提高海底電力電纜載流量的方法探討

蔡文婷

（上海電纜廠有限公司，上海200093）

海底電力電纜（簡(jiǎn)稱“海底電纜”）是指過(guò)江、河、湖、海敷設(shè)在水底的電力電纜，主要使用在海島與大陸或海島與海島之間的電網(wǎng)連接、橫跨大河或海灣的陸上架空輸電線路的連接、陸地與海上石油平臺(tái)以及海上石油平臺(tái)之間的相互連接[1]。

隨著我國(guó)沿海海島經(jīng)濟(jì)及海島風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展，島與大陸、島與島之間的海底電纜有朝著大容量傳輸方向發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于海底電纜，由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，絕大部分敷設(shè)于海底，又有鋼絲鎧裝，所以它的傳輸損耗相對(duì)于陸上電纜而言是很大的。而海底電纜的敷設(shè)分為3個(gè)部分，即海中段、陸上段、空氣段。其中陸上段的散熱條件不如海中，故載流量是3段中最小的，約為海中部分和空氣部分的60%；因此，提高陸上段的允許載流量是提高海底電纜載流量的關(guān)鍵。

本文以110 k V 1×630 mm2交聯(lián)海底電纜為研究對(duì)象，以IEC 60287[2－3]為計(jì)算基礎(chǔ)，討論了提高海底電纜載流量的各種方法，對(duì)提高海底電纜運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。

1 參數(shù)設(shè)定

本文以110 k V 1×630 mm2交聯(lián)海底電纜為例進(jìn)行討論。

1.1 海底電力電纜結(jié)構(gòu)

海底電力電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海底電力電纜結(jié)構(gòu)

由于水底的地質(zhì)和水文情況的特殊性，海底電纜的敷設(shè)和運(yùn)行的條件與陸地上使用的電力電纜有較大差異；因此，海底電纜在結(jié)構(gòu)上具有不同于陸上電纜的特點(diǎn)。

1.2 敷設(shè)條件

敷設(shè)條件如表1所示。

表1 敷設(shè)條件及其參數(shù)

1.3 按IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的海底電纜海中段及陸上段的載流量

1.3.1 載流量計(jì)算公式

式中，Δθ為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體允許溫升（℃）；Wd為每相單位長(zhǎng)度介質(zhì)損耗（W／m）；T1為導(dǎo)體和金屬套之間每根線芯熱阻（K·m·W－1）；T2為金屬套和鎧裝之間熱阻（K·m·W－1）；T3為外護(hù)層熱阻（K·m·W－1）；T4為周圍介質(zhì)熱阻（K·m·W－1）；n為電纜中導(dǎo)體芯數(shù)；R為導(dǎo)體在其最高工作溫度下的交流電阻（Ω／m）；λ1為金屬套總損耗相對(duì)于導(dǎo)體總損耗的比率；λ2為鎧裝總損耗相對(duì)于導(dǎo)體總損耗的比率，其中，金屬套或鎧裝總損耗相對(duì)于導(dǎo)體總損耗的比率λ包括環(huán)流損耗（λ′）和渦流損耗（λ″）。

1.3.2 計(jì)算海中段及陸上段的具體參數(shù)及載流量

表2為未采取措施時(shí)海中段及陸上段參數(shù)表。

表2 未采取措施時(shí)海中段及陸上段參數(shù)

由上述計(jì)算可知，陸上段載流量比海中段載流量小很多，僅為海中段的52.7%。

2 提高海底電力電纜允許載流量的方法

由于陸上段載流量是整個(gè)海底電纜載流量的瓶頸，故提高載流量也就是要提高陸上段的載流量，使其符合設(shè)計(jì)要求。

假設(shè)設(shè)計(jì)所要求的I＝800 A，若按照上述所示的結(jié)構(gòu)，雖然其海中段I＝948.6 A，但陸上段I＝500.2 A，顯然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，故提出幾種提高載流量的方法。

2.1 提高載流量的傳統(tǒng)方法

一般要增加海底電纜的載流量有兩種常規(guī)方法：① 增加導(dǎo)體截面積；② 采用全銅單絲鎧裝。

2.1.1 增加導(dǎo)體截面積

若采用增加導(dǎo)體截面積的方法（由住友制造的廈門集美—廈門高崎的海底電纜采用此法），當(dāng)電纜導(dǎo)體截面積需由630 mm2增大到2 500 mm2時(shí)，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 增加導(dǎo)體截面積時(shí)海中段及陸上段參數(shù)

