三芯高壓直流海纜結構設計及性能研究

嚴 彥 ,李盛濤,3 ,葛言杰 ,徐宇峰 ,蔡愛琴 ,蔡 華 ,梁晨晨

(1.中天科技海纜股份有限公司,南通 226010;2.江蘇省海洋能源與信息傳輸重點實驗室,南通 226010;3.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,西安 710049)

0 引言

海洋風力發電是目前國際上綠色能源開發的主要關注點之一。隨著近海風場的趨于飽和,國內外遠海風電場及洲際互聯等大容量、遠距離海洋輸電工程建設規模日趨增長[1-3],具備傳輸容量大、傳輸損耗小、傳輸距離遠等優點的交聯聚乙烯(XLPE)絕緣直流海纜得到飛速發展,未來5～10 年高壓直流海纜市場的需求量將會激增[4-7]。近年來,隨著近海風場趨于飽和,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的關注重點[8-10],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狀、減少海纜施工路由數量[11-12],因此研究三芯高壓直流海纜具有重要意義。

目前大部分研究均集中在三芯交流海纜、單芯交流海纜和單芯直流海纜。其中,劉英等[13]針對單芯交流海纜不同接地方式進行損耗和載流量計算;郭宜果等[14]進行220 kV 光纖復合三芯海底電纜電氣參數計算;趙小令等[15]基于電熱場耦合分析針對單芯直流海纜絕緣結構進行研究;劉英等[16]進行500 kV 直流XLPE 海纜的熱場及電場仿真研究。

當前對三芯高壓直流海纜研究較少,僅有一種多芯直流海纜及相應多芯直流海纜的生產方法[17-18]。本工作結合目前已經成熟的三芯交流海纜及單芯直流海纜結構進行三芯高壓直流海纜的結構設計,并對三芯直流海纜的機械性能、電氣性能及敷設成本進行分析,為后續的直流海纜研究提供參考。

1 結構設計

1.1 整體結構

目前,三芯海纜結構多用于交流海纜,江蘇響水近海風電項目是國內首根三芯220 kV 光纖復合交流海纜,其結構示意圖見圖1[19]。

圖1 三芯交流海纜結構示意圖

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計,與三芯交流海纜相比,高壓直流海纜在PE 護套外圍設計一層由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、運輸和敷設過程中不受外力作用[20],單芯直流海纜結構示意圖見圖2。

圖2 單芯直流海纜結構示意圖

單芯直流海纜在敷設過程中每一根極性海纜均需要一個相對應的路由,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成真雙極系統,確?；芈愤\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構,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線電阻上引起的壓降,即導體截面比極性纜略小,絕緣厚度一般為3.5～4.5 mm,因此回流纜尺寸小于極性纜尺寸,以確保生產過程中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各設置一個成型填充條,保證附件電單元的外徑與極性電單元的外徑一致。本工作所述三芯直流海纜回流纜結構單元及功能與極性纜相同,僅結構尺寸略小于極性纜,其結構示意圖見圖3。

圖3 三芯直流海纜結構示意圖

1.2 結構參數

本工作以±400 kV 直流海纜為例。三芯直流海纜極性纜結構與±400 kV 單芯直流海纜結構一致,回流纜絕緣厚度取4.0 mm,根據載流量與極性纜相同進行回流纜結構設計?！?00 kV 單芯直流海纜及三芯直流海纜結構參數見表1。

表1 ±400 kV 直流海纜結構參數

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,空氣中單位長度質量是單芯直流海纜的2.65 倍,水中單位長度質量是單芯直流海纜的2.29 倍。

2 機械性能仿真分析

海纜在敷設過程中會受到敷設拉力,因此海纜允許最大敷設拉力是海纜機械性能的重要參數,本工作采用力學仿真分析軟件CableCAD 進行仿真分析。

根據電纜結構參數,選取合適的材料,采用CableCAD 進行機械性能仿真,計算海纜敷設情況下允許最大拉力。建模過程中,根據其結構的機械特性對海纜結構進行簡化,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10 kN 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果見圖4。

根據標準BS EN 10257-2:2011 要求,G34 鋼絲抗拉強度在340～540 MPa 范圍。結合仿真結果及標準規定,G34 鋼絲抗拉強度極限設定為340 MPa。

同時由圖4 的仿真可知,海纜受軸向拉力時,鋼絲幾乎承受所有拉力,導體和非金屬結構相對受力較小,結合仿真結果假設鋼絲承受所有拉力,海纜抗負荷能力計算公式如下:

