國內外海底電纜現有問題總結解決與未來展望

李勃昊 何京梅 王圓圓 張劍 高福棟 楊佳明

摘 ?要：為滿足碳峰值碳中和發展需求與海底電纜設計需要，本文介紹了國產化海底電纜發展現狀及成就以及海底電纜部分結構的典型特點，總結了我國海纜存在的主要問題，包括海底電纜的載流量計算與軟接頭技術，并對其存在的問題提出了部分的解決辦法此外還介紹了新型電纜絕緣材料聚丙烯與低頻電纜等，最終對未來技術和材料進行展望。

關鍵詞：海底電纜 ?載流量 ?聚丙烯 ?遠距離輸電

中圖分類號：TM201.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0024-04

Summary and Solution of Existing Problems of Submarine Cable at Home and Abroad and Its Future Prospect

LI Bohao ?HE Jingmei* ?WANG Yuanyuan ?ZHANG Jian ?GAO Fudong ?YANG Jiaming

（Harbin University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang province， 150080 ?China）

Abstract： In order to meet the needs of carbon peak carbon neutralization development and submarine cable design， this paper introduces the development status and achievements of domestic submarine cable and the typical characteristics of submarine cable structure， summarizes the main problems of submarine cable in China， including the current carrying capacity calculation and soft joint technology of submarin;e cable， and puts forward some solutions to the existing problems. Finally， the future technology and materials are prospected.

Key Words： Submarine; Current carrying capacity; Polypropylene; Long-distance transmission

隨著我國經濟的不斷發展，對電能的需求日益增加。習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上的講話指出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。未來，綠色能源將逐步取代傳統能源，其中，風能即是一種優質的清潔能源。我國海上可開發風能資源豐富，“十三五”期間，我國積極推進海上風電建設，風電場大多建立在近海區域。為獲取更多的海上風能資源，海上風電項目將逐漸向深海、遠海方向發展。

海上風電場的電能輸送離不開高質量的海纜。相比全架空方案，采用海纜輸電具有投資少，施工周期短，穩定性高的優勢。隨著海上風電裝機量增長，對海纜的需求必將逐年增加，這給海上風電和海底電纜的發展帶來了重要的機遇。本文從國產化海纜制造取得的成就、海纜的結構及海纜的技術問題等角度進行了論述。

1 ?國產化海底電纜發展現狀及成就

我國海纜的發展歷程曲折艱難，最早的一條海底電纜可追溯到1976年中國上海到日本熊本縣芩北的海纜，而如今，2016年啟動建設的浙江舟山500kV聯網輸變電工程，是我國海纜的里程碑式工程。該項目由新建架空線和海纜線路建成線路，海纜線路敷設在寧波鎮海和舟山大鵬島之間，整體海纜的長度約為17km，是世界上第一個交流500kV XLPE絕緣海底電纜工程[1]。東方電纜、亨通光電、中天科技三家中國企業成功研發了大長度500kV XLPE海底電纜，該項目的電纜分別于2018年12月和2019年6月投入運行，投運后運行狀況良好。經過科學工程人員的不斷努力，我國的幾家電纜制造商已經確立了其在全球海纜領域的行業地位，為我國后續的海上風電開發提供了雄厚的技術保障。

2 ?海底電纜部分結構的典型特點

三芯交流海纜的典型結構如圖1所示，包括成纜捆扎帶、內襯層、鋼絲鎧裝、外被層、光纜單元 、阻水導體、導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、半導電阻水層、合金鉛套、塑料增強保護層、填充條。采用三芯結構可以有效降低鎧裝層及鉛套中的損耗，從而提升載流量。單芯直流海纜結構如圖2所示，包括瀝表和聚丙烯外披層、鋼絲鎧裝、聚丙烯內墊層、光纜單元、填充條、聚乙烯護套、鉛套、半導電阻水層、絕緣屏蔽、阻水銅導體、導體包帶和擠出導體屏蔽、絕緣。直流輸電沒有電容電流，適合大長度輸電，是未來的遠海風電場輸電的重要配套裝備。

3 ?海底電纜面臨的問題與研究進展

3.1 絕緣材料與半導電屏蔽料

目前我國220kV及以上的交流電纜及±160kV高壓直流電纜的絕緣料與屏蔽料全部依賴進口，主要的供應商是北歐化工，其生產的超凈絕緣料和超光滑屏蔽料在世界范圍內得到了廣泛的應用。近年來，由國家電網牽頭，聯合國內石化公司、材料及電纜制造商，攻關高壓電纜絕緣料，取得重大突破。目前，已自主研發國產220kV交流絕緣料及±535kV直流電纜絕緣料，產品均已通過型式試驗，即將在工程中應用。但是，半導電屏蔽料仍需攻關，絕緣料的品質與穩定性仍需提升。尤其是具有抗焦燒、短去氣時間及耐空間電荷積累的絕緣料還有待開發。

