陸海段不等徑海纜匹配方案與載流能力提升研究

孫 璐，樂彥杰，阮天余，張 磊，劉宗喜

（1.國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江 舟山 316021；3.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074）

0 引言

海底電纜（以下簡稱“海纜”）是海上風電工程、偏遠海域海島供電、長距離跨海電纜送電和區域電網互聯中跨海聯網的重要裝備。隨著“雙碳”目標的確立和行動的開展，海洋風電新能源開發戰略迅速推進，海洋經濟開發規模不斷擴大，對海纜的需求規模日益增大，海纜技術朝著更高電壓等級、更大運行長度和更高輸送容量方向發展。

海上風電等新能源依靠海纜輸送到陸地上，由于登陸段土壤熱阻較大，與海中段相比，登陸段海纜的最大載流量降幅達40%［1］。因此，海纜線路的整體輸送能力受限于登陸段的載流量瓶頸，不能充分發揮設計輸送能力。一直以來，如何提升海纜線路的輸送能力是海洋輸電的重要課題。目前，針對海纜登陸段載流能力提升的研究主要集中在兩方面：一是剝離登陸段金屬鎧裝或采用非磁性鎧裝結構，通過改變海纜本體結構的方式來降低金屬鎧裝的損耗［2-9］；二是通過對登陸段海纜強制冷卻、回填特殊土壤以及將電纜溝充水的方式來增強海纜登陸段的外部散熱能力［1，7-14］。這些方法改善了登陸段的局部散熱條件，使海纜載流量獲得一定程度的提升，然而對海纜本體結構的改變以及外部強制條件的方法增加了其設計制造成本和運行維護投入。

本文采用轉換接頭技術［15］連接不同截面的交流220 kV 海纜線路登陸段與海中段，通過分析不同截面海纜的載流能力，參照架空線與電纜的截面匹配方法［16-17］，建立差異化的海纜登陸段與海中段導體截面匹配方法，為海纜線路設計選型提供參考。

1 交流海纜損耗計算

1.1 海纜概況

220 kV 單芯海纜和三芯海纜結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 單芯海纜結構示意圖

圖2 三芯海纜結構示意圖

根據GB/T 32346.2—2015《額定電壓220 kV（Um=252 kV）交聯聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件 第2 部分：大長度交流海底電纜》，單芯海纜的標稱導體截面有400 mm2、500 mm2、630 mm2、800 mm2、1 000 mm2、1 200 mm2、1 400 mm2、1 600 mm2、1 800 mm2和2 000 mm2，同時考慮現有工程中更大的導體截面規格2 500 mm2；三芯海纜的標稱導體截面有400 mm2、500 mm2、630 mm2、800 mm2和1 000 mm2，同時考慮現有工程中更大的導體截面規格1 200 mm2、1 400 mm2和1 600 mm2。單芯海纜和三芯海纜的導體半徑和絕緣厚度如表1所示［18］。

表1 不同截面交流220 kV海纜導體半徑與絕緣厚度

1.2 損耗計算

根據IEC 60287提供的方法對海纜的導體、護套和鎧裝損耗進行計算。單芯海纜和三芯海纜的鉛套和金屬鎧裝兩端都是直接接地，3根單芯在海底通常平行敷設且不換位，三芯海纜在生產制造時螺旋線式的三相結構已實現了三相的換位。對于單芯磁性（鋼絲）鎧裝交流海纜，通常認為其鉛套和鎧裝的損耗近似相等。對于單芯非磁性（銅絲）交流海纜，可以護套和鎧裝并聯電阻為等效電組，以護套直徑和鎧裝直徑的均方根代替護套的平均直徑，鉛套和鎧裝的損耗按其電阻成反比分配。三芯海纜通常采用分相鉛包和金屬絲鎧裝統包的型式。

