海南聯(lián)網(wǎng)工程牛皮紙絕緣和PPL紙絕緣充油海底電纜技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

，，(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

0 引 言

海南聯(lián)網(wǎng)工程在確定了500 kV交流聯(lián)網(wǎng)方式和600 MW輸送容量后，適合于工程具體條件的電纜型式為自容式充油電纜，供選擇的絕緣材料和鎧裝主要有兩種型式：牛皮紙絕緣銅鎧裝和PPL紙絕緣鋼絲鎧裝+回流導(dǎo)體(以下簡稱牛皮紙電纜和PPL電纜)[1]，兩種電纜在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上各有特點，應(yīng)以技術(shù)性能優(yōu)和工程投資低作為出發(fā)點，綜合多方面因素選擇合適的海底電纜型式。兩種電纜的特點簡述如下：

1)牛皮紙電纜。牛皮紙的全稱是針葉樹木漿牛皮紙(conifer pulp kraft paper)。牛皮紙密度低(0.7～0.8 g/cm3)，可在降低介質(zhì)損耗的同時，對低粘度絕緣油保持較高的滲透率[2]。對于超高壓交流電纜，通過去離子水漂洗可以進(jìn)一步降低損耗。牛皮紙可以按不同的厚度(50～180 μm)制造生產(chǎn)以滿足不同的絕緣要求。對于交流海底電纜，靠近導(dǎo)體處電場強(qiáng)度高，可以選用較薄的紙帶，增加紙帶層數(shù)提高絕緣強(qiáng)度；絕緣層外部電場強(qiáng)度較低，可以選用偏厚的紙帶，減少層數(shù)，提高生產(chǎn)速度和彎曲性能[3]。牛皮紙電纜的制造和使用經(jīng)驗已有半個多世紀(jì)的歷史，各方面技術(shù)成熟、實踐經(jīng)驗豐富、價格相對較低。目前來說，牛皮紙仍然是交流海底電纜首選的絕緣材料之一。相對PPL電纜，牛皮紙電纜的缺點是損耗較高，制造的電纜電容較大，需要系統(tǒng)提供更多無功補(bǔ)償。

2)PPL電纜。20世紀(jì)80年代以來，一種新型的絕緣材料PPL紙(laminates composed of paper layers and polypropylene layers)出現(xiàn)并成功應(yīng)用于海底電纜制造。PPL紙也稱聚丙烯牛皮紙復(fù)合紙，是一種聚合物薄膜增強(qiáng)紙帶[]。這種復(fù)合紙有不同的復(fù)合方式，如牛皮紙-聚丙烯薄膜-牛皮紙、聚丙烯薄膜-牛皮紙-聚丙烯薄膜等，從而形成絕緣物質(zhì)不同的2層、3層或更多層結(jié)構(gòu)。PPL紙在交流條件下比牛皮紙絕緣強(qiáng)度高，而介質(zhì)損耗低，制造的電纜電容小。PPL紙絕緣海底電纜已具有多個工程應(yīng)用實例，均應(yīng)用在直流海底輸電工程，且運(yùn)行良好。目前的設(shè)計方案，PPL電纜采用的是應(yīng)用在直流海底輸電工程的鋼絲鎧裝。當(dāng)用于交流輸電時，由于鋼絲鎧裝渦流損耗比銅鎧裝大大增加，為降低損耗，需單獨設(shè)計銅質(zhì)回流導(dǎo)體，從而削弱了PPL紙絕緣低損耗的優(yōu)勢[4]。而牛皮紙絕緣電纜若采用鋼絲鎧裝，則可能導(dǎo)致電纜無法經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而不得不采用成本較高的銅線鎧裝。

目前，國際上超高壓充油海底電纜廠家對于牛皮紙電纜和PPL電纜的生產(chǎn)現(xiàn)狀不盡相同[5]。有的兩種均能生產(chǎn)，有的只能生產(chǎn)一種，有的雖均能生產(chǎn)，但只有一種具有生產(chǎn)經(jīng)驗。由于兩種電纜的技術(shù)參數(shù)具有明顯差別，性能各異，因此，必須通過多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較才能最終確定電纜型式。