此方法雖提高了載流量，但陸上段I＝655.1 A，還是沒(méi)有滿足要求，若再增加導(dǎo)體截面積，則會(huì)影響在生產(chǎn)流轉(zhuǎn)過(guò)程中的吊裝、運(yùn)輸環(huán)節(jié)，從而減小了單根制造長(zhǎng)度，同時(shí)消耗了很多銅材（其導(dǎo)體用量約為原來(lái)的4倍）；而且由于截面積的增加，其外徑變得很大，同時(shí)按此結(jié)構(gòu)，鋼絲鎧裝根數(shù)將由原來(lái)的47根增加到64根，另外還要增加其他材料的消耗。

此外，隨著線芯截面積的增大，金屬護(hù)層的損耗急劇增加。如上計(jì)算，當(dāng)導(dǎo)體截面積為630 mm2時(shí)，陸上段的λ1＝1.63，而當(dāng)導(dǎo)體截面積為2 500 mm2時(shí)，陸上段的λ1＝3.14，所以，即使增加導(dǎo)體截面積，載流量也增加有限，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 采用全銅單絲鎧裝

由于海底電纜采用兩端接地方式，且鋼絲鎧裝能產(chǎn)生很大的磁損耗，一般金屬護(hù)層（包括鎧裝）的傳輸損耗是導(dǎo)體損耗的80%以上。采用全銅絲鎧裝后，能使金屬護(hù)層損耗降至線芯導(dǎo)體損耗的30%，從而大幅度提高海底電纜的載流量（由耐克森（Nexans）公司制造的海南海口—廣東湛江的海底電纜采用此方法）。

由于敷設(shè)和使用環(huán)境條件不同，與陸上電纜相比，海底電纜對(duì)機(jī)械性能有更嚴(yán)格的要求，海底電纜必須能承受在敷設(shè)及回修時(shí)的拉、扭等各種應(yīng)力的作用，并使電纜在使用時(shí)免受外力（如拋錨、拖網(wǎng)等）破壞，尤其是使用銅絲鎧裝，其抗拉強(qiáng)度沒(méi)有鋼絲大，為了不使海底電纜在敷設(shè)時(shí)被拉斷，必須考慮銅絲鎧裝的機(jī)械強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)需要。

根據(jù)計(jì)算，銅絲的安全裕度K＝P／T＝4.02，其中，P為銅絲的機(jī)械強(qiáng)度（由于國(guó)內(nèi)敷設(shè)水深基本不超過(guò)100 m，故現(xiàn)假定敷設(shè)水深為100 m），P＝34.6 t；T為電纜自敷設(shè)船上入水后的拉力（電纜單位長(zhǎng)度質(zhì)量為32.2 kg／m），T＝8.6 t。

所以，在銅絲的安全裕度K符合要求的情況下，將本文所述的電纜鎧裝層改為全銅絲結(jié)構(gòu)（47根直徑為6 mm的銅絲）后可大大提高載流量，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 采用全銅單絲鎧裝時(shí)海中段及陸上段參數(shù)

此時(shí)陸上段的I＝813.1 A，符合設(shè)計(jì)要求。此方法雖然能在不影響單根制造長(zhǎng)度的情況下大幅度提高載流量，但對(duì)銅材消耗很大，大大增加了制造成本。

2.2 提高載流量的創(chuàng)意新方法

2.2.1 強(qiáng)迫冷卻法

電纜載流量一般在計(jì)算環(huán)節(jié)主要考慮以下因素：環(huán)境溫度校正、假定電纜回路數(shù)、土壤熱阻系數(shù)、電纜埋深、電纜本體熱阻以及持續(xù)運(yùn)行最高允許溫度等。所有這些因素圍繞的都是一個(gè)主題，即電纜運(yùn)行的環(huán)境溫度以及散熱條件。而電纜一般都是在自然散熱條件下工作的，即靠自然冷卻來(lái)保持熱的穩(wěn)定。對(duì)于海底電纜，陸上段土壤的熱阻系數(shù)要比海中段大，即散熱條件較差，這也是造成陸上段載流量遠(yuǎn)低于海中段的因素之一。所以，可以考慮進(jìn)一步冷卻陸上段海底電纜，降低環(huán)境溫度，從而達(dá)到降低土壤熱阻系數(shù)、加快散熱的目的，以提高海底電纜的載流量。

用人工對(duì)電纜進(jìn)行加速冷卻的方法，稱為電纜的人工冷卻（或強(qiáng)迫冷卻）。按冷卻部位相對(duì)于電纜的部位可以分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩大類[4]。

