大容量海上風電場500kV海底電纜選型分析

李奇

摘? 要：近年來，國家大力發展風電等新能源項目，海上風電場主要通過海底電纜將電能送出，而隨著風電場容量逐步增大，離岸距離加大，為了滿足風電場的容量需求，需考慮采用超高電壓等級的海底電纜，而這方面國內應用經驗不多，實施難度較大。該文對海底電纜的性能、選型等方面做了一定的研究，針對1 000 MW容量的風電場，從設計角度考慮，分析了500 kV海纜的選型與應用。

關鍵詞：海底電纜 海上風電場 500 kV送出系統 交流聚乙烯絕緣

中圖分類號：TM315? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In recent years， the state has vigorously developed wind power and other new energy projects， offshore wind farm is mainly through send the power cable， and with the wind farm capacity increases gradually， the offshore distance， in order to meet the demand of capacity of wind farm， using high voltage grade of submarine cable should be considered， the domestic application experience is not much， implementation is difficult，In this paper， the performance， selection and other aspects of submarine cable have been studied. For the wind farm with 1 000 MW capacity， from the design point of view， the selection and application of 500 kV submarine cable has been analyzed.

Key Words： Submarine cable; Offshore wind farm; 500 kV delivery system; Alternating current polyethylene insulation

1 500 kV交聯海底電纜的絕緣型式

220 kV及以上交流高壓海底電纜按照絕緣介質分類可分為充油式（OF）海底電纜和交聯聚乙烯（XLPE）絕緣海底電纜[1]。

交聯聚乙烯絕緣（XLPE）電力電纜具有優異的電氣性能與耐熱性能，熱穩定性和老化穩定性能也非常好，工作溫度可高達90 ℃，短路時可高達250 ℃ ，能夠輸送大容量負荷。而且XLPE絕緣電纜轉彎半徑小，重量較輕，安裝方便安全可靠，與充油和油紙絕緣電纜相比，XLPE電纜的終端連接處理也比較容易，因此安裝費用有優勢，從安全和環境保護方面來看，交聯聚乙烯絕緣沒有滲油漏油的風險[2]。

500 kV交流海底電纜采用交聯聚乙烯絕緣或充油紙絕緣的綜合對比如下。

XLPE電纜：

工作溫度： 正常 90° 緊急140° 短路 250°

介質損耗角正切（×10-4室溫）： 0.1

電纜敷設彎曲半徑：≥15D

重量：自重小，可承受牽引力大

充油紙絕緣電纜：

工作溫度： 正常 65° 緊急95° 短路 150°

介質損耗角正切（×10-4室溫）： 0.35

電纜敷設彎曲半徑：≥25D

重量：自重大，可承受牽引力小

通過以上對比可以看出，與充油電纜電纜相比，交聯聚乙烯電纜優勢明顯，具有耐熱性能好、傳輸容量大、線路損耗小、結構輕便、易于彎曲、無漏油等優點。

綜上所述，大容量海上風電場500 kV海底電纜推薦選擇交聯聚乙烯絕緣海底電纜。

2國內外500 kV交聯海底電纜應用情況

近年來，國內外500 kV高壓海纜的應用僅有一個項目。

國家電網浙江舟山500 kV聯網輸變電工程海纜第一回3×18.25 km，第二回3×17.9 km ，輸送功率均為1 100 MW，絕緣類型XLPE，生產廠家分別為中天科技海纜有限公司，寧波東方電纜股份有限公司，江蘇亨通高壓海纜有限公司。此項目已與2019年投運。

因此，500 kV海底電纜目前國內已有成功應用案例，技術可行性滿足風電場要求[3]。

3海底電纜的截面結構

海底電纜從截面形式區分，可以分為單芯或三芯電纜，單芯海底電纜與三芯海底電纜各有優劣。其中，單芯海底電纜的外徑較小，單位重量輕，中間接頭少，電纜的敷設及維修難度小，但是每回路要用3根，占用較大的用海面積，敷設費用較高。單芯海底電纜技術較為成熟，國內外廠家均可以生產。而三芯海底電纜電流負載平衡，在鎧裝中不存在感應的環流，每回路只需一根，敷設費用也低。但是其外徑大，中間接頭多，單位重量大，電纜的敷設及維修難度較大[4]。

