)

某海上風(fēng)電場工程位于上海周邊，海域平均水深在10m左右，該區(qū)域風(fēng)能資源豐富。本期工程規(guī)劃裝機容量102.2 MW，共安裝28臺海上風(fēng)電機組，其中兩臺樣機及第一回主纜已經(jīng)安裝完成。本工程中共有4條35 kV海纜跨越通信公司光纜，本文將從政策合規(guī)性、施工保護及電磁影響這3方面進行分析。

1 高壓電纜與光纜交叉的可行性

1.1 國內(nèi)案例介紹

海上風(fēng)電發(fā)展至今，江蘇、福建、浙江等多地海上風(fēng)電發(fā)展出現(xiàn)了海纜交越的情況，例如福建長樂外海海上風(fēng)電場與海峽光纜1號(TSE-1光纜)交越，福建莆田南日島海上風(fēng)電項目10 kV民用海底電纜與項目場區(qū)35/220 kV電纜交叉，華能如東、華電玉環(huán)等項目也出現(xiàn)了不同情況的海纜交叉。

除了海纜交越數(shù)量較多以外，不同形式的海底電纜也與海底光纜進行交越。目前大部分海底電纜均為交流電[1-4]，而由舟山電力局承擔(dān)的“多端柔性直流輸電示范工程中”，確發(fā)生了直流海纜與海底光纜交越的情況。經(jīng)過幾年的運行，目前運行情況良好。

1.2 規(guī)程規(guī)范對高壓電纜電信線路影響的要求

1.2.1 電力電纜相關(guān)設(shè)計規(guī)范

海上風(fēng)電屬于相對新興的行業(yè)，所涉及海纜的電壓等級較高，對于海上風(fēng)電海纜交越尚無針對性的系統(tǒng)指導(dǎo)規(guī)范。經(jīng)過十余年的發(fā)展，海上風(fēng)電呈現(xiàn)了規(guī)?；⒋笳淄?、深遠海和海域綜合利用等發(fā)展趨勢[5-7]。國家海洋局關(guān)于進一步規(guī)范海上風(fēng)電用海管理的意見明確提出應(yīng)堅持集約節(jié)約的原則，風(fēng)電場應(yīng)集中布局，統(tǒng)一規(guī)劃海上送出工程輸電電纜通道和登陸點，但是海上風(fēng)電海纜與已有管線的交越仍然非常普遍，已有管線主要包括相鄰其他海上風(fēng)電的海纜，日常居民供水管線、供電管線、海油管道、通信光纜等。

GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準》、NB/T 31117—2017《海上風(fēng)電場交流海底電纜選型敷設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》等對海纜交越敷設(shè)間距有一定要求，交越范圍為已有水下管線交越點兩側(cè)50～100 m的區(qū)域，在交越范圍段應(yīng)采取保護措施。但規(guī)范對具體施工方案規(guī)定較少，不足以指導(dǎo)海上風(fēng)電海纜交越的施工，針對海纜對光纜的電磁影響研究也同樣處于較為薄弱的狀態(tài)[8-9]。

1.2.2 通信光纜相關(guān)設(shè)計規(guī)范

(1)GB/T 51154—2015《海底光纜工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：宜與航道垂直穿越；宜避免與海底光纜、電纜、管道交越，確需交越時交角不宜小于60°，交越點距離海底中繼器和海底分支單元不應(yīng)小于3倍水深；當(dāng)與其他海底光纜平行時，間距不宜小于3倍水深，并且不宜小于1 000 m。

(2)T/GDACERCU 0002—2019《海底光中繼器技術(shù)要求》中規(guī)定電學(xué)性能：標(biāo)稱供電電流為65×(1±2%)A；海底光中繼器兩端導(dǎo)體部件間的直流壓降小于96 V；海底光中繼器端蓋及接頭盒內(nèi)密封層的內(nèi)導(dǎo)體與殼體之間的絕緣電阻不應(yīng)小于2 000 MΩ；海底光中繼器端蓋絕緣密封層的內(nèi)導(dǎo)體與端蓋建的耐電壓在18 kV(DC)作用下，維持3 min，不出現(xiàn)擊穿或飛弧。

通過國內(nèi)案例介紹，對電力電纜以及海底光纜等規(guī)范中涉及到的高壓電纜與海底光纜交越以及電磁影響相關(guān)條文進行了分析和解釋，從案例上、規(guī)范上論證了高壓電力電纜穿越海底光纜是可行的，是符合規(guī)程要求的，但建議由建設(shè)單位報相關(guān)主管部門審批，并進行必要的分析。