圖4 機械性能仿真示意圖

式中:T為海纜敷設最大拉力,kN;P為鋼絲所受極限應力,MPa;n為鋼絲根數;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時,隨著敷設水深的增加,其所受軸向拉力也隨之增大,敷設水深小于500 m情況下,軸向拉力與敷設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量,kg·m-1;Hw為敷設水深,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,結果見表2。

表2 直流海纜機械性能參數

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量也遠大于單芯直流海纜,綜合計算三芯直流海纜敷設水深略小于單芯直流海纜,約為單芯直流海纜敷設水深的78%。

3 載流量分析

直流海纜在敷設過程中最常見的工況為海底直埋。以敷設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

設置的仿真模型邊界條件見表3。

表3 仿真計算邊界條件

3.1 單芯直流海纜仿真計算

計算載流量為1 773 A 時單芯直流海纜溫度場分布,結果見圖6。

圖6 單芯海纜載流量仿真

由圖6 可知,當單芯海纜的載流量為1 773 A時,電纜導體的溫度達到70 ℃,即單芯直流海纜額定載流量為1 773 A。

3.2 三芯直流海纜仿真計算

以電纜載流量1 773 A 為輸入條件,分別模擬真雙極三芯直流海纜系統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。

由圖7 可知,當載流量為1 773 A 時,兩根極性纜共同運行情況下導體溫度達到95.7 ℃;當一根極性纜發生故障而另一根極性纜配合回流纜運行時,回流纜導體溫度高達127 ℃。三芯電纜在相同載流量1 773 A 時,導體溫度明顯高于單芯海纜。

圖7 三芯直流海纜溫度場分布

三芯直流海纜系統雙極運行和一根極性纜發生故障另一級配合回流纜運行,導體最高溫度與載流量的關系曲線見圖8。

圖8 三芯直流海纜導體溫度與載流量關系圖

由圖8 可知,電纜系統正常運行時,即導體溫度為70 ℃時,兩根極性纜運行情況下載流量為1 476 A;當一根極性纜發生故障時而另一極與回流纜配合運行時,載流量為1 285 A。

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,發熱相互影響,此時的載流量為單芯直流海纜的83%。當一根極性纜發生故障時,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構成回路持續運行,其傳輸載流量為單芯正常運行時的73%。

4 路由和敷設分析

近幾年,國內海上風電建設如火如荼,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設計多采用對稱單極運行方式,海纜線路構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增加為3 根,占用的路由和敷設次數也會相應增加。以±400 kV 直流海纜項目為例,直流海纜路由寬度為30 m,直流海纜與其他已敷設海纜的安全距離為30 m,確保每根海纜運行均不受影響,敷設示意圖見圖9。

由圖9 可知,當真雙極系統兩根極性纜和1 根回流纜設計為單芯直流海纜時,所占路由寬度為120 m,所需敷設次數為3 次;當真雙極系統兩根極性纜和1 根回流纜設計為三芯直流海纜時,所占路由寬度減少至600 m,所需敷設次數僅為1 次。從敷設次數及海洋路由等方面考慮,將真雙極系統3 根海纜設計生產為三芯直流海纜可將占用的路由減少50%,敷設次數僅為單芯海纜33%。因此,三芯高壓直流海纜可使敷設成本降低,并可提高海洋資源的利用率。

圖9 直流海纜敷設示意圖

5 結束語

本工作介紹了三芯高壓直流海纜的結構設計,對三芯高壓直流海纜在特定工況下進行機械性能和電氣性能仿真分析及敷設路由分析,并與單芯高壓直流海纜進行對比。

三芯高壓直流海纜成纜后外徑為單芯直流海纜外徑的1.85 倍,空氣中單位長度質量為單芯直流海纜的2.65 倍,水中單位長度質量是單芯直流海纜的2.29 倍,結合電纜外徑及單位長度質量計算可知三芯直流海纜敷設深度是單芯直流海纜的78%。

在特定工況下,三芯直流海纜正常運行時載流量為單芯直流海纜的83%;在極性纜一級故障情況下另一根極性纜可與回流纜配合進行電能傳輸,輸送容量可達到單芯海纜正常運行時的73%;三芯直流海纜占用路由寬度為單芯直流海纜的50%,敷設次數僅為單芯直流海纜的33%。

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量增加導致敷設水深略低于單芯直流海纜,且正常運行時載流量略有降低,但結合敷設時間、敷設成本及節約路由等方面綜合考慮,未來在敷設水深要求高的近海區域,三芯直流海纜仍然是未來海上風電建設的發展趨勢。