單芯、三芯海纜的損耗如表2所示。其中，S為海纜導體等效截面積；R為導體交流電阻；Wi為單位長度海纜絕緣層介質損耗功率；λ1和λ2分別為海纜鉛套和鎧裝的損耗系數。

表2 鎧裝海纜導體芯交流電阻、絕緣損耗、鉛套損耗與鎧裝損耗

2 220 kV交流海纜實際載流能力計算

2.1 計算模型

采用有限元方法分別計算海中段和登陸段海纜的實際載流能力。220 kV 單芯海纜在海中段和登陸段的計算模型如圖3所示。

圖3 海中段和登陸段海纜的計算模型示意圖

三芯海纜可參照單芯海纜。由于單芯海纜在海底的敷設相間距離通常大于20 m，可認為三相海纜之間的熱場互不影響。海纜登陸段電纜溝頂寬3.5 m，底寬1 m，溝深3 m；海中段海纜埋深2 m。地底最高溫度為30 ℃，海水表面及空氣最高溫度為40 ℃。海纜及其外部敷設環境中各材料的導熱系數如表3所示。

表3 材料的導熱系數W（/m·K）

2.2 海纜載流能力

220 kV交流海纜實際載流能力如圖4、圖5所示。海纜登陸段和海中段的導體截面相同時，登陸段海纜的載流能力普遍比海中段下降15%～20%；導體截面越大，登陸段載流能力下降越大，鋼絲鎧裝海纜登陸段載流能力下降大于銅絲鎧裝海纜。對于單芯海纜，鋼絲鎧裝更換為銅絲鎧裝后海纜載流能力增大，且隨著導體截面增大載流能力提升越大，對于登陸段尤為明顯，最大可提高40%。相同導體截面的三芯海纜的載流能力小于單芯海纜；采用鋼絲鎧裝時，隨導體截面增大，三芯海纜載流能力比單芯海纜的下降程度有所減小，采用銅絲鎧裝時則相反，登陸段和海中段海纜載流能力的變化特征相似。

圖4 220 kV單芯海纜實際載流能力

圖5 220 kV三芯海纜實際載流能力

由上述載流能力變化情況可知，海纜登陸段載流能力的下降是影響整個海纜線路輸送能力的關鍵原因，銅絲鎧裝海纜較大的載流能力體現了提升海纜輸送能力的方向，鋼絲和銅絲鎧裝三芯海纜載流能力的不同變化特點則預示海纜登陸段和海中段的不等徑導體截面匹配具有其獨特性。

3 海纜導體截面匹配

以海纜登陸段的最大載流量為基準參考，對不同導體截面的單相、三相海纜在鋼絲鎧裝和銅絲鎧裝進行海中段與登陸段的載流量匹配。匹配原則為登陸段載流量稍大于海中段電纜，得到圖6—9所示的不同導體截面匹配方案。

對比圖6—9 可知，對于任一種登陸段海纜型式，所匹配的海中段海纜導體截面由小到大依次為：單芯銅絲鎧裝、單芯鋼絲鎧裝、三芯銅絲鎧裝、三芯鋼絲鎧裝。除登陸段為銅絲鎧裝單芯海纜外，與其余型式登陸段海纜匹配的海中段海纜截面積均小于登陸段。

圖6 登陸段為220 kV鋼絲鎧裝單芯海纜的匹配結果

圖7 登陸段為220 kV銅絲鎧裝單芯海纜的匹配結果

4 不等徑海纜匹配方案的經濟性評價

對圖6—9 所示不等徑海纜匹配方案進行輸送能力和制造成本分析。一般來說，海纜芯銅導體成本約占較大截面海纜制造成本的50%，銅絲鎧裝海纜的銅導體成本比重更高。因此，海纜所需的金屬材料成本在成纜制造成本中舉足輕重。根據金屬期貨價格，金屬銅價格為71.77 元/kg，金屬鉛價格為15.1元/kg，金屬鋼價格為4.58元/kg。

圖8 登陸段為220 kV鋼絲鎧裝三芯海纜的匹配結果

圖9 登陸段為220 kV銅絲鎧裝三芯海纜的匹配結果

由于不等徑海纜匹配原則為登陸段載流量稍大于海中段，如此匹配后，海纜線路的實際輸送能力等于海中段的輸送能力。根據導體截面的匹配方案，得到匹配后220 kV 海纜可達到的輸送能力如表4所示。一般情況下，海纜海中段比登陸段長度長，海纜線路的成本主要集中在海中段，以海中段作為主要觀察對象，在登陸段與海中段長度比為1:9的條件下，單位輸送容量的海纜金屬材料成本如表5 所示。表4 和表5 中的加粗字為海中段和登陸段海纜未匹配前的輸送能力和金屬材料成本。

