高壓直流海纜選型及防護

高玲玲， 袁 杰

（舟山電力局，浙江舟山316000）

高壓直流海纜選型及防護

高玲玲， 袁 杰

（舟山電力局，浙江舟山316000）

以實際海纜工程設計為例，首先，通過對直流電纜絕緣材料分析以及電纜載流量的計算，確定高壓直流海纜的型號；其次，通過對直流海纜與通信電纜臨近情況分析，計算得出直流海纜與通信電纜并行敷設時安全距離以及交叉時直流海纜與通信電纜交叉角度控制；最后，詳細給出了海纜與管線交越及不良地質處敷設保護性措施的兩種方案，綜合其優缺點，采用了保護套管保護的方案。

高壓直流海纜；海纜選型；敷設保護

0 引 言

舟山是座“千島之城”，海域面積達到2.08萬平方公里，陸域面積僅僅1 440 km2。由于特殊的地理環境，常常用海纜作為電氣連接紐帶。本工程海纜路由長度約16 km，海域狀況十分復雜，既涉及到眾多航線、港口、捕撈區，又與海域里多根管線交叉，并且海底地質相當復雜，給設計帶來很大難度。

該工程設計中存在諸多難題：海纜選型；海纜對管線電磁影響；海纜敷設保護措施。本工程海纜路由見圖1。

1 高壓直流海纜選型分析

1.1 高壓直流海纜絕緣選型

傳統的海纜類型按絕緣主要分為粘性浸漬紙絕緣電纜、紙絕緣充油電纜和交聯聚乙烯（XLPE）絕緣擠包高壓直流電纜。XLPE是目前海底電纜絕緣材料的首選。

圖1 海纜路由走線示意圖

自上世紀80年代，XLPE絕緣的質量和擊穿耐受電壓有了顯著改善，現在既可用于陸纜又可用于海纜。

目前世界上最先進的XLPE絕緣擠包直流電纜技術是采用新型的三層聚合材料擠壓的單極性電纜，它由導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠，導體一般為銅材單芯導體，具有高強度、環保和方便掩埋等特點，適合用于深海等惡劣環境。

粘性浸漬紙絕緣電纜用于高直流電壓等級的海底大功率傳輸，最高適用于直流500 kV。目前，世界上最長的海纜工程就是這類電纜，海纜長為580 km（NorNed工程，2008年），但這種電纜國內尚未有制造廠家生產。

充油電纜用補充浸漬劑消除絕緣材料中形成的氣隙以提高電纜工作場強，電氣性能可靠，機械性能良好。但其海底電纜的尺寸大、單位長度的質量較重，敷設落差受到油壓的限制，傳輸功率小，安裝維護復雜，并且存在漏油的可能，對海底環境影響極大，因此充油海底電纜的發展空間必然會受到限制。

同充油直流海底電纜相比，交聯直流海底電纜的尺寸小、質量輕，對敷設環境落差要求不高，傳輸功率大，安裝維護方便，并且對環境影響較小，非常環保。相關研究表明，擠包型XLPE絕緣直流海底電纜具有快速、容易接續和安裝等特點，非常適合柔性直流輸電工程。本工程直流陸纜和海纜推薦采用銅導體XLPE絕緣電力電纜。

