隨著近海風(fēng)場趨于飽和，國內(nèi)外遠海風(fēng)電場及洲際互聯(lián)等大容量、遠距離海洋輸電工程建設(shè)規(guī)模日趨增長，具備傳輸容量大、傳輸損耗小、傳輸距離遠等優(yōu)點的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣直流海纜得到飛速發(fā)展，未來5~10年高壓直流海纜市場的需求量將會激增。與此同時，緊張的海洋路由資源、漫長的施工周期及昂貴的施工成本逐漸成為行業(yè)的關(guān)注重點。
與單芯海纜相比，三芯海纜能夠降低施工成本、縮短施工周期、緩解水下輸電線路路由緊張現(xiàn)狀、減少海纜施工路由數(shù)量，因此研究三芯高壓直流海纜具有重要意義。
結(jié)構(gòu)設(shè)計
整體結(jié)構(gòu)
目前，三芯海纜結(jié)構(gòu)多用于交流海纜，江蘇響水近海風(fēng)電項目是國內(nèi)首根三芯220kV光纖復(fù)合交流海纜，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
圖1 三芯交流海纜結(jié)構(gòu)示意圖
與交流海纜不同，目前國外高壓直流海纜項目均為單芯海纜設(shè)計，與三芯交流海纜相比，高壓直流海纜在PE護套外圍設(shè)計一層由PE條組成的光纖單元保護層，PE條直徑略大于不銹鋼光纖單元，確保不銹鋼光纖單元在生產(chǎn)、運輸和敷設(shè)過程中不受外力作用，單芯直流海纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。
圖2 單芯直流海纜結(jié)構(gòu)示意圖
單芯直流海纜在敷設(shè)過程中每一根極性海纜均需要一個相對應(yīng)的路由，考慮到目前大部分項目均要求兩根極性海纜搭配一根回流纜構(gòu)成真雙極系統(tǒng)，確保回路運行可靠，則一個高壓直流海纜項目需要3條路由才能滿足項目需求。
基于三芯高壓交流海纜及單芯高壓直流海纜的結(jié)構(gòu)，三芯直流海纜可用兩條極性纜搭配一根回流纜組合而成。在電纜運行過程中，當(dāng)某一根極性海纜故障時，完好的一根極性海纜可借助回流海纜構(gòu)成回路，確?；芈氛＿\行，通過回流纜線路的最大電流和直流輸電線路相同，但運行電壓低，其線路電壓只是入地電流在導(dǎo)線電阻上引起的壓降，即導(dǎo)體截面比極性纜略小，絕緣厚度一般為3.5~4.5mm，因此回流纜尺寸小于極性纜尺寸，以確保生產(chǎn)過程中3個電單元外徑一致，提高海纜成纜圓整度。須在附加電單元兩側(cè)各設(shè)置一個成型填充條，保證附件電單元的外徑與極性電單元的外徑一致。
本文所述三芯直流海纜回流纜結(jié)構(gòu)單元及功能與極性纜相同，僅結(jié)構(gòu)尺寸略小于極性纜，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。
圖3 三芯直流海纜結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)構(gòu)參數(shù)
本工作以±400kV直流海纜為例。三芯直流海纜極性纜結(jié)構(gòu)與±400kV單芯直流海纜結(jié)構(gòu)一致，回流纜絕緣厚度取4.0mm，根據(jù)載流量與極性纜相同進行回流纜結(jié)構(gòu)設(shè)計?！?00kV單芯直流海纜及三芯直流海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1 ±400kV 直流海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)
由表1可知，三芯直流海纜的外徑是單芯直流海纜的1.85倍，空氣中單位長度質(zhì)量是單芯直流海纜的2.65倍，水中單位長度質(zhì)量是單芯直流海纜的2.29倍。
海纜在敷設(shè)過程中會受到敷設(shè)拉力，因此海纜允許最大敷設(shè)拉力是海纜機械性能的重要參數(shù)，本工作采用力學(xué)仿真分析軟件CableCAD進行仿真分析。
根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取合適的材料，采用CableCAD進行機械性能仿真，計算海纜敷設(shè)情況下允許最大拉力。建模過程中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的機械特性對海纜結(jié)構(gòu)進行簡化，三芯直流海纜回流纜外部填充條簡化為護套。
對海纜模型施加拉力載荷，從10kN開始直至纜芯即將屈服為止，單芯海纜及三芯直流海纜仿真結(jié)果見圖4。
圖4 機械性能仿真示意圖
根據(jù)標準BS EN 10257-2：2011要求，G34鋼絲抗拉強度在340~540MPa范圍。結(jié)合仿真結(jié)果及標準規(guī)定，G34鋼絲抗拉強度極限設(shè)定為340MPa。
由圖4的仿真可知，海纜受軸向拉力時，鋼絲幾乎承受所有拉力，導(dǎo)體和非金屬結(jié)構(gòu)相對受力較小，結(jié)合仿真結(jié)果假設(shè)鋼絲承受所有拉力，海纜抗負荷能力計算公式如下：
式中：T為海纜敷設(shè)最大拉力，kN；P為鋼絲所受極限應(yīng)力，MPa；n為鋼絲根數(shù)；s為鋼絲截面積，m2；NC為安全裕度，一般取0.25。