設計中，一回路海纜采用一根三芯海纜還是三根單芯海纜，受較多因素影響，包括海纜的路由情況、施工設備、制造水平、運行維護等，單芯海纜和三芯海纜的綜合對比如下。

單芯電纜優點：載流量大（同規格時）;單根無接頭長度長;易于施工;國內廠家均可生產;維護方便，故障時搶修時間短。

單芯電纜缺點：損耗大;占海面積大;施工工作量大;易發生光纖斷纖，衰減增加的故障。

三芯電纜優點：鎧裝損耗小;占海面積小;施工工作量小。

三芯電纜缺點：單根無接頭長度短;施工設備要求高;單相故障時需更換三相接頭，搶修時間長。

從上述分析比較可知，單芯三芯海纜各有優劣，下面將根據載流量計算結果，選擇高壓海底電纜采用單芯或三芯的幾種方案，做進一步選型比較[5]。

4? 500 kV海底電纜選型

4.1載流量計算

電纜長期允許通過的載流量是電纜的一項重要的運行參數，載流量是指當電纜中通過電流，熱穩定后，電纜導體的溫度恰好達到長期允許工作溫度時的電流值。電纜長期容許載流量應滿足持續工作電流的要求。電纜載流量與電纜的材料、結構形式、敷設方式、環境條件以及運行工況等因素有關。電纜長期允許最高工作溫度該文中取90 ℃[6]。

根據IEC 60287-1-1《Electric cables-Calculation of current rating-part1-1》：“載流量計算”， 交流電纜連續載流量可以由以下公式計算：

4.2? 500 kV海底電纜截面選型

500 kV海底電纜應考慮將整個1 000 MW風電場的電能送出，額定載流量要求如下。

項目傳輸容量：1 250 MVA;電壓等級：525 kV;海纜路徑長度：100 km;額定載流量要求：1 375 A

根據額定載流量要求，風電場送出500kV海底電纜設計了3個方案。

方案一：選擇1回路500 kV單芯1×1 800 mm2，1回路共3根，銅絲鎧裝;

方案二：選擇1回路500 kV單芯1×2 000 mm2，1回路共3根，銅絲鎧裝;

方案三：選擇2回路500 kV三芯3×1 200 mm2，2回路共2根，鋼絲鎧裝。

針對以上3個方案分別計算載流量，按幾個最不利敷設環境考慮，通過計算得到表1。

從表1可以看出，3個風電場送出500 kV海底電纜的方案均滿足載流量要求。將此3個方案海纜的綜合參數進一步對比。

5結語

通過該文的各項對比可以看出，三芯3×1 200 mm2海纜節約占海面積，符合集約用海政策。2回送出線路，在單根海纜故障時仍能送出一半的電能，其停電損失較小，1 000 MW容量風電場送出較單芯海纜節省1根海纜投資，因此成本相對低。但3×1 200 mm2海纜目前沒有實際生產以及運行業績，同時也缺乏試驗驗證，通過調研海纜生產廠家得知生產設備具備生產3×1 200 mm2海纜的能力。

而單芯1×1 800 mm2海纜由于已有實際運行業績并通過了型式試驗報告及預鑒定報告，整根海纜硬接頭少，因此從技術性角度考慮，單芯1×1 800 mm2海纜技術更成熟可靠。

綜合經濟性與技術性考慮，單芯1×1 800 mm2海纜與3×1 200 mm2海纜均能滿足該文1 000 MW大容量項目需求，現階段從可行性出發暫推薦技術成熟的單芯1×1 800 mm2海纜作為1 000 MW大容量風電場500 kV送出方案。實際工程在設計時可根據后續500 kV交聯海纜發展情況選擇單芯或三芯海纜。

參考文獻

[1] 宋育章.淺析海上風力發電的現狀及展望[J].中國設備工程，2021（21）：258-259.

[2] 許新鑫，趙陸堯.探究66kV集電海纜在我國大型海上風電項目中的應用[J].機電信息，2019（30）：23-24.

[3] 常勝，李炬添，張振，等.海上風電場聯合送出優化方案研究[J].南方能源建設，2019，6（2）：49-53.

[4] 陸瑩，范明明，鄭明，等.基于電磁-熱-流耦合場的非開挖敷設方案的海底電纜載流量計算[J].廣東電力，2020，33（5）：117-124.

[5] 張金鑫.海上風力發電管理模式研究分析[J].中國設備工程，2021（19）：69-70.

[6] 余理波.海上風力發電工程的繼電保護技術[J].集成電路應用，2021，38（5）：96-97.