由于外部冷卻的限制較少，所以采用在陸上段電纜相間同時(shí)埋設(shè)冷卻水管的方法，以幫助降低電纜埋設(shè)處的溫度來(lái)提高海底電纜的載流量。相對(duì)于幾千米至幾十千米的海纜長(zhǎng)度，陸上段（一般為100～200 m）冷卻水管的增加費(fèi)用可以忽略不計(jì)。陸上段現(xiàn)場(chǎng)布置模擬圖如圖2所示。

圖2 陸上段現(xiàn)場(chǎng)布置模擬圖

如圖2所示，為了使每相電纜都有相同的冷卻效果，兩根水管在三相電纜等間距的位置埋設(shè)，并通以循環(huán)水，再在終端前設(shè)一個(gè)圓形逆流式玻璃鋼冷卻塔來(lái)增強(qiáng)冷卻效果。

一般海底電纜登陸點(diǎn)都比較荒僻，冷卻塔可建在終端站內(nèi)，無(wú)需額外土地，便于管理，而且埋設(shè)水管、放置冷卻塔簡(jiǎn)便易行，不會(huì)影響電纜的敷設(shè)。對(duì)于已使用的海底電纜系統(tǒng)，也可以利用此方法進(jìn)行改造，以提高現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸容量。雖然此方法尚未在實(shí)際線路中運(yùn)用，但根據(jù)上海電纜廠有限公司長(zhǎng)期研究的結(jié)果，應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元法模擬熱場(chǎng)計(jì)算，采用水管冷卻法能大大提高陸上段的允許載流量，具有較為廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

現(xiàn)簡(jiǎn)述使用有限元法對(duì)電纜熱場(chǎng)的計(jì)算。取1 000 m×1 000 m×1 200 mm的電纜，使用有限元分析軟件Solidworks Simulation進(jìn)行熱力分析：土壤表面溫度為30℃，并設(shè)置為空氣對(duì)流散熱；對(duì)于電纜各層及水管、水、土壤等相應(yīng)材料賦予相應(yīng)的材料屬性，如密度、導(dǎo)熱系數(shù)等；導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為90℃；水溫根據(jù)冷卻塔的出水溫度設(shè)置為22℃。運(yùn)行分析后得到如圖3所示，圖4為熱力圖解。

圖3 電纜溫度分布圖

圖4 電纜最外層溫度為53.57℃

圖4中，模型以電纜中心為原點(diǎn)，測(cè)距單位為mm，在（X，Y，Z）＝（－0.117，0，0.398）處，即電纜最外層處，其溫度為53.57℃。如圖4所示，使用Solidworks Simulation分析得出的最外層溫度為53.57℃。由于T4對(duì)載流量的影響已經(jīng)在有限元分析時(shí)考慮進(jìn)去了，故在計(jì)算陸上敷設(shè)段載流量時(shí)，T4不計(jì)算在內(nèi)，則陸上段

符合設(shè)計(jì)要求。雖然載流量得到了提高，但此方法有待在實(shí)際線路中進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.2 陸上段剝除鎧裝法

當(dāng)海底電纜在敷設(shè)或回修時(shí)，由于海水的深度、電纜的自重以及敷設(shè)機(jī)械的作用，電纜上會(huì)受到很大的機(jī)械應(yīng)力（拉伸、扭轉(zhuǎn)和張力下彎曲）。此外，海底電纜運(yùn)行在復(fù)雜的水下環(huán)境中，還會(huì)受到船只拋錨、捕魚(yú)作業(yè)等外機(jī)械力的破壞；因此，為了使海底電纜能承受各種機(jī)械應(yīng)力的作用并抵抗外力損壞，一般采用鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)。

由于鋼絲鎧裝會(huì)產(chǎn)生很大的磁損耗，而陸上敷設(shè)段不會(huì)遇到如在水下的復(fù)雜環(huán)境，故可在陸上段把鋼絲鎧裝剝?nèi)ィ蕴岣咻d流量。此時(shí)，陸上段

此方法雖然能消除鋼絲磁損耗，但如果仍采用兩端終端有效接地的方法，陸上段的環(huán)流損耗將隨著金屬護(hù)層截面積減小（因鎧裝已去除）而增大，故載流量增加有限，僅為630.4 A，還是無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；因此，若采用在上岸處抱箍裝備處有效接地，并在終端處保護(hù)接地，使陸上段的金屬護(hù)層損耗只有渦流損耗（僅為導(dǎo)體損耗的1%以下），能大幅提高陸上段的允許載流量。

