海南聯網工程牛皮紙絕緣和PPL紙絕緣充油海底電纜技術經濟比較

，，(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

0 引 言

海南聯網工程在確定了500 kV交流聯網方式和600 MW輸送容量后，適合于工程具體條件的電纜型式為自容式充油電纜，供選擇的絕緣材料和鎧裝主要有兩種型式：牛皮紙絕緣銅鎧裝和PPL紙絕緣鋼絲鎧裝+回流導體(以下簡稱牛皮紙電纜和PPL電纜)[1]，兩種電纜在技術經濟性上各有特點，應以技術性能優和工程投資低作為出發點，綜合多方面因素選擇合適的海底電纜型式。兩種電纜的特點簡述如下：

1)牛皮紙電纜。牛皮紙的全稱是針葉樹木漿牛皮紙(conifer pulp kraft paper)。牛皮紙密度低(0.7～0.8 g/cm3)，可在降低介質損耗的同時，對低粘度絕緣油保持較高的滲透率[2]。對于超高壓交流電纜，通過去離子水漂洗可以進一步降低損耗。牛皮紙可以按不同的厚度(50～180 μm)制造生產以滿足不同的絕緣要求。對于交流海底電纜，靠近導體處電場強度高，可以選用較薄的紙帶，增加紙帶層數提高絕緣強度；絕緣層外部電場強度較低，可以選用偏厚的紙帶，減少層數，提高生產速度和彎曲性能[3]。牛皮紙電纜的制造和使用經驗已有半個多世紀的歷史，各方面技術成熟、實踐經驗豐富、價格相對較低。目前來說，牛皮紙仍然是交流海底電纜首選的絕緣材料之一。相對PPL電纜，牛皮紙電纜的缺點是損耗較高，制造的電纜電容較大，需要系統提供更多無功補償。

2)PPL電纜。20世紀80年代以來，一種新型的絕緣材料PPL紙(laminates composed of paper layers and polypropylene layers)出現并成功應用于海底電纜制造。PPL紙也稱聚丙烯牛皮紙復合紙，是一種聚合物薄膜增強紙帶[]。這種復合紙有不同的復合方式，如牛皮紙-聚丙烯薄膜-牛皮紙、聚丙烯薄膜-牛皮紙-聚丙烯薄膜等，從而形成絕緣物質不同的2層、3層或更多層結構。PPL紙在交流條件下比牛皮紙絕緣強度高，而介質損耗低，制造的電纜電容小。PPL紙絕緣海底電纜已具有多個工程應用實例，均應用在直流海底輸電工程，且運行良好。目前的設計方案，PPL電纜采用的是應用在直流海底輸電工程的鋼絲鎧裝。當用于交流輸電時，由于鋼絲鎧裝渦流損耗比銅鎧裝大大增加，為降低損耗，需單獨設計銅質回流導體，從而削弱了PPL紙絕緣低損耗的優勢[4]。而牛皮紙絕緣電纜若采用鋼絲鎧裝，則可能導致電纜無法經濟運行，從而不得不采用成本較高的銅線鎧裝。

目前，國際上超高壓充油海底電纜廠家對于牛皮紙電纜和PPL電纜的生產現狀不盡相同[5]。有的兩種均能生產，有的只能生產一種，有的雖均能生產，但只有一種具有生產經驗。由于兩種電纜的技術參數具有明顯差別，性能各異，因此，必須通過多方面的技術經濟比較才能最終確定電纜型式。

根據海南聯網工程經驗，主要考慮以下因素：電纜價格、系統無功補償投入、初始投資、運行損耗、利用小時數和電網電價等[2]。海南聯網工程最終采用了牛皮紙電纜，下面根據工廠A、工廠B和工廠C提供的電纜參數進行詳細論述，其中工廠A以生產牛皮紙電纜為主，工廠B和工廠C以生產PPL電纜為主。

1 基本模型和數據

以海南聯網工程為例，建立圖1模型并列出相關數據，作為進一步技術經濟分析比較的基礎。電纜長度31 km，徐聞和福山配置高抗補償。兩側架空線長度各14 km，架空線為4×300導線，電氣參數R=0.025 6 Ω/km，X=0.282 3 Ω/km，C=0.012 8 μF/km，B=4.02×10-6S/km[6]。

海底電纜運行時分3段處于不同的運行環境：空氣中、陸地埋設段、海中埋設段。空氣中電纜較短，約10余米；陸地埋設段是電纜溫度控制段，電纜溫度最高，單位損耗最大；海中埋設段長度最長，是損耗計算的主體。計算時忽略空氣中電纜段，分陸地埋設段、海中埋設段兩段計算，長度分別取4 km、27 km[7]。

圖1 海底電纜計算模型

2 介質損耗

一般介質損耗可用下式計算：P=U02×C×ω×tgδ，當電纜絕緣部分的尺寸一致時，兩種絕緣材料的介質損耗比可以表達為

P1/P2=(εr1/εr2)×(tgδ1/tgδ2)

兩種材料的相對介電常數(ε)和介質損耗角正切值(tgδ)各廠家略有不同，典型值如表1所示。

表1 兩種絕緣材料介質參數的典型值

根據上述參數進行計算，可見P1/P2或(P1/P3)的比值范圍約為2.46～3.11。根據工廠A和工廠B提供的電纜詳細參數(見表2)，兩種電纜的介質損耗設計值分別為16.6 W/m和7.0 W/m(比例為2.37)。

