大容量海上風(fēng)電場(chǎng)500kV海底電纜選型分析

李奇

摘? 要：近年來，國家大力發(fā)展風(fēng)電等新能源項(xiàng)目，海上風(fēng)電場(chǎng)主要通過海底電纜將電能送出，而隨著風(fēng)電場(chǎng)容量逐步增大，離岸距離加大，為了滿足風(fēng)電場(chǎng)的容量需求，需考慮采用超高電壓等級(jí)的海底電纜，而這方面國內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，實(shí)施難度較大。該文對(duì)海底電纜的性能、選型等方面做了一定的研究，針對(duì)1 000 MW容量的風(fēng)電場(chǎng)，從設(shè)計(jì)角度考慮，分析了500 kV海纜的選型與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海底電纜 海上風(fēng)電場(chǎng) 500 kV送出系統(tǒng) 交流聚乙烯絕緣

中圖分類號(hào)：TM315? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lián)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(zhì)分類可分為充油式（OF）海底電纜和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣海底電纜[1]。

交聯(lián)聚乙烯絕緣（XLPE）電力電纜具有優(yōu)異的電氣性能與耐熱性能，熱穩(wěn)定性和老化穩(wěn)定性能也非常好，工作溫度可高達(dá)90 ℃，短路時(shí)可高達(dá)250 ℃ ，能夠輸送大容量負(fù)荷。而且XLPE絕緣電纜轉(zhuǎn)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(fèi)用有優(yōu)勢(shì)，從安全和環(huán)境保護(hù)方面來看，交聯(lián)聚乙烯絕緣沒有滲油漏油的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

500 kV交流海底電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣或充油紙絕緣的綜合對(duì)比如下。

XLPE電纜：

工作溫度： 正常 90° 緊急140° 短路 250°

介質(zhì)損耗角正切（×10-4室溫）： 0.1

電纜敷設(shè)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(zhì)損耗角正切（×10-4室溫）： 0.35

電纜敷設(shè)彎曲半徑：≥25D

重量：自重大，可承受牽引力小

通過以上對(duì)比可以看出，與充油電纜電纜相比，交聯(lián)聚乙烯電纜優(yōu)勢(shì)明顯，具有耐熱性能好、傳輸容量大、線路損耗小、結(jié)構(gòu)輕便、易于彎曲、無漏油等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，大容量海上風(fēng)電場(chǎng)500 kV海底電纜推薦選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜。

2國內(nèi)外500 kV交聯(lián)海底電纜應(yīng)用情況

近年來，國內(nèi)外500 kV高壓海纜的應(yīng)用僅有一個(gè)項(xiàng)目。

國家電網(wǎng)浙江舟山500 kV聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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(xiàng)目已與2019年投運(yùn)。

因此，500 kV海底電纜目前國內(nèi)已有成功應(yīng)用案例，技術(shù)可行性滿足風(fēng)電場(chǎng)要求[3]。

3海底電纜的截面結(jié)構(gòu)

海底電纜從截面形式區(qū)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(yōu)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(shè)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(shè)費(fèi)用較高。單芯海底電纜技術(shù)較為成熟，國內(nèi)外廠家均可以生產(chǎn)。而三芯海底電纜電流負(fù)載平衡，在鎧裝中不存在感應(yīng)的環(huán)流，每回路只需一根，敷設(shè)費(fèi)用也低。但是其外徑大，中間接頭多，單位重量大，電纜的敷設(shè)及維修難度較大[4]。

設(shè)計(jì)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(shè)備、制造水平、運(yùn)行維護(hù)等，單芯海纜和三芯海纜的綜合對(duì)比如下。

單芯電纜優(yōu)點(diǎn)：載流量大（同規(guī)格時(shí)）;單根無接頭長度長;易于施工;國內(nèi)廠家均可生產(chǎn);維護(hù)方便，故障時(shí)搶修時(shí)間短。

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

三芯電纜優(yōu)點(diǎn)：鎧裝損耗小;占海面積小;施工工作量小。

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

從上述分析比較可知，單芯三芯海纜各有優(yōu)劣，下面將根據(jù)載流量計(jì)算結(jié)果，選擇高壓海底電纜采用單芯或三芯的幾種方案，做進(jìn)一步選型比較[5]。

4? 500 kV海底電纜選型

4.1載流量計(jì)算

電纜長期允許通過的載流量是電纜的一項(xiàng)重要的運(yùn)行參數(shù)，載流量是指當(dāng)電纜中通過電流，熱穩(wěn)定后，電纜導(dǎo)體的溫度恰好達(dá)到長期允許工作溫度時(shí)的電流值。電纜長期容許載流量應(yīng)滿足持續(xù)工作電流的要求。電纜載流量與電纜的材料、結(jié)構(gòu)形式、敷設(shè)方式、環(huán)境條件以及運(yùn)行工況等因素有關(guān)。電纜長期允許最高工作溫度該文中取90 ℃[6]。

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

4.2? 500 kV海底電纜截面選型

500 kV海底電纜應(yīng)考慮將整個(gè)1 000 MW風(fēng)電場(chǎng)的電能送出，額定載流量要求如下。

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

根據(jù)額定載流量要求，風(fēng)電場(chǎng)送出500kV海底電纜設(shè)計(jì)了3個(gè)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(duì)以上3個(gè)方案分別計(jì)算載流量，按幾個(gè)最不利敷設(shè)環(huán)境考慮，通過計(jì)算得到表1。

從表1可以看出，3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)送出500 kV海底電纜的方案均滿足載流量要求。將此3個(gè)方案海纜的綜合參數(shù)進(jìn)一步對(duì)比。

5結(jié)語

通過該文的各項(xiàng)對(duì)比可以看出，三芯3×1 200 mm2海纜節(jié)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(shí)仍能送出一半的電能，其停電損失較小，1 000 MW容量風(fēng)電場(chǎng)送出較單芯海纜節(jié)省1根海纜投資，因此成本相對(duì)低。但3×1 200 mm2海纜目前沒有實(shí)際生產(chǎn)以及運(yùn)行業(yè)績，同時(shí)也缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，通過調(diào)研海纜生產(chǎn)廠家得知生產(chǎn)設(shè)備具備生產(chǎn)3×1 200 mm2海纜的能力。

而單芯1×1 800 mm2海纜由于已有實(shí)際運(yùn)行業(yè)績并通過了型式試驗(yàn)報(bào)告及預(yù)鑒定報(bào)告，整根海纜硬接頭少，因此從技術(shù)性角度考慮，單芯1×1 800 mm2海纜技術(shù)更成熟可靠。

綜合經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)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(xiàng)目需求，現(xiàn)階段從可行性出發(fā)暫推薦技術(shù)成熟的單芯1×1 800 mm2海纜作為1 000 MW大容量風(fēng)電場(chǎng)500 kV送出方案。實(shí)際工程在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)后續(xù)500 kV交聯(lián)海纜發(fā)展情況選擇單芯或三芯海纜。

參考文獻(xiàn)

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