表4 220 kV海纜線路不等徑匹配可達到的輸送能力

表5 220 kV海纜線路不等徑匹配單位輸送容量的海纜金屬材料成本

4.1 輸送能力和單位成本特征

1）海纜線路登陸段采用單芯海纜可達到的輸送容量比三芯海纜大，登陸段和海中段均采用單芯海纜時輸送容量較大，登陸段和海中段采用單芯銅絲鎧裝海纜時輸送容量最大。

2）登陸段采用三芯海纜時線路輸送容量較小，登陸段、海中段鎧裝金屬材質的差異對輸送容量影響甚微，海中段海纜宜用鋼絲鎧裝，以減少制造成本。

3）登陸段采用單芯銅鎧海纜比單芯鋼鎧海纜的輸送容量大，但單位容量的金屬材料成本較高。

4）登陸段和海中段分別采用單芯和三芯海纜時，鎧裝金屬材質差異對輸送容量影響不大，但單芯海纜采用銅鎧的成本較高。

5）登陸段為三芯海纜時，線路輸送容量增大將大幅降低單位容量的金屬材料成本；登陸段為單芯海纜時，僅在海中段采用單芯銅絲鎧裝海纜時具有上述現象，其余情況下，線路輸送容量增大，單位容量的金屬材料成本也增大。

6）海纜線路全線采用同一種型式時，單芯鋼絲鎧裝海纜的單位容量成本最優。

4.2 不等徑海纜的匹配原則

由此，從匹配效果和經濟性角度出發，得出不等徑海纜的主要匹配原則如下：

1）若需要海纜線路的輸送容量盡可能大，其登陸段和海中段均應采用銅絲鎧裝單芯海纜。

2）海纜線路所需輸送容量較小時，宜采用登陸段三芯海纜與海中段鋼絲鎧裝海纜進行配合，海中段單芯鋼絲鎧裝海纜的單位容量成本最優，海中段三芯鋼絲鎧裝海纜次之。

3）同時要求海纜線路輸送容量較大以及單位容量成本可控時，應采用全線路單芯鋼絲鎧裝海纜進行配合。

4）登陸段單芯海纜、海中段為三芯銅絲鎧裝海纜的組合以及登陸段三芯海纜、海中段為單芯銅絲鎧裝海纜組合的單位容量成本偏高，因此不推薦，尤其是后一種組合方式的輸送能力非常小。

5 結論

采用解析方法和數值方法對220 kV 海纜的損耗和實際載流能力進行計算分析，對不等徑海纜進行海中段與登陸段的載流量匹配，評價了不等徑海纜匹配方案的經濟性，得到以下結論：

1）海纜導體截面越大，登陸段載流能力下降越大。單芯海纜的鋼絲鎧裝更換為銅絲鎧裝后載流能力增大，且隨著導體截面增大載流能力提升越大，對于登陸段尤為明顯。

2）按照登陸段載流量稍大于海中段海纜的匹配原則，與登陸段海纜型式所匹配的海中段海纜導體截面由小到大依次為：單芯銅絲鎧裝、單芯鋼絲鎧裝、三芯銅絲鎧裝、三芯鋼絲鎧裝。

3）登陸段和海中段均采用銅絲鎧裝單芯海纜時，線路可獲得最大輸送能力；海纜線路所需輸送容量較小時，宜采用登陸段三芯海纜與海中段鋼絲鎧裝海纜進行配合；海纜全線路采用單芯鋼絲鎧裝海纜不等徑匹配，可兼顧海纜線路較大輸送容量和單位容量成本可控的要求。

4）不等徑海纜登陸段與海中段匹配方案，有利于降低海纜線路的制造成本，大幅提高海纜線路的實際輸送能力，這依賴于不等徑海纜轉換接頭技術的成熟度和可靠性。不等徑轉換接頭技術尚需優化，不等徑海纜的導體連接、絕緣界面拼接、單/三相海纜不等徑連接以及銅鎧和鋼鎧拼接帶來的機械性能和電氣性能問題，仍需進一步研究分析，以加強不等徑海纜接頭技術的可靠性。通過轉換接頭將不同規格的海纜相連接的應用模式，需開展長期試驗加以驗證。