3.2 載流量核算

傳統的載流量計算的方法現在有3種，分別為試驗測試法、解析計算法、數值法。試驗測試法是，3種方法當中最精確的，但是需要進行實地模擬，所以會導致成本過高，并且通用性差;而可以快速準確計算電纜載流量的解析計算法，只適用于單回路敷設情況，所以在計算多回路敷設時，該方法與實際值會產生一些偏差。所以說，前兩種方法雖然有其部分優點，卻也分別有著不可忽視的缺點，并不適合做精細的海底電纜載流量的計算。做海底電纜載流量以及溫度場分析時，最好的方法是數值解法，其中，能很好的模擬各敷設情況下電纜的實際運行情況的有限元法，可以解決前兩種方法的缺點，既省去了實地測試成本，又保證了計算精度，在海底電纜的載流量計算方面、相較于前兩種方法有著較大的優勢[2]。

海底電纜的導體無法做分割，集膚效應與鄰近效應使得導體交流電阻變大;由于海底電纜的金屬護套無法交叉互聯，護套環流大;為滿足耐受機械應力要求，海纜必須裝配鎧裝層，導致渦流損耗大;以上因素使得海底電纜的損耗顯著大于陸纜。還需考慮的是海底電纜所處的環境是動態變化的，海水的溫度以及流動速度都會影響海底電纜的載流量。由于影響因素眾多，通過列出電路與熱路方程的方式，往往難以獲得準確的結果。通過有限元仿真，建立電-熱-流仿真模型，是解決該難題的有效方法。使用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件，利用三維電–熱–流多物理場耦合方法，建立了在電-熱-流仿真基礎下的高壓直流海底電纜及其敷設環境模型，由上述仿真模型和可知海纜溫度變大時載流量會變大，同時絕緣層溫差越來越大，呈增大趨勢，載流量有臨界值，如果絕緣層偏外層電場大于偏內層電場，則此時載流量會超出臨界值[3]。因為海底電纜的結構愈加復雜，電纜中任何的金屬構件都可能對損耗和感應電勢產生一定的影響，使用解析法等傳統載流量的數學算法去計算電纜中金屬構件的作用時往往算不準，所以使用有限元法探究這些金屬構件的作用效果，再利用物理場仿真技術分別建立二維、三維模型，從而更好地減少經典簡單電路模型所帶來的對載流量的計算誤差，利用電-熱-流仿真模型，從而得到一定電流下線芯的最高溫度，從而多次計算得到絕緣允許最高長期使用溫度下的電纜載流量[4]。

3.3 軟接頭技術

隨著未來遠海風電場的建設，大長度海底電纜的需求將會增大。然而，交聯聚乙烯電纜在生產過程中，為避免焦燒顆粒進入絕緣層，連續生產時間通常不能過長，需將電纜經接頭來連接，達到規定長度。海底電纜無法應用預制式電纜頭，在大多數情況下海底電纜都需要用到模塑式的接頭即軟接頭。軟接頭不僅需要滿足電氣性能，還需要承受一部分機械應力，技術難度較大。雖然軟接頭結構簡單，但其制作工序難，尤其在擠出溫度、擠出速度、導體焊接、硫化溫度等方面，需要經驗積累。軟接頭中恢復絕緣與本體絕緣的界面被認為是絕緣弱點，由于本體絕緣前期已經固化，恢復絕緣熔體在交聯過程中，很可能與已交聯的本體絕緣層粘合較差。決定模注式接頭品質的另一要素是注塑時模具中的溫度是否達到要求，目前的加熱方式都是由外向內，內部溫度是否達到要求不可知。另外，熔體在模具中流動充盈過程無法通過試驗手段表征，注塑工藝參數沒有相關理論進行指導。目前，通過有限元流體動力學仿真可以對熔體在模具中的流動過程進行模擬，從而指導注塑工藝參數的選用。

3.4 電纜絕緣材料

隨著海上資源的發展，海纜對于材料的需求將會越來越苛刻，海底電纜的材料將會變成重中之重。目前，交聯聚乙烯（XLPE）是電纜材料的首選，它結構簡單、重量輕、耐熱好、負載能力強、不融化、耐化學腐蝕、機械強度高。但是，XLPE依舊存在著許多的問題。

