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（簡稱“海底電纜”）是指過江、河、湖、海敷設在水底的電力電纜，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以及海上石油平臺之間的相互連接[1]。

隨著我國沿海海島經濟及海島風力發電的不斷發展，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展的趨勢。對于海底電纜，由于長度較長，絕大部分敷設于海底，又有鋼絲鎧裝，所以它的傳輸損耗相對于陸上電纜而言是很大的。而海底電纜的敷設分為3個部分，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鍵。

本文以110 k V 1×630 mm2交聯海底電纜為研究對象，以IEC 60287[2－3]為計算基礎，討論了提高海底電纜載流量的各種方法，對提高海底電纜運行的經濟性和穩定性具有一定的參考價值。

1 參數設定

本文以110 k V 1×630 mm2交聯海底電纜為例進行討論。

1.1 海底電力電纜結構

海底電力電纜結構如圖1所示。

圖1 海底電力電纜結構

由于水底的地質和水文情況的特殊性，海底電纜的敷設和運行的條件與陸地上使用的電力電纜有較大差異；因此，海底電纜在結構上具有不同于陸上電纜的特點。

1.2 敷設條件

敷設條件如表1所示。

表1 敷設條件及其參數

1.3 按IEC 60287標準計算的海底電纜海中段及陸上段的載流量

1.3.1 載流量計算公式

式中，Δθ為高于環境溫度的導體允許溫升（℃）；Wd為每相單位長度介質損耗（W／m）；T1為導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為外護層熱阻（K·m·W－1）；T4為周圍介質熱阻（K·m·W－1）；n為電纜中導體芯數；R為導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于導體總損耗的比率；λ2為鎧裝總損耗相對于導體總損耗的比率，其中，金屬套或鎧裝總損耗相對于導體總損耗的比率λ包括環流損耗（λ′）和渦流損耗（λ″）。

1.3.2 計算海中段及陸上段的具體參數及載流量

表2為未采取措施時海中段及陸上段參數表。

表2 未采取措施時海中段及陸上段參數

由上述計算可知，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，使其符合設計要求。

假設設計所要求的I＝800 A，若按照上述所示的結構，雖然其海中段I＝948.6 A，但陸上段I＝500.2 A，顯然達不到設計要求，故提出幾種提高載流量的方法。

2.1 提高載流量的傳統方法

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

2.1.1 增加導體截面積

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

表3 增加導體截面積時海中段及陸上段參數

此方法雖提高了載流量，但陸上段I＝655.1 A，還是沒有滿足要求，若再增加導體截面積，則會影響在生產流轉過程中的吊裝、運輸環節，從而減小了單根制造長度，同時消耗了很多銅材（其導體用量約為原來的4倍）；而且由于截面積的增加，其外徑變得很大，同時按此結構，鋼絲鎧裝根數將由原來的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，金屬護層的損耗急劇增加。如上計算，當導體截面積為630 mm2時，陸上段的λ1＝1.63，而當導體截面積為2 500 mm2時，陸上段的λ1＝3.14，所以，即使增加導體截面積，載流量也增加有限，無法達到設計要求。

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，且鋼絲鎧裝能產生很大的磁損耗，一般金屬護層（包括鎧裝）的傳輸損耗是導體損耗的80%以上。采用全銅絲鎧裝后，能使金屬護層損耗降至線芯導體損耗的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?？凇獜V東湛江的海底電纜采用此方法）。

由于敷設和使用環境條件不同，與陸上電纜相比，海底電纜對機械性能有更嚴格的要求，海底電纜必須能承受在敷設及回修時的拉、扭等各種應力的作用，并使電纜在使用時免受外力（如拋錨、拖網等）破壞，尤其是使用銅絲鎧裝，其抗拉強度沒有鋼絲大，為了不使海底電纜在敷設時被拉斷，必須考慮銅絲鎧裝的機械強度是否符合設計需要。

根據計算，銅絲的安全裕度K＝P／T＝4.02，其中，P為銅絲的機械強度（由于國內敷設水深基本不超過100 m，故現假定敷設水深為100 m），P＝34.6 t；T為電纜自敷設船上入水后的拉力（電纜單位長度質量為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構（47根直徑為6 mm的銅絲）后可大大提高載流量，具體參數見表4。

表4 采用全銅單絲鎧裝時海中段及陸上段參數

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

2.2 提高載流量的創意新方法

2.2.1 強迫冷卻法

電纜載流量一般在計算環節主要考慮以下因素：環境溫度校正、假定電纜回路數、土壤熱阻系數、電纜埋深、電纜本體熱阻以及持續運行最高允許溫度等。所有這些因素圍繞的都是一個主題，即電纜運行的環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，即靠自然冷卻來保持熱的穩定。對于海底電纜，陸上段土壤的熱阻系數要比海中段大，即散熱條件較差，這也是造成陸上段載流量遠低于海中段的因素之一。所以，可以考慮進一步冷卻陸上段海底電纜，降低環境溫度，從而達到降低土壤熱阻系數、加快散熱的目的，以提高海底電纜的載流量。