1.2 高壓直流海纜截面的選擇

1.2.1 高壓直流海纜的運行條件

（1）系統額定電壓U0：±200 kV

（2）系統短期最高工作電壓Um：±220 kV

（3）雷電沖擊耐受電壓（峰值）：550 kV

（4）系統頻率：0 Hz

（5）系統接地方式：兩端接地系統

（6）額定輸送容量：100 MW

（7）最大短路電流：15 kA，持續時間3 s

（8）電纜導體的額定運行溫度：70℃

（9）電纜線路設計使用年限：不小于30年

（10）電纜彎曲半徑：安裝時不小于20倍電纜外徑，安裝后不小于15倍電纜外徑。

1.2.2 高壓直流海纜截面的選擇

本工程海纜從岱山換流站出線至入海口，途經山地、公路、海塘，采用的敷設方式有直埋、排管及電纜溝三種形式。

本工程直流電纜最大輸送容量為100 MW，計算可得本工程電纜載流量需達到250 A。電纜載流量計算公式：

式中：△θ為導體溫升（℃）；I為導體中流過的電流（A）；R為最高運行溫度的直流電阻（Ω）；T1、T2、T3、T4為電纜各部分熱阻（K·m/W）。

從海底電纜的生產技術、運行、維護等角度考慮，本工程擬采用±200kV XLPE單芯海底電纜。本工程海纜的使用條件及其載流量如下：

（1）海底情況，環境溫度為25℃，土壤熱阻為0.8 K·m/W，纜間距50 m，I=660A；

（2）灘涂情況，環境溫度為28℃，土壤熱阻為1.2 K·m/W，纜間距5 m，I=565A；

（3）登陸段，環境溫度為35℃，土壤熱阻為1.5 K·m/W，纜間距0.5 m，I=459A。

陸上電纜的使用條件及其載流量計算如下：

（1）電纜溝，環境溫度為40℃，纜間距0 m，I= 619A；

（2）排管，環境溫度為40℃，纜間距0.25 m，I=495A；

（3）直埋，環境溫度為30℃，土壤熱阻為1.5 K·m/W，纜間距0.25 m，I=548A。

經計算，1×300 mm2的單芯銅導體XLPE直流海纜可滿足輸送容量要求。其設計結構圖見圖2。

圖2 海底電纜設計結構示意圖

2 直流海纜與通信電纜臨近敷設時電磁干擾安全距離分析

直流電纜正常運行時無交變磁場產生，不會對外面的金屬產生感應電動勢。因此，對于直流海纜輸電工程，主要考慮直流海纜在故障狀態下對臨近通信電纜的影響。

海纜與通信電纜臨近情況有兩種，平行或交叉，根據這兩種情況分別建立計算模型，并進行詳細分析。

2.1 平行敷設時電磁干擾安全距離分析

平行情況下，采用計算模型如圖3所示。

圖3 單根海纜短路故障時對通信電纜影響示意圖

計算條件如下：直流線路工作電壓±200 kV；海纜對海面深度20 m；布置方式：直流海纜位于通信電纜上方，上下間距1 m，假設海纜距通信電纜在30～50 m發生故障。

單位長度上的縱向感應電動勢計算公式如下：

式中：ω為短路電流等效角頻率，ω=2πf（rad/s）；μ0為真空磁導率；Id為電力電纜屏蔽層短路電流，Id= 15 kA；d為電力電纜與通信電纜的中心距（m）；D為通信電纜金屬護套外直徑，D=25 cm。

圖4為單極短路故障時，通信電纜在不同位置處的暫態感應動勢。由圖4可看出，考慮最嚴重的情況，通信電纜位置恰好處于故障海纜正下方，在通信電纜上由磁耦合感應出的電壓最大值接近800 V，隨著通信電纜距離海纜的距離增加，磁感應電壓急劇減小，當間距增加到1 m的時候，磁感應電壓減小到580.5 V，參照GB 6830-1986給出的650 V限值，此時可以滿足要求。

圖4 單極短路故障時，通信電纜在不同位置處的暫態感應電動勢

2.2 交叉敷設時電磁干擾安全距離分析

海底電纜與通信電纜交叉影響主要考慮跨越、上下交叉等影響，簡化示意圖見圖5。這里以較為嚴重的情況為例，海底電纜容量100MVA，與通信電纜平行距離為16 km的情況進行交叉變換，以1m為間距進行計算，交叉角度θ從0～90°變化，計算結果如圖6所示。

圖5 通信線路與海纜交叉的計算示意圖

由圖6可以看出，單極短路故障時，通信電纜在不同交叉角度時的暫態感應電動勢隨著交叉角度的增大急劇減小，超過10°，暫態感應電動勢下降為0。從電磁場的角度很好理解，那就是當通信電纜與電力電纜交叉時，由于長度遠大于中心間距，可以近似認為通信電纜對于電力電纜中心對稱交叉，這樣在通信電纜上的磁通方向相反，產生的感應電動勢會完全抵消。因此，即使在安全間距極小的情況下小角度交叉，也能滿足電壓限值的要求。

圖6 單極短路故障時，通信電纜在不同交叉角度時的暫態感應電動勢

3 海纜與管線交越及不良地質處敷設保護性措施分析

海纜正常敷設時采用拋放或埋設兩種方式，但遇到不良障礙物，如基巖、管線時，需作特殊處理。本工程設計要求海纜全程埋設，故遇到障礙物及不良地質均需采用相應技術措施。

3.1 海纜與金屬管線交越敷設保護性措施

設計根據以往海纜工程與管線交越措施的經驗，推薦兩種方案：（1）即在交越點及其兩側各30～40 m長度的海纜加裝保護管保護，不埋設（保護管見圖7）；（2）采用拋石保護。但根據該海纜路由工程地質勘察報告，本工程海纜與海底管線的交越點所處地質均為淤泥質土，此地基土承載力特征值小于80 kPa，若采用拋石方案，會引起海底管線的下沉與縱向應力，對海底管線產生不利影響。因此不宜采用拋石保護的方案。