表2 海南聯網工程采用的牛皮紙電纜和一種PPL電纜的主要參數表

注：①工廠B未提供海中電纜的溫度和電阻，這里暫按與N纜邊界一致條件來計算海中交流電阻(0.027 4 Ω/km)及相應電阻損耗，其他損耗(除介質損耗)均根據與導體損耗的比值計算得到[8-9]。

3 其他損耗

為便于比較，表2列出了海南聯網工程采用的牛皮紙電纜(由工廠A生產)和一種PPL電纜(由工廠B生產)的主要參數，后者采用鋼絲鎧裝配合銅質回流導體。

電纜沿線各點的電流幅值和相位都在變化，當兩端采用1/2等量補償、保證福山變線路末端功率因數為0.98時，電纜末端電流分別達到最大值815 A和774 A，兩種電纜導體溫度達到90℃。電纜損耗計算按導體溫度均為90℃且環境條件相同進行計算。

4 補償裝置費用

電纜的電容不同，在系統中采用的補償容量也不同，從而影響工程總投資。根據海南聯網工程招標技術規范書的要求，傳輸600 MW時，福山站電壓取525 kV，功率因數取0.98。

工廠A電纜的充電電流為22.8 A/m，采取電纜兩端同時補償方式，補償容量為各兩組180 Mvar并聯高抗。兩端設備總費用(未計安裝和基礎費用，下同)為4 320萬元[6]。

工廠B電纜的充電電流為19.4 A/m，采取電纜兩端同時補償方式，補償容量為兩組120 Mvar并聯高抗。兩端設備總費用為2 880萬元。

可見，采用牛皮紙電纜比PPL電纜的補償費用高出1 440萬元。

5 運行損耗比較

運行損耗費用采用如下年金現值系數公式計算：

式中：n為運行年限，本工程取30年；r為年利率，分別取7%、8%、9%，則m分別為12.41、11.26、10.27。

電價取0.4元/kWh、0.5元/kWh、0.6元/kWh，假設年運行小時數取8 000 h，最大負荷運行小時分別取3 000 h、4 000 h、5 000 h，兩種電纜的年運行損耗費用差值如表3。

可以看到，當最大負荷運行小時數大于3 000 h，PPL電纜的運行費用總體略高于牛皮紙電纜。

根據第4節、第5節的計算結果，綜合考慮無功補償高抗費用和年運行損耗費用，PPL電纜與牛皮紙電纜在綜合成本上基本相當，當最大負荷運行小時數大于4 000 h，PPL電纜略高。

表3 兩種電纜30年運行年限損耗費用差值表(PPL電纜-牛皮紙電纜) 單位：萬元

6 電纜價格

影響電纜制造價格的因素較多，根據調研，PPL電纜一般比牛皮紙電纜高10%左右。按工程經驗，可取1 000元/m進行計算，則PPL的總投資高于牛皮紙電纜，對于海南聯網工程，該投資差約為7 500萬元至1億元。因此，采用PPL電纜的經濟性并不好。

7 結 語

根據前面論述，可以得出以下結論：

1)在500 kV交流電壓下，PPL比牛皮紙的介質損耗低、所需高抗補償設備少，但這種差別不足以使PPL電纜在綜合投資上具優勢。對于直流電纜或其他電壓等級，有必要進一步再討論。

2)從表2可以看出，所選取的PPL電纜鉛套和加強帶損失、回流導體及鎧裝的損耗明顯高于牛皮紙電纜，對所得結果影響較大。

3)海南聯網工程路由最大海深100 m左右，從機械強度而言，沒必要采用鋼絲鎧裝[10-11]。因此，若僅將牛皮紙更換為PPL紙，同時采用銅鎧裝，則消除了回流導體損耗和鋼鎧裝渦流損耗，有助于推廣PPL電纜的應用；

4)關于長期運行溫度，早期牛皮紙一般取85℃，PPL紙取90℃，但是現在越來越多的牛皮紙也取90℃運行，從而抵消了PPL紙的運行溫度優勢；

5)海南聯網工程采用牛皮紙絕緣、銅鎧裝自容式單芯充油海底電纜在技術經濟上是合適的。

[1] (德)L.Heinhold,(德)R.Stubbe著,門漢文等譯.電力電纜及電線[M]. 北京：中國電力出版社, 2001.

[2] 陳凌云，朱熙樵，李泰軍．海南聯網工程海底電纜的選擇[J]．高電壓技術，2006，32(7)：39-42．

[3] 李健，鄭偉．交流500 kV海底電力電纜結構設計[J]．電線電纜，2010(1)：11-14．

[4] Thomas Worzyk. Submarine Power Cables:Design,Installation, Repair,Environmental Aspects[M]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009.

[5] 趙健康，陳錚錚．國內外海底電纜工程研究綜述[J]．華東電力，2011，39(9)：1477-1481．

[6] Zhao Jiankang, Chen Zhengzheng. Research Overview of Domestic and Oversea Submarine Cable Projects[J]. Eastern China Electrical Power, 2011, 39(9):1477-1481.

[7] 陳政，康義，馬怡情．廣東-海南500 kV交流跨海聯網工程無功補償及電磁暫態研究[J]．電網技術，2009，33(19)：143-147．

[8] 吳慶華，陳建康，鄭偉，等．中國首條500 kV海底電纜線路工程的設計[J]．中國電業(技術版)，2014，(10)：46-54．

[9] Nexans. Technical Note, 25694-HKA-MT-15086:ISSUE 1[R].Norway: Nexans, 2003.

[10] J-Power Systems. Specification: JSP23-F0212A[R].2006.

[11] 陳凱華．海南聯網海纜敷設施工與防護[J]．南方電網技術，2009，3(5)：25-26．