2 高壓海底電纜的施工方案研究

2.1 海底電纜交越施工方案

本次海底電纜敷設(shè)路徑中，與已建海底光纜存在交叉。在施工前，應(yīng)對交越點進行探摸及經(jīng)緯度坐標(biāo)復(fù)核，并記錄在導(dǎo)航電腦中。當(dāng)海纜敷埋至交越點前規(guī)定位置時，應(yīng)在距離交越纜前各100 m停止敷設(shè)作業(yè)。海纜敷埋船“八”字開錨錨泊定位，拋錨位置需離開原有纜線距離200 m以上，并開始提升水下埋設(shè)機，當(dāng)埋設(shè)機離開海床面至3 m以上高度后，絞錨向前移船，同時布纜機以相應(yīng)速度布放電纜進行敷設(shè)。待越過交越點100 m后重新投放埋設(shè)機進行敷埋作業(yè)，在交越施工過程中，潛水員必須水下全程進行監(jiān)護，確保海纜的安全。

2.2 海底電纜交越保護方案

在復(fù)合海纜和其他纜線交越處技術(shù)處理時，應(yīng)對復(fù)合海纜包裹橡膠防護墊層，避免與被交越光纜直接接觸。

如果被交越光纜直接露出海床面，除安裝橡膠墊層外，還可采取壓蓋水泥砂漿帶保護的技術(shù)措施。

通過分析可知。

(1)35 kV海底電纜與海底光纜交越是符合規(guī)范要求、具有充分依據(jù)的。

(2)35 kV海底電纜與海底光纜交越時，應(yīng)做好施工保護措施。

(3)35 kV海底電纜與海底光纜交越時，應(yīng)對可能產(chǎn)生的電磁影響進行分析論證

3 高壓海底電纜對海底光纜的電磁干擾影響分析

3.1 通信干擾要求

DL/T 5033—2006《輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設(shè)計規(guī)程》給出了通信電纜抗高壓線路電磁干擾的能力，但并沒有給出通信電纜抗高壓電力電纜的防護距離，沒有確定電纜與臨近通信電纜之間的防護距離，也沒有其他的標(biāo)準或規(guī)程進行分析論述。

金屬護套與纜芯之間存在互感，因此當(dāng)纜芯流過電流時，會在金屬護套上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。對于三芯電力電纜，三相金屬護套相互接觸，相當(dāng)于共用同一個金屬護套，在系統(tǒng)正常運行三相電流基本平衡時，金屬護套上的合成磁通也接近于零，此時金屬護套上的感應(yīng)電壓基本為零。只有三相電流的對稱性在系統(tǒng)發(fā)生非對稱短路時遭受破壞，合成磁通不再為零，金屬護套上才有不平衡感應(yīng)電壓的產(chǎn)生。

在送電線路故障狀態(tài)下，當(dāng)通信電纜芯線兩端有絕緣變壓器，或一端為絕緣變壓器而另一端通過低阻抗接地或與帶有接地的金屬護套或屏蔽層連接，或所有電纜芯線在兩終端都裝有避雷器時，通信電纜的磁感應(yīng)電壓允許值應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1)無遠距離供電的通信電纜線路，其磁感應(yīng)電壓允許值：

US≤0.6UDt或US≤0.85UAt

(1)

(2)“導(dǎo)線-大地”制直流遠距離供電的通信電纜線路，其磁感應(yīng)電壓允許值：

(2)

(3)“導(dǎo)線—導(dǎo)線”制直流遠距離供電，而中心點接地的通信電纜線路，其感應(yīng)電壓允許值：

(3)

式中UDt——電纜芯線與接地護套間的直流試驗電壓；UAt——電纜芯線與接地護套間的交流試驗電壓；Urs——影響計算區(qū)段遠供電壓；US——送電線故障時電纜芯線上的感應(yīng)電壓。

CCITT防護導(dǎo)則及GB 6830—1986《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》對于銅線電纜由于磁感應(yīng)引起的危險電壓允許值規(guī)定具體下。

(1)強電線路正常運行情況下，電纜芯向上的縱向電動勢允許值為60 V。

(2)強電線路故障時，電壓允許值為非高可靠性輸電線路的故障切除時間在3 s以內(nèi)，允許值為430 V；高可靠性線路的故障切除時間在0.5 s以內(nèi)，允許值為650 V。

3.2 理論推導(dǎo)