抱箍裝置處接地要包括鉛護(hù)層有效接地（要能承受幾百安培的接地電流），而且抱箍裝置在潮涌時(shí)會(huì)被海水浸沒(méi)，接地處必須要有密封措施，有一定的難度，上海電纜廠有限公司經(jīng)過(guò)研發(fā)，已掌握此項(xiàng)技術(shù)，且已取得了實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 2010 20288555.8）。

如圖5所示，在海底電纜上岸處采用抱箍裝置固定鋼絲，然后在陸上段剝?nèi)ヤ摻z，使內(nèi)護(hù)套成為外護(hù)套；同時(shí)，在抱箍裝置處安裝密封接地裝置，使電纜鉛包處和接地線有效連接；最后在終端處保護(hù)接地。這樣陸上段電纜鉛護(hù)套只有渦流損耗（僅為導(dǎo)體損耗的1%以下），大大提高了陸上段電纜的允許載流量，接近甚至超過(guò)海中段的允許載流量。

圖5 陸上段接地裝置的三維示意圖

按IEC 60287的公式計(jì)算得出，電纜在陸上段安裝接地裝置后

完全滿足了800 A載流量的設(shè)計(jì)要求。此方法不僅不需要改變電纜的結(jié)構(gòu)，而且裝置簡(jiǎn)單，易于操作，大大節(jié)約了材料消耗。

2.3 提高載流量的方法的經(jīng)濟(jì)性分析

表5為2種提高載流量方法的經(jīng)濟(jì)性比較。由于制造電纜的主要生產(chǎn)成本為金屬材料（如銅絲、鋼絲、鉛合金等），故在經(jīng)濟(jì)性比較中只列出了金屬材料的消耗。此外，因強(qiáng)迫冷卻涉及的日常維護(hù)費(fèi)用也未列入。

表5中，銅絲以每噸7.2萬(wàn)元計(jì)，合金鉛以每噸1.8萬(wàn)元計(jì)，鋼絲以每噸0.78萬(wàn)元計(jì)。

表5 2種提高載流量方法的經(jīng)濟(jì)性比較

由表5數(shù)據(jù)比較可看出，鋼絲鎧裝帶接地裝置所需的金屬材料費(fèi)用最少，為63.0萬(wàn)元／km，比全銅絲鎧裝節(jié)約了85.2萬(wàn)元／km，若按年產(chǎn)100 km計(jì)算，用此接地裝置的電纜比全銅絲鎧裝結(jié)構(gòu)電纜每年節(jié)約了8 520萬(wàn)元。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合了110 k V 1×630 mm2交聯(lián)海底電纜在各種情況下的載流量計(jì)算，分析了對(duì)電纜載流量的影響因素，有針對(duì)性地提出了一些提高海底電纜載流量的方法和措施，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)于提高載流量的傳統(tǒng)方法，即增加導(dǎo)體截面積、采用全銅單絲鎧裝，雖然能提高一定的載流量，但這兩種方法都有局限性：前者金屬護(hù)層損耗比值很大，載流量增加有限；后者對(duì)銅的材料消耗很大，大大提高了制造成本。同時(shí)，這兩種方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即海中段、空氣段的允許載流量遠(yuǎn)大于陸上直埋段的允許載流量，造成能力放空。

（2）對(duì)于在陸上段電纜相間同時(shí)埋設(shè)冷卻水管的方法，雖然能有效改善電纜的散熱條件，但需要有人維護(hù)，增加了用工成本，故比較適合于改造已使用的海底電纜系統(tǒng)，以提高現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸容量。

（3）對(duì)于采用海底電纜陸上段剝?nèi)ユz裝層，上岸抱箍裝置處金屬護(hù)層有效接地的方法，不但能大大減少材料消耗，降低生產(chǎn)成本，而且操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)無(wú)需提供能源，大大減少陸上段的電力損耗。同時(shí)能使各段的允許載流量基本趨于一致，消除海中段的能力放空。

[1] 李宗延.電力電纜施工手冊(cè) [M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2] International Electrotechnical Commission.IEC 60287－1－1，Electric cables－Calculation of the current rating－Part 1－1：Current rating equations（100%load factor）and calculation of losses－General[S].Switzerland：IEC Publications，2006.

[3] International Electrotechnical Commission.IEC 60287－2－1，Electric cables－Calculation of the current rating－Part 2－1：Thermal resistance－Calculation of thermal resistance[S].Switzerland：IEC Publications，2006.

[4] 王春江.電線電纜手冊(cè)（1）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.