根據(jù)海南聯(lián)網(wǎng)工程經(jīng)驗，主要考慮以下因素：電纜價格、系統(tǒng)無功補(bǔ)償投入、初始投資、運(yùn)行損耗、利用小時數(shù)和電網(wǎng)電價等[2]。海南聯(lián)網(wǎng)工程最終采用了牛皮紙電纜，下面根據(jù)工廠A、工廠B和工廠C提供的電纜參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，其中工廠A以生產(chǎn)牛皮紙電纜為主，工廠B和工廠C以生產(chǎn)PPL電纜為主。

1 基本模型和數(shù)據(jù)

以海南聯(lián)網(wǎng)工程為例，建立圖1模型并列出相關(guān)數(shù)據(jù)，作為進(jìn)一步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較的基礎(chǔ)。電纜長度31 km，徐聞和福山配置高抗補(bǔ)償。兩側(cè)架空線長度各14 km，架空線為4×300導(dǎo)線，電氣參數(shù)R=0.025 6 Ω/km，X=0.282 3 Ω/km，C=0.012 8 μF/km，B=4.02×10-6S/km[6]。

海底電纜運(yùn)行時分3段處于不同的運(yùn)行環(huán)境：空氣中、陸地埋設(shè)段、海中埋設(shè)段。空氣中電纜較短，約10余米；陸地埋設(shè)段是電纜溫度控制段，電纜溫度最高，單位損耗最大；海中埋設(shè)段長度最長，是損耗計算的主體。計算時忽略空氣中電纜段，分陸地埋設(shè)段、海中埋設(shè)段兩段計算，長度分別取4 km、27 km[7]。

圖1 海底電纜計算模型

2 介質(zhì)損耗

一般介質(zhì)損耗可用下式計算：P=U02×C×ω×tgδ，當(dāng)電纜絕緣部分的尺寸一致時，兩種絕緣材料的介質(zhì)損耗比可以表達(dá)為

P1/P2=(εr1/εr2)×(tgδ1/tgδ2)

兩種材料的相對介電常數(shù)(ε)和介質(zhì)損耗角正切值(tgδ)各廠家略有不同，典型值如表1所示。

表1 兩種絕緣材料介質(zhì)參數(shù)的典型值

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行計算，可見P1/P2或(P1/P3)的比值范圍約為2.46～3.11。根據(jù)工廠A和工廠B提供的電纜詳細(xì)參數(shù)(見表2)，兩種電纜的介質(zhì)損耗設(shè)計值分別為16.6 W/m和7.0 W/m(比例為2.37)。

表2 海南聯(lián)網(wǎng)工程采用的牛皮紙電纜和一種PPL電纜的主要參數(shù)表

注：①工廠B未提供海中電纜的溫度和電阻，這里暫按與N纜邊界一致條件來計算海中交流電阻(0.027 4 Ω/km)及相應(yīng)電阻損耗，其他損耗(除介質(zhì)損耗)均根據(jù)與導(dǎo)體損耗的比值計算得到[8-9]。

3 其他損耗

為便于比較，表2列出了海南聯(lián)網(wǎng)工程采用的牛皮紙電纜(由工廠A生產(chǎn))和一種PPL電纜(由工廠B生產(chǎn))的主要參數(shù)，后者采用鋼絲鎧裝配合銅質(zhì)回流導(dǎo)體。

電纜沿線各點的電流幅值和相位都在變化，當(dāng)兩端采用1/2等量補(bǔ)償、保證福山變線路末端功率因數(shù)為0.98時，電纜末端電流分別達(dá)到最大值815 A和774 A，兩種電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到90℃。電纜損耗計算按導(dǎo)體溫度均為90℃且環(huán)境條件相同進(jìn)行計算。

4 補(bǔ)償裝置費(fèi)用

電纜的電容不同，在系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償容量也不同，從而影響工程總投資。根據(jù)海南聯(lián)網(wǎng)工程招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書的要求，傳輸600 MW時，福山站電壓取525 kV，功率因數(shù)取0.98。