XLPE絕緣電纜在高壓直流輸電過程中，產生和積累的空間電荷是聚合物絕緣材料需要面對的重要問題，它始終限制著聚合物絕緣材料在高壓直流輸電電纜中的應用。除此之外，XLPE的制備方法中，輻射交聯法一次性的投資費用大，操作和維護技術復雜，而且運行中安全防護問題也比較苛刻;過氧化物交聯法制備需要在高溫高壓和幾十米（甚至上百米）的專用管道進行連續加熱，設備占據空間大，能量消耗大，生產效率低，生產的XLPE材料的長度受到了限制，同時也限制了該技術在中小型生產企業的應用;兩步法交聯工藝的缺點是生產流程長，生產設備較多，且容易混入雜質;一步法交聯工藝的缺點是工藝技術要求高，投資較大。生產過程復利用，最后只能焚燒，而焚燒帶來的白色污染不利于環境。

綜上所述，交聯聚乙烯于絕緣電纜的應用具有一定的局限性。首先，交聯聚乙烯絕緣電力電纜去氣時間長，耗時耗力[5]。其次，XPLE因為自身熱固性的特點，無法進行重構，遂尋找新的可以代替交聯聚乙烯的電纜材料是必要的。基于此，筆者認為，聚丙烯絕緣材料是目前很多海纜的首選材料。。

因為聚丙烯絕緣電纜可大長度輸出，且聚丙烯樹脂材料易得，材料價格相對便宜，加工工藝簡便。它的耐熱性和耐化學性也較好，熔點較高，不存在燒焦等問題，可以耐長期工作高溫。其次，聚丙烯機械強度較高，由于結晶度較高，具有良好的抗拉性，耐刮磨性，不存在環境應力開裂問題。在面對海水和微生物侵蝕的時候性能良好，還可以通過在聚丙烯繩中加入碳黑或者紫外線吸收劑來解決一部分抗紫外線老化問題。除此之外，聚丙烯相比于其他材料具有良好的電學性能，具有較好的擊穿強度和體電阻率，沒有交聯劑產物。而且聚丙烯是熱塑性可回收，具有環保優勢，大容量直流電纜技術和節能減排的需求都符合。

但是，聚丙烯的低溫沖擊性能較差和低導熱能力，使得會有電荷積聚在直流場下聚合物空間，導致電樹枝容易老化。另外，聚丙烯的剛性和模量低、成品收縮率大、低溫脆性大和易老化[6]，所以目前無法大規模進行應用。不過隨著對聚丙烯海纜材料的進一步研究，相關學科的進一步發展，未來有望代替XLPE。

3.5 低頻電纜

在近距離水下輸電時，目前的主流方案為工頻輸電，而隨著海上風電的進一步開發，人們需要更遠的輸電距離（<50km），此時工頻輸電因為其頻率較高等原因、存在著漏電流、引線電感、還有導致電壓脈沖波動情況下發熱的ESR以及較大的電阻的缺點，這會導致出現電纜中的能量被浪費等問題。一部分人采取BDL濾波器、改善材料、控制電纜長度等方法解決如上問題，但是這些辦法不僅增加了工程造價，而且還有一部分方法不適合遠距離輸電。那么在這種遠距離大容量的輸電情況下（50km150km）中，直流輸電無電容等損耗能量、線路造價較低，無系統穩定性問題以及調節快速等優點，不過其有換流裝置很昂貴、有諧波影響、缺乏直流開關等缺點，所以并不將其作為非超遠距離輸電時的優選，目前在低頻電纜以及直流輸電問題上還有這很大的改進空間，尤其在材料方面亟待開發。

4 ?結語

我國有著很強的海纜研究生產機構，但是與國外還是有著一定差距。目前基于三維電–熱–流多物理場耦合方法，建立了在電-熱-流仿真基礎下的高壓直流海底電纜及其敷設環境模型，通過有限元法可以對載流量進行有效計算，不過軟接頭的注塑工藝參數等問題還有待解決。在電纜材料領域，聚丙烯電纜可大長度輸出，其材料易得，價格便宜，但是在技術層面上還存在著很大的問題，未來或許可以代替XLPE。而在短距離海上輸電時（<50km）可以采取工頻輸電，在中長距離輸電時（50km150km）可以采取直流輸電。

參考文獻

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[3] 郝艷捧，陳云，陽林，等.高壓直流海底電纜電–熱–流多物理場耦合仿真[J].高電壓技術，2017，43（11）：3534-3542.

[4] 邵啟兵.分相鉛包海底電纜感應電勢及損耗研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

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