海底電纜暫態載流量計算與優化選型

夏 峰， 單潛瑜， 趙遠濤， 周則威， 楊 帆， 姚 凱， 黃 韻， 王玉芬

（寧波東方電纜股份有限公司，浙江 寧波315801）

0 引 言

隨著跨海輸電、海上風電等大規模海洋工程的發展和推進，海底電纜的電壓等級逐漸增高，截面增大，這對海底電纜的研發、制造、施工等帶來了新的挑戰。傳統基于穩態的載流量計算方法被指出趨于保守，在日漸激烈的國際市場上已經不具備競爭優勢。

電纜載流量的研究始于19世紀后期，NM方法［1］作為更深入的載流量研究方法被提出，該方法首次提出了載流量和溫度變化的具體解法。目前國內外主要的計算方法有兩種：第一種是將電纜回路等效考慮成熱路模型，基于IEC 60287系列公式進行數值推導［2］，該方法存在許多缺陷，比如不適用多回路集群敷設方式，損耗計算時對于不同位置、溫度取的電阻率是定值，計算環境趨于理想化，排管、電纜溝等敷設下無法考慮到空氣流動的耦合作用；第二種是基于傳熱學的原理的數值法，其中包括差分法、邊界元法以及有限元方法等［3-5］，常用的商業軟件有Ansys、COMSOL Multiphysics等［6］。

本工作基于國外某風電場近幾年的海底電纜載流量實際運行情況以及CYME國際輸配電公司、安大略省水電公司Ontario Hydro和加拿大電氣協會CEA聯合開發的軟件CYMCAP，提出運用動態方法對海底電纜的載流量進行建模計算，并基于穩態和暫態方法進行電纜的優化選型。

1 結構與參數

1.1 海底電纜結構與參數

型號為HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交聯聚乙烯海底復合電纜（光纜用于檢測電纜溫度［7］）的結構尺寸見表1，海底電纜結構示意圖見圖1。

表1 海底電纜結構尺寸

圖1 海底電纜結構示意圖

1.2 參數設置

（1）環境條件

海底電纜所處海床段的環境溫度為11℃，海床土壤熱阻系數為0.8 K·m／W，電纜埋深為1.5 m。

（2）載流量監控曲線

對于電纜實時監控來說，動態監測系統更能反映線路的實際情況［8］。線路的最小載流量需求為1 000 A，根據2019年線路的全年實測數據換算得出載荷因子曲線（1～35 d的載荷曲線）如圖2所示。

由圖2可知：海底電纜在正常運行時通常不會滿載狀態運行。目前歐洲國家正在研究動態載流量算法以及電纜鎧裝優化設計，目的在于盡可能的優化電纜截面，充分利用穩態設計時預留的設計裕度。

圖2 1～35 d載荷曲線

2 方法和計算標準

國際電工委員會頒布的IEC 60287，IEC 60854，IEC 60949和IEC 1042等系列標準有具體的公式，對線纜行業有引導的作用，被用于電纜載流量的計算。對于溫度場分析，CYMCAP可進行穩態和暫態的分析，暫態分析必須在穩態熱分析完成后才可運行，從某種意義上來說領先于IEC標準。

3 載流量分析

3.1 穩態載流量計算

對于交聯聚乙烯絕緣的交流電纜來說，在特定工況下，導體溫度達到90℃時的穩定電流為該電纜的穩態載流量［9-10］。

根據環境條件，可以得到該工況下海纜的穩態載流量為948 A，與目標載流量相比遠遠無法滿足要求。

3.2 暫態載流量計算

將導體溫度作為時間的函數，輸入某一個特定的載流量（預加載載流量）、具體的時間間隔為8 760 h、分析步長以及電纜載流量的比例因子，由此來評估電纜可以達到的溫度。

根據輸入條件，得到該工況下海底電纜的暫態分析結果見圖3。可知在目標載流量下，導體的動態溫度均低于90℃，可以滿足載流量輸出要求。

圖3 導體溫度-運行時間曲線

4 電纜優化選型與敏感性分析

4.1 電纜選型優化

由穩態和暫態的分析結果可知，傳統的載流量計算方法趨于保守，在日趨激烈的國際市場上，這樣的計算結果需要選擇更大的導體截面和電壓等級，導致電纜重量和外徑偏大，給電纜的設計、生產、制造、運輸及敷設帶來困難，意味著投入更多的人力、物力和資金。

基于穩態和暫態結果對比了相同電壓等級下滿足載流量要求的電纜選型，見表2。

表2 電纜選型對比

4.2 敏感性分析

型號為HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交聯聚乙烯海底電纜通過控制變量的方法，對土壤熱阻系數（見圖4）、環境溫度（見圖5）和電纜埋深（見圖6）進行參數的敏感性分析。

由圖4、圖5和圖6可以看出：環境溫度、海床熱阻系數和電纜埋深與電纜的載流量均呈負相關。

圖4 載流量-熱阻系數曲線

圖5 載流量-環境溫度曲線

圖6 載流量-電纜埋深曲線

在海底電纜的系統設計時，需要考慮到海底電纜線路上的土壤熱阻和溫度情況；在進行敷設設計時，電纜的埋深是最關鍵的因素。以上因素均直接影響到電纜系統的載流量大小以及設計的安全性。

5 結束語

結合海底電纜實際監測情況和工況條件，計算電纜暫態載流量，從理論上提高了線路的傳輸能力，通過合理配置電纜負荷，提高了電纜設計、制造、施工和運行上的經濟性，對海底電纜的設計和施工具有一定的指導意義。