海纜在水中進行敷設(shè)時，隨著敷設(shè)水深的增加，其所受軸向拉力也隨之增大，敷設(shè)水深小于500 m情況下，軸向拉力與敷設(shè)水深之間的計算公式如下：
式中：ws為單位長度電纜的水中質(zhì)量，kg·m-1；Hw為敷設(shè)水深，m。
通過式（1）和式（2）計算可得單芯直流海纜和三芯直流海纜的機械性能參數(shù)，結(jié)果見表2。
表2 直流海纜機械性能參數(shù)
由表2可知，雖然三芯直流海纜所受最大拉力大于單芯直流海纜，但由于三芯直流海纜水中單位長度質(zhì)量也遠大于單芯直流海纜，綜合計算三芯直流海纜敷設(shè)水深略小于單芯直流海纜，約為單芯直流海纜敷設(shè)水深的78%。
載流量分析
直流海纜在敷設(shè)過程中最常見的工況為海底直埋。以敷設(shè)過程中最常見的工況為例，采用有限元法對單芯高壓直流海纜及三芯高壓直流海纜進行載流量仿真計算并進行對比分析。
在海纜直埋工況下，單芯直流海纜和多芯直流海纜仿真模型及邊界條件一致，仿真模型見圖5。
圖5 載流量仿真模型
表3 仿真計算邊界條件
單芯直流海纜仿真計算
計算載流量為1773A時單芯直流海纜溫度場分布，結(jié)果見圖6。
圖6 單芯海纜載流量仿真
由圖6可知，當(dāng)單芯海纜的載流量為1773A時，電纜導(dǎo)體的溫度達到70℃，即單芯直流海纜額定載流量為1773A。
三芯直流海纜仿真計算
以電纜載流量1773A為輸入條件，分別模擬真雙極三芯直流海纜系統(tǒng)兩根極性纜運行情況，及一根極性纜故障情況下另一根極性纜配合回流纜運行情況，三芯直流海纜溫度場分布見圖7。
圖7 三芯直流海纜溫度場分布
由圖7可知，當(dāng)載流量為1773A時，兩根極性纜共同運行情況下導(dǎo)體溫度達到95.7℃；當(dāng)一根極性纜發(fā)生故障而另一根極性纜配合回流纜運行時，回流纜導(dǎo)體溫度高達127℃。三芯電纜在相同載流量1773A時，導(dǎo)體溫度明顯高于單芯海纜。
三芯直流海纜系統(tǒng)雙極運行和一根極性纜發(fā)生故障另一級配合回流纜運行，導(dǎo)體最高溫度與載流量的關(guān)系曲線見圖8。
圖8 三芯直流海纜導(dǎo)體溫度與載流量關(guān)系圖
由圖8可知，電纜系統(tǒng)正常運行時，即導(dǎo)體溫度為70℃時，兩根極性纜運行情況下載流量為1476A；當(dāng)一根極性纜發(fā)生故障時而另一極與回流纜配合運行時，載流量為1285A。
單芯高壓直流海纜與三芯高壓直流海纜在海底直埋工況下載流量對比見表4。
表4 直流海纜載流量對比
由圖8和表4可知，在正常運行情況下，三芯直流海纜的兩根極性纜之間因距離太近，發(fā)熱相互影響，此時的載流量為單芯直流海纜的83%。當(dāng)一根極性纜發(fā)生故障時，如果單芯海纜回路中無回流纜，則該回路無法進行電能傳輸，需要進行打撈維修，而三芯直流海纜則可通過極性纜和回流纜繼續(xù)構(gòu)成回路持續(xù)運行，其傳輸載流量為單芯正常運行時的73%。
近幾年，國內(nèi)海上風(fēng)電建設(shè)如火如荼，海底輸電線路也占用了大量的海洋路由資源。前期直流海纜的系統(tǒng)設(shè)計多采用對稱單極運行方式，海纜線路構(gòu)成僅需正負兩極海纜，隨著項目輸送容量和電壓等級的提高，真雙極系統(tǒng)需采用回流海纜的直流輸電項目比例逐漸增加，線路投入海纜也相應(yīng)增加為3根，占用的路由和敷設(shè)次數(shù)也會相應(yīng)增加。以±400kV直流海纜項目為例，直流海纜路由寬度為30m，直流海纜與其他已敷設(shè)海纜的安全距離為30m，確保每根海纜運行均不受影響，敷設(shè)示意圖見圖9。
圖9 直流海纜敷設(shè)示意圖
由圖9可知，當(dāng)真雙極系統(tǒng)兩根極性纜和1根回流纜設(shè)計為單芯直流海纜時，所占路由寬度為120m，所需敷設(shè)次數(shù)為3次；當(dāng)真雙極系統(tǒng)兩根極性纜和1根回流纜設(shè)計為三芯直流海纜時，所占路由寬度減少至600m，所需敷設(shè)次數(shù)僅為1次。從敷設(shè)次數(shù)及海洋路由等方面考慮，將真雙極系統(tǒng)3根海纜設(shè)計生產(chǎn)為三芯直流海纜可將占用的路由減少50%，敷設(shè)次數(shù)僅為單芯海纜33%。因此，三芯高壓直流海纜可使敷設(shè)成本降低，并可提高海洋資源的利用率。
雖然相比于單芯高壓直流海纜，三芯高壓直流海纜外徑及其單位長度質(zhì)量增加導(dǎo)致敷設(shè)水深略低于單芯直流海纜，且正常運行時載流量略有降低，但結(jié)合敷設(shè)時間、敷設(shè)成本及節(jié)約路由等方面綜合考慮，未來在敷設(shè)水深要求高的近海區(qū)域，三芯直流海纜仍然是未來海上風(fēng)電建設(shè)的發(fā)展趨勢。
《電線電纜》1958年由國家新聞出版署批準正式創(chuàng)刊，上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會主管，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)應(yīng)用類學(xué)術(shù)刊物。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗交流等，報道國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，歡迎來稿！
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