提高深遠海海上風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

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

由于化石能源的過度使用，環境問題日益突出，能源轉型迫在眉睫。全球對清潔能源的需求不斷增大，風電作為清潔能源之一，將會得到更大規模的開發與使用。風場容量越來越大，離岸距離越來越遠，考慮到直流輸電較交流輸電具有輸送容量大、線路損耗小、可控性高等優點［1］，直流海纜必將成為未來深遠海風電送出的必然選擇。但高壓直流海纜造價昂貴，科學合理地優化海纜截面，將會大幅降低工程投資，因此研究提高直流海纜載流量的關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，對應海纜模型各部分名稱及具體結構參數［3］如表1 所示。

表1 直流海纜結構參數 單位：mm

圖1 DC-HYJQ41-F±535 kV 1×3 000+2×8 柔性直流海纜結構圖

2 直流海纜載流量關鍵因素分析

依據IEC60287 電纜導體標準提供的直流載流量計算公式可知，在海纜結構確定的情況下，影響載流量外界因素有環境溫度和外部熱阻，其中，環境溫度可以通過增加冷熱源調節，外部熱阻受埋深、海纜雙極間距、土壤熱阻系數等因素影響［4］。

2.1 環境溫度的影響

按照電纜敷設規程，空氣溫度一般取當地氣象局最熱月平均溫度，土壤溫度取當地最熱月平均溫度對應的土壤溫度（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是通過地表與空氣對流散熱，而土壤的埋深是熱傳導的路徑，埋深越大，熱阻越大，散熱越慢［5］。假設除埋深外其他條件不變時，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，最終趨于穩定值，該數值約為埋深1 m 時的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越來越大，最終趨于1 個穩定數值，1 m 間距時該數值約為埋深1 m 時的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關系擬合曲線如圖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行值。

圖10 1 m 等溫線

圖11 10 m 等溫線

2.4 土壤熱阻系數對載流量的影響

土壤熱阻系數越大，熱阻越大，相應海纜散熱越困難，載流量越小［6］，兩者的關系如圖12 所示。由圖12 可知，熱阻系數是載流量一個重要變量，但隨著熱阻系數變大，對載流量的影響逐漸減弱，過了拐點后其影響進一步減弱，該拐點值為3；熱阻系數小于3 時，單位熱阻系數變化，對應載流量變化約為399 A；熱阻系數大于3 后，單位熱阻系數變化，對應載流量變化約為81 A。因此，針對沙灘干燥的沙子，其熱阻系數一般為4，若將登陸段海纜周邊的沙土熱阻系數降低至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-土壤熱阻系數曲線

3 根據影響因素設計最優海纜散熱方案

海纜敷設分海中段、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，土壤熱阻系數在0.7 K·m/W～4 K·m/W 區間變化；陸上段采用電纜溝敷設，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維持在0.7 K·m/W 或以下水平，登陸段海纜就可以達到海中段海纜的載流量水平，即可解決實際工程中海纜登陸段載流量瓶頸的問題。

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

3.1 埋深

根據上文分析，埋深越小，載流量越大。根據《電力工程電纜設計標準》（GB 50217—2018），從保護角度出發，電纜埋深不得小于0.7 m，故海纜埋深按0.7 m 為最優。

3.2 雙極間距

根據上文分析，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《電力工程電纜設計標準》（GB 50217—2018）等相關規程規范，兩根電纜間距水中段不小于1.2 倍水深，登陸段可適當縮小，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。

3.3 熱阻系數

根據上文分析，熱阻系數越小，載流量越大，采用換土技術可將該段土壤熱阻系數降低至1.2 K·m/W，但與海中段熱阻系數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，該方案很難實現。

影響土壤熱阻系數的一個關鍵因素是含水量。含水量越大，熱阻系數越小。根據工程實測，濕度大于10%的沙或沙土，其熱阻系數小于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。

通過將登陸溝延伸至低潮位，并每隔一定距離設置一面阻水墻，待海纜敷設完畢且漲潮將溝內充滿海水后，原沙土回填。采用該方案后即可保證高潮位以下部分沙土時刻都泡在海水中，使得海纜周邊的土壤熱阻系數與海中段一致，達到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的登陸溝

3.4 冷熱源

根據上文分析，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，低溫的海水與溝內截留的海水可充分交換熱量，使溝內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恒溫的環境下運行。該方案相當于在海纜周邊引入了一個恒溫冷源，可進一步提高海纜載流量。

3.5 最優埋設組合參數

采用本文的優化參數后，可解決登陸段海纜載流量瓶頸問題，登陸段最優的海纜埋設參數為：埋深0.7 m、雙極間距為5 m，土壤熱阻系數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，按常規海纜埋設參數和本文最優的埋設參數進行建模計算，海中段、登陸段載流量如表3 所示。由表中數據可知，采用本文的最優埋設參數后，登陸段海纜載流量提升了40%，基本達到了海中段的海纜載流量水平，100%發揮了海纜的輸送能力。以福建閩南外海規劃的深遠海海上風電為例，其規劃的風電容量為50 GW，場區中心距離大陸120 km，若采用傳統方案需25 回直流纜（50 根海纜），采用優化方案需18 回（36 根），減少了7 回（14根）。按照目前的成本計算，可降低工程造價約294 億元，可見最優參數組合方案經濟效益可觀。

表3 不同埋設參數的載流量 單位：A

5 結論

本文基于未來大規模深遠海海上風電送出需求為背景，以目前國內最前沿的±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，并結合規程規范，創造性地提出了直流海纜最優埋設參數，并以規劃的閩南外海海上風電為例，對比了常規參數和該最優埋設參數下，海纜的輸送容量和所需的回路數。通過對比，得出了本文的最優埋設參數具有可觀的經濟效益，為未來海上風電直流海纜截面選擇提供參考。