三芯電纜區(qū)外故障時金屬護套感應(yīng)回路原理圖如圖1所示。

圖1 三芯電纜區(qū)外故障時金屬護套感應(yīng)回路原理圖

護套感應(yīng)電壓：

(4)

護套自阻抗：

(5)

式中ρS——金屬護套材料銅的電阻率；AS——金屬護套截面積。

護套感應(yīng)環(huán)流：

從當(dāng)前交通領(lǐng)域的整體趨勢角度講，交通智能化本身來源于人工智能技術(shù)，在此前提下衍生出多種多樣的交通智能研判手段。與傳統(tǒng)手段相比，建立于人工智能之上的全新交通智能化模式更加有助于保障交通順暢，對于綜合性的交通管控成本也能顯著予以降低。針對交通智能研判全面適用人工智能技術(shù)體現(xiàn)為如下要點：

(6)

因RS?XS，有

IS≈3i0

對于不同截面積的電纜，對應(yīng)金屬護套屏蔽層感應(yīng)環(huán)流的計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同型號電纜的金屬護套感應(yīng)環(huán)流計算結(jié)果

由表1可以看出：對護套自阻抗而言電阻遠遠小于電抗，故護套感應(yīng)環(huán)流大小與零序電流大小相等，方向相反；不同型號電纜參數(shù)的計算結(jié)果對應(yīng)的比例關(guān)系差別不大；感應(yīng)電壓的大小與電纜長度成正比，感應(yīng)環(huán)流的大小與電纜長度無關(guān)。

根據(jù)本工程實際情況，本工程35 kV海纜短路電流為16 kA，0.6 s，護套電流與零序電流大小相等同樣為16 kA。不同型號電纜的短路電流幾乎相等。因此，在計算光纜供電電纜感應(yīng)電動勢時，將采用16 kA，0.6 s進行計算。

3.3 東海風(fēng)電場海底電纜對通信電纜的影響分析

對于不規(guī)則形狀的磁場計算，采用分段求解的方式，對要求解的區(qū)域進行細分dl，當(dāng)分段足夠小時，可取dl中心到電纜的距離近似代替平均距離。由安培定理求得管道上的感應(yīng)電壓ε。

(7)

φ=BS

式中R——電流路徑到計算點的距離；l——電流積分路徑；S——通信電纜的截面積；ε——感應(yīng)電動勢。

海纜與通信光纜交越示意圖如圖2所示。

圖2 海纜與通信光纜交越示意圖

以海纜與通信電纜典型交越為例，求解海纜故障時在光纜供電纜上的感應(yīng)電壓。根據(jù)設(shè)計資料，取短路電流為16 kA，計算得到感應(yīng)電壓為18.2 V，(間距2.5 m，交叉角度5°)計算結(jié)果小于GB 6830—1986中所規(guī)定的430 V電壓，滿足安全要求。

實際上，在發(fā)生單相短路故障時，通信光纜的供電導(dǎo)體在與海底電纜在不同并交叉角度時的暫態(tài)感應(yīng)電動勢隨著交叉角度的增大將急劇減小，超過10°時，暫態(tài)感應(yīng)電動勢下降為0。從電磁場的角度進行理解，當(dāng)通信電纜與電力電纜交叉時，由于長度遠大于中心間距，可以近似認為通信電纜關(guān)于電力電纜中心對稱交叉，這樣在通信纜上的磁通方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會完全抵消。根據(jù)本工程實際情況，海纜采用90°正交跨越海底光纜，在電磁方面的影響幾乎可以忽略不計。

4 結(jié)語

從國內(nèi)案例分析入手，結(jié)合規(guī)程規(guī)范及理論分析對海底電纜跨越海底光纜的可行性、合理性、布置方案等進行了深入研究，并可得出以下結(jié)論。

(1)電力電纜及光纜相關(guān)規(guī)程、規(guī)范對海底電纜跨越海底光纜是明確支持的，但需做好相關(guān)保護等工作。

(2)從海底電纜參數(shù)、敷設(shè)形式、施工方案等方面，對海底電纜的施工組織及保護方案進行了系統(tǒng)分析，并明確了相關(guān)的敷設(shè)施工方案。

(3)對海底電纜正常運行及故障后的狀態(tài)所能夠產(chǎn)生的可能對海底光纜的電磁影響進行了定性和定量的計算分析；正常運行狀態(tài)下，海底電纜對光纜無影響；故障狀態(tài)下，僅當(dāng)交叉角度小于10°時，將在光纜上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但符合規(guī)范安全要求；本次交叉角度90°，海纜故障時對光纜仍無影響。