圖7 海纜保護套管示意圖

3.2 海纜在不良地質處敷設保護性措施

對于海纜敷設而言，海底不良地質主要分為基巖、潮流沖刷槽。設計根據兩種不良地質，推薦兩種方案備選：

（1）采用海底電纜專用不銹鋼保護管保護。

過基巖區保護：海纜施工前先進行路由巖面細部勘察，采用爆破方式，去除孤石，整平基巖面，直接在巖面上開鑿電纜溝，深0.5 m，寬1.2 m，海纜套上海纜保護套管后放置槽溝內進行固定。

過潮流沖刷槽保護：海纜在敷設前，確定潮流沖刷槽位置及距離，先用埋設裝置開挖，深度不小于60 cm，再把海纜套上保護套管后敷設至溝內。

（2）采用海底電纜拋石保護。

采用拋石方案首先確定保護區域的精確坐標點，同時要計算石料層的覆蓋厚度、長度及拋石工程量。設計方案的堆石體采用了兩層結構，內層即濾層為碎石，外層即鎧裝層為組合塊石，見圖8。

圖8 拋石方案示意圖

針對堆石層設計相關計算，根據海纜敷設區域的海域條件和界入安全系數進行初步計算，選用了伊茲巴什（Isbash）公式，其數學模型見下式：

式中：Ws為塊石穩定重量（kg）；K為系數，取0.0155；ρs為塊石密度（kg/m3）；ρ0為海水的密度（g/cm3）；g為重力加速度（m/s）；V0為流速（m/s）。

表1列出了3種海流狀態下的塊石穩定重量。

表1 不同石料密度下的穩定重量表

拋石保護方案還需對塊石對海纜的沖擊力、塊石沉降的動力速度、塊石堅向運動微分方程推導、塊石水平運動方程推導、塊石沖擊速度與入射角度等方面作詳細分析，這里就不一一羅列，總之該方案是一項非常復雜、技術含量很高的工程，不僅是設計方面，更重要的是體現在施工方面，對施工單位的施工能力要求很高。目前這一項工程一般都是國外施工單位承建。

綜合分析兩種方案的造價、施工難度、施工周期等因素，最終采用海底電纜專用不銹鋼保護管保護的方案。

4 結 論

（1）通過對國內外有關高壓直流電纜絕緣型式現狀分析及對各種敷設方式的電纜載流量計算，最終確定采用單芯銅導體XLPE絕緣擠包直流電纜，電壓等級±200 kV，導體截面采用1×300 mm2，載流量為250 A。

（2）通過分析、建模，計算得出直流海纜與通信電纜平行敷設時安全距離需控制在不小于1m；交叉時，直流海纜與通信電纜交叉角度控制在不小于10°。

（3）分析比較海纜與管線交越及不良地質處敷設的兩種保護性方案，兩種方案各有優缺點：采用保護套管，可操作性強，造價低，施工難度不高；采用拋石保護，實際運行效果好，但造價很高、施工難度大。綜合考慮本工程海纜敷設保護方案采用保護套管。

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HVDC Submarine Cable Selection and Protection

GAO Ling-ling，YUAN Jie
（Zhoushan Electric Power Bureau，Zhoushan 316000，China）

Based on the actual submarine cable project design as an example，firstof all，through the DC cable insulation type analysis and ampacity calculations to determine the model of HVDC submarine cable；Secondly，through the neighboring DC submarine cable and communication cable situation analysis，the calculated DC submarine cable and communication cable laying parallel safety distance and cross the DC submarine cable crossing angle control and communications；Finally，given in detail with submarine pipeline crossing and adverse geological laid at protective measures the two programs together their strengths and weaknesses，with a protective sleeve to protect the program.

HVDC submarine cable；cable selection；laying protection

TM247.9

A

1672-6901（2014）03-0027-04

2013-10-28

高玲玲（1984-），女，助理工程師.

作者地址：浙江舟山市定海惠明橋惠飛路 600號［316000］.