用人工對電纜進行加速冷卻的方法，稱為電纜的人工冷卻（或強迫冷卻）。按冷卻部位相對于電纜的部位可以分為內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埋設冷卻水管的方法，以幫助降低電纜埋設處的溫度來提高海底電纜的載流量。相對于幾千米至幾十千米的海纜長度，陸上段（一般為100～200 m）冷卻水管的增加費用可以忽略不計。陸上段現場布置模擬圖如圖2所示。

圖2 陸上段現場布置模擬圖

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，并通以循環水，再在終端前設一個圓形逆流式玻璃鋼冷卻塔來增強冷卻效果。

一般海底電纜登陸點都比較荒僻，冷卻塔可建在終端站內，無需額外土地，便于管理，而且埋設水管、放置冷卻塔簡便易行，不會影響電纜的敷設。對于已使用的海底電纜系統，也可以利用此方法進行改造，以提高現有系統的傳輸容量。雖然此方法尚未在實際線路中運用，但根據上海電纜廠有限公司長期研究的結果，應用計算機有限元法模擬熱場計算，采用水管冷卻法能大大提高陸上段的允許載流量，具有較為廣泛的經濟效益和社會效益。

現簡述使用有限元法對電纜熱場的計算。取1 000 m×1 000 m×1 200 mm的電纜，使用有限元分析軟件Solidworks Simulation進行熱力分析：土壤表面溫度為30℃，并設置為空氣對流散熱；對于電纜各層及水管、水、土壤等相應材料賦予相應的材料屬性，如密度、導熱系數等；導體最高運行溫度為90℃；水溫根據冷卻塔的出水溫度設置為22℃。運行分析后得到如圖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，測距單位為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對載流量的影響已經在有限元分析時考慮進去了，故在計算陸上敷設段載流量時，T4不計算在內，則陸上段

符合設計要求。雖然載流量得到了提高，但此方法有待在實際線路中進一步驗證。

2.2.2 陸上段剝除鎧裝法

當海底電纜在敷設或回修時，由于海水的深度、電纜的自重以及敷設機械的作用，電纜上會受到很大的機械應力（拉伸、扭轉和張力下彎曲）。此外，海底電纜運行在復雜的水下環境中，還會受到船只拋錨、捕魚作業等外機械力的破壞；因此，為了使海底電纜能承受各種機械應力的作用并抵抗外力損壞，一般采用鋼絲鎧裝結構。

由于鋼絲鎧裝會產生很大的磁損耗，而陸上敷設段不會遇到如在水下的復雜環境，故可在陸上段把鋼絲鎧裝剝去，以提高載流量。此時，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，陸上段的環流損耗將隨著金屬護層截面積減?。ㄒ蜴z裝已去除）而增大，故載流量增加有限，僅為630.4 A，還是無法滿足設計要求；因此，若采用在上岸處抱箍裝備處有效接地，并在終端處保護接地，使陸上段的金屬護層損耗只有渦流損耗（僅為導體損耗的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會被海水浸沒，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過研發，已掌握此項技術，且已取得了實用新型專利（專利號：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，然后在陸上段剝去鋼絲，使內護套成為外護套；同時，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；最后在終端處保護接地。這樣陸上段電纜鉛護套只有渦流損耗（僅為導體損耗的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載流量的設計要求。此方法不僅不需要改變電纜的結構，而且裝置簡單，易于操作，大大節約了材料消耗。

2.3 提高載流量的方法的經濟性分析

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

表5中，銅絲以每噸7.2萬元計，合金鉛以每噸1.8萬元計，鋼絲以每噸0.78萬元計。

表5 2種提高載流量方法的經濟性比較

由表5數據比較可看出，鋼絲鎧裝帶接地裝置所需的金屬材料費用最少，為63.0萬元／km，比全銅絲鎧裝節約了85.2萬元／km，若按年產100 km計算，用此接地裝置的電纜比全銅絲鎧裝結構電纜每年節約了8 520萬元。

3 結 語

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

（1）對于提高載流量的傳統方法，即增加導體截面積、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：前者金屬護層損耗比值很大，載流量增加有限；后者對銅的材料消耗很大，大大提高了制造成本。同時，這兩種方法有一個共同的缺點，即海中段、空氣段的允許載流量遠大于陸上直埋段的允許載流量，造成能力放空。

（2）對于在陸上段電纜相間同時埋設冷卻水管的方法，雖然能有效改善電纜的散熱條件，但需要有人維護，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，以提高現有系統的傳輸容量。

（3）對于采用海底電纜陸上段剝去鎧裝層，上岸抱箍裝置處金屬護層有效接地的方法，不但能大大減少材料消耗，降低生產成本，而且操作簡單，運行時無需提供能源，大大減少陸上段的電力損耗。同時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 [M].北京：中國電力出版社，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（1）[M].北京：機械工業出版社，2001.