提高深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電柔性直流海纜輸送容量的研究

吳聶根 周宸 吳偉赳 陳鐘輝

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

由于化石能源的過度使用，環(huán)境問題日益突出，能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣龃?，風(fēng)電作為清潔能源之一，將會(huì)得到更大規(guī)模的開發(fā)與使用。風(fēng)場容量越來越大，離岸距離越來越遠(yuǎn)，考慮到直流輸電較交流輸電具有輸送容量大、線路損耗小、可控性高等優(yōu)點(diǎn)［1］，直流海纜必將成為未來深遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的必然選擇。但高壓直流海纜造價(jià)昂貴，科學(xué)合理地優(yōu)化海纜截面，將會(huì)大幅降低工程投資，因此研究提高直流海纜載流量的關(guān)鍵因素是非常有必要的。

1 ±535kV 直流海纜模型

典型的±535kV 直流海纜模型［2］如圖1 所示，直流海纜型號DC-HYJQ41-F±535kV 1×3000+2×8，對應(yīng)海纜模型各部分名稱及具體結(jié)構(gòu)參數(shù)［3］如表1 所示。

表1 直流海纜結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位：mm

圖1 DC-HYJQ41-F±535 kV 1×3 000+2×8 柔性直流海纜結(jié)構(gòu)圖

2 直流海纜載流量關(guān)鍵因素分析

依據(jù)IEC60287 電纜導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)提供的直流載流量計(jì)算公式可知，在海纜結(jié)構(gòu)確定的情況下，影響載流量外界因素有環(huán)境溫度和外部熱阻，其中，環(huán)境溫度可以通過增加冷熱源調(diào)節(jié)，外部熱阻受埋深、海纜雙極間距、土壤熱阻系數(shù)等因素影響［4］。

2.1 環(huán)境溫度的影響

按照電纜敷設(shè)規(guī)程，空氣溫度一般取當(dāng)?shù)貧庀缶肿顭嵩缕骄鶞囟?，土壤溫度取?dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟葘?yīng)的土壤溫度（深度不同，溫度不同），因此該變量為客觀變量，但可以通過引入冷熱源調(diào)整電纜周邊的溫度場。表2 對比了熱源（恒溫40 ℃）和冷源（20 ℃）對海纜載流量的影響。

由表2 可知，距離海纜0.5 m 的熱源降低海纜載流量約7%，冷源約能提高海纜載流量4.4%，而且距離越近影響越明顯。圖2 和圖3 分別是熱源和冷源情況下的溫度場，可知冷源明顯改善了海纜周邊的散熱環(huán)境，提高了海纜載流量。

圖2 熱源下的海纜等溫曲線

圖3 冷源下的海纜等溫曲線

表2 熱源和冷源下不同距離直流海纜載流量 單位：A

2.2 埋深對載流量的影響

海纜的散熱最終途經(jīng)是通過地表與空氣對流散熱，而土壤的埋深是熱傳導(dǎo)的路徑，埋深越大，熱阻越大，散熱越慢［5］。假設(shè)除埋深外其他條件不變時(shí)，載流量隨著埋深增加而減小，海纜載流量與埋深的擬合曲線如圖4 所示。

圖4 海纜載流量—埋深曲線

由圖4 可知，隨著埋深增加，載流量逐漸減小，其對載流量的影響逐漸減弱，最終趨于穩(wěn)定值，該數(shù)值約為埋深1 m 時(shí)的80%。

圖5～圖8 展示了單極和雙極（極間距1 m）在埋深1 m 和5 m 的情況下等溫線的變化情況。從等溫線圖變化可以看出，隨著埋深增加，電纜向空氣散熱的熱阻增加了，周邊土壤溫度大幅上升，2 根電纜共同所處的等溫線溫度越來越大，彼此間的散熱影響也會(huì)越來越大，最終趨于1 個(gè)穩(wěn)定數(shù)值，1 m 間距時(shí)該數(shù)值約為埋深1 m 時(shí)的73%。

圖5 單極埋深1 m 等溫線

圖6 雙極埋深1 m、間距1 m 等溫線

圖7 單極埋深5 m 等溫線

圖8 雙極埋深5 m、間距1 m 等溫線

2.3 雙極間距對載流量的影響

雙極間距越大，彼此間的熱阻越大，相互影響越小，越有利于散熱，不同間距與載流量的對應(yīng)關(guān)系擬合曲線如圖9 所示。

圖9 載流量—雙極間距曲線

不同間距下2 根纜的等溫線如圖10 和圖11 所示（這里僅展示1 m 與10 m 的情況）。由圖10 和圖11 可知，隨著距離拉大，兩者間的等溫線越來越獨(dú)立，無限接近于單根纜散熱情況，載流量也無限趨近于單極運(yùn)行值。

圖10 1 m 等溫線

圖11 10 m 等溫線

2.4 土壤熱阻系數(shù)對載流量的影響

土壤熱阻系數(shù)越大，熱阻越大，相應(yīng)海纜散熱越困難，載流量越?。?］，兩者的關(guān)系如圖12 所示。由圖12 可知，熱阻系數(shù)是載流量一個(gè)重要變量，但隨著熱阻系數(shù)變大，對載流量的影響逐漸減弱，過了拐點(diǎn)后其影響進(jìn)一步減弱，該拐點(diǎn)值為3；熱阻系數(shù)小于3 時(shí)，單位熱阻系數(shù)變化，對應(yīng)載流量變化約為399 A；熱阻系數(shù)大于3 后，單位熱阻系數(shù)變化，對應(yīng)載流量變化約為81 A。因此，針對沙灘干燥的沙子，其熱阻系數(shù)一般為4，若將登陸段海纜周邊的沙土熱阻系數(shù)降低至1 以下，至少可提升載流量50%，大大提高了海纜的輸送能力。