工廠A電纜的充電電流為22.8 A/m，采取電纜兩端同時補(bǔ)償方式，補(bǔ)償容量為各兩組180 Mvar并聯(lián)高抗。兩端設(shè)備總費(fèi)用(未計安裝和基礎(chǔ)費(fèi)用，下同)為4 320萬元[6]。

工廠B電纜的充電電流為19.4 A/m，采取電纜兩端同時補(bǔ)償方式，補(bǔ)償容量為兩組120 Mvar并聯(lián)高抗。兩端設(shè)備總費(fèi)用為2 880萬元。

可見，采用牛皮紙電纜比PPL電纜的補(bǔ)償費(fèi)用高出1 440萬元。

5 運(yùn)行損耗比較

運(yùn)行損耗費(fèi)用采用如下年金現(xiàn)值系數(shù)公式計算：

式中：n為運(yùn)行年限，本工程取30年；r為年利率，分別取7%、8%、9%，則m分別為12.41、11.26、10.27。

電價取0.4元/kWh、0.5元/kWh、0.6元/kWh，假設(shè)年運(yùn)行小時數(shù)取8 000 h，最大負(fù)荷運(yùn)行小時分別取3 000 h、4 000 h、5 000 h，兩種電纜的年運(yùn)行損耗費(fèi)用差值如表3。

可以看到，當(dāng)最大負(fù)荷運(yùn)行小時數(shù)大于3 000 h，PPL電纜的運(yùn)行費(fèi)用總體略高于牛皮紙電纜。

根據(jù)第4節(jié)、第5節(jié)的計算結(jié)果，綜合考慮無功補(bǔ)償高抗費(fèi)用和年運(yùn)行損耗費(fèi)用，PPL電纜與牛皮紙電纜在綜合成本上基本相當(dāng)，當(dāng)最大負(fù)荷運(yùn)行小時數(shù)大于4 000 h，PPL電纜略高。

表3 兩種電纜30年運(yùn)行年限損耗費(fèi)用差值表(PPL電纜-牛皮紙電纜) 單位：萬元

6 電纜價格

影響電纜制造價格的因素較多，根據(jù)調(diào)研，PPL電纜一般比牛皮紙電纜高10%左右。按工程經(jīng)驗，可取1 000元/m進(jìn)行計算，則PPL的總投資高于牛皮紙電纜，對于海南聯(lián)網(wǎng)工程，該投資差約為7 500萬元至1億元。因此，采用PPL電纜的經(jīng)濟(jì)性并不好。

7 結(jié) 語

根據(jù)前面論述，可以得出以下結(jié)論：

1)在500 kV交流電壓下，PPL比牛皮紙的介質(zhì)損耗低、所需高抗補(bǔ)償設(shè)備少，但這種差別不足以使PPL電纜在綜合投資上具優(yōu)勢。對于直流電纜或其他電壓等級，有必要進(jìn)一步再討論。

2)從表2可以看出，所選取的PPL電纜鉛套和加強(qiáng)帶損失、回流導(dǎo)體及鎧裝的損耗明顯高于牛皮紙電纜，對所得結(jié)果影響較大。

3)海南聯(lián)網(wǎng)工程路由最大海深100 m左右，從機(jī)械強(qiáng)度而言，沒必要采用鋼絲鎧裝[10-11]。因此，若僅將牛皮紙更換為PPL紙，同時采用銅鎧裝，則消除了回流導(dǎo)體損耗和鋼鎧裝渦流損耗，有助于推廣PPL電纜的應(yīng)用；

4)關(guān)于長期運(yùn)行溫度，早期牛皮紙一般取85℃，PPL紙取90℃，但是現(xiàn)在越來越多的牛皮紙也取90℃運(yùn)行，從而抵消了PPL紙的運(yùn)行溫度優(yōu)勢；

5)海南聯(lián)網(wǎng)工程采用牛皮紙絕緣、銅鎧裝自容式單芯充油海底電纜在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是合適的。

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