圖12 載流量-土壤熱阻系數(shù)曲線

3 根據(jù)影響因素設(shè)計(jì)最優(yōu)海纜散熱方案

海纜敷設(shè)分海中段、登陸段（高潮位以下）、陸上段（高潮位以上），其中海中段海纜直埋于海床下，土壤熱阻系數(shù)為0.7 K·m/W；登陸段直埋于沙灘下，因漲退潮影響，土壤熱阻系數(shù)在0.7 K·m/W～4 K·m/W 區(qū)間變化；陸上段采用電纜溝敷設(shè)，空氣中載流量比直埋段高。因此只要將登陸段的土壤熱阻系數(shù)維持在0.7 K·m/W 或以下水平，登陸段海纜就可以達(dá)到海中段海纜的載流量水平，即可解決實(shí)際工程中海纜登陸段載流量瓶頸的問題。

根據(jù)以上分析，可通過優(yōu)化埋深、雙極間距、熱阻系數(shù)、引入冷源等方法，提升登陸段海纜載流量。

3.1 埋深

根據(jù)上文分析，埋深越小，載流量越大。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217—2018），從保護(hù)角度出發(fā)，電纜埋深不得小于0.7 m，故海纜埋深按0.7 m 為最優(yōu)。

3.2 雙極間距

根據(jù)上文分析，雙極間距越大，載流量越大，但在埋深不大于2 m、間距超過5 m 后，間距的增大對載流量的影響很小。根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217—2018）等相關(guān)規(guī)程規(guī)范，兩根電纜間距水中段不小于1.2 倍水深，登陸段可適當(dāng)縮小，故本文推薦水中段按1.2 倍水深考慮，登陸段取10 m 為最優(yōu)。

3.3 熱阻系數(shù)

根據(jù)上文分析，熱阻系數(shù)越小，載流量越大，采用換土技術(shù)可將該段土壤熱阻系數(shù)降低至1.2 K·m/W，但與海中段熱阻系數(shù)0.7 K·m/W 相比，還是相差較大。而且高潮位以下，由于海水沖刷的影響，該方案很難實(shí)現(xiàn)。

影響土壤熱阻系數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素是含水量。含水量越大，熱阻系數(shù)越小。根據(jù)工程實(shí)測，濕度大于10%的沙或沙土，其熱阻系數(shù)小于0.8，因此可采用截留潮水的方法，降低登陸段土壤熱阻系數(shù)。

通過將登陸溝延伸至低潮位，并每隔一定距離設(shè)置一面阻水墻，待海纜敷設(shè)完畢且漲潮將溝內(nèi)充滿海水后，原沙土回填。采用該方案后即可保證高潮位以下部分沙土?xí)r刻都泡在海水中，使得海纜周邊的土壤熱阻系數(shù)與海中段一致，達(dá)到0.7 K·m/W，示意圖詳見圖13，目前該方法正在申請專利。

圖13 降低登陸段土壤熱阻系數(shù)的登陸溝

3.4 冷熱源

根據(jù)上文分析，海纜登陸段需避開熱源，引入冷源，可提高海纜載流量。采用可截水的登陸溝后，每次漲潮，低溫的海水與溝內(nèi)截留的海水可充分交換熱量，使溝內(nèi)土壤的溫度基本保持在與海水同樣的溫度，使得海纜基本在一個(gè)恒溫的環(huán)境下運(yùn)行。該方案相當(dāng)于在海纜周邊引入了一個(gè)恒溫冷源，可進(jìn)一步提高海纜載流量。

3.5 最優(yōu)埋設(shè)組合參數(shù)

采用本文的優(yōu)化參數(shù)后，可解決登陸段海纜載流量瓶頸問題，登陸段最優(yōu)的海纜埋設(shè)參數(shù)為：埋深0.7 m、雙極間距為5 m，土壤熱阻系數(shù)0.7 K·m/W，引入自然冷源。

4 案例分析

以DC-HYJQ41-F ±535kV 1×3000+2×8 為例，按常規(guī)海纜埋設(shè)參數(shù)和本文最優(yōu)的埋設(shè)參數(shù)進(jìn)行建模計(jì)算，海中段、登陸段載流量如表3 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，采用本文的最優(yōu)埋設(shè)參數(shù)后，登陸段海纜載流量提升了40%，基本達(dá)到了海中段的海纜載流量水平，100%發(fā)揮了海纜的輸送能力。以福建閩南外海規(guī)劃的深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電為例，其規(guī)劃的風(fēng)電容量為50 GW，場區(qū)中心距離大陸120 km，若采用傳統(tǒng)方案需25 回直流纜（50 根海纜），采用優(yōu)化方案需18 回（36 根），減少了7 回（14根）。按照目前的成本計(jì)算，可降低工程造價(jià)約294 億元，可見最優(yōu)參數(shù)組合方案經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表3 不同埋設(shè)參數(shù)的載流量 單位：A

5 結(jié)論

本文基于未來大規(guī)模深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電送出需求為背景，以目前國內(nèi)最前沿的±535kV 海纜DC-HYJQ41-F ±535kV 1×3000+2×8 為模型，深入分析了直流海纜載流量影響因素，并結(jié)合規(guī)程規(guī)范，創(chuàng)造性地提出了直流海纜最優(yōu)埋設(shè)參數(shù)，并以規(guī)劃的閩南外海海上風(fēng)電為例，對比了常規(guī)參數(shù)和該最優(yōu)埋設(shè)參數(shù)下，海纜的輸送容量和所需的回路數(shù)。通過對比，得出了本文的最優(yōu)埋設(shè)參數(shù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為未來海上風(fēng)電直流海纜截面選擇提供參考。