舟山多端柔性直流輸電工程的海纜選型及防護(hù)探討

李世強(qiáng)，何旭濤，閆循平，鄭新龍

（舟山電力局，浙江舟山316000）

舟山多端柔性直流輸電工程的海纜選型及防護(hù)探討

李世強(qiáng)，何旭濤，閆循平，鄭新龍

（舟山電力局，浙江舟山316000）

舟山多端柔性直流輸電示范工程是世界首個五端柔性直流工程，在工程設(shè)計(jì)中存在著電纜選型復(fù)雜、與其他管線的交越、敷設(shè)保護(hù)等與常規(guī)直流輸電工程不同的技術(shù)問題。以本工程定海-岱山段為例，通過詳細(xì)分析、計(jì)算，提出了相關(guān)技術(shù)原則和方案，并獲得工程應(yīng)用。

柔性；直流輸電；電纜選型；敷設(shè)保護(hù)

舟山多端柔性直流輸電示范工程是世界首個五端柔性直流工程，跨越舟山5個島的海域，線路總長140.4 km，電壓等級±200 kV。其中定海-岱山段的海纜長度達(dá)52 km，且海域狀況十分復(fù)雜，涉及眾多航線、港口、捕撈區(qū)，海域已有的管線也較多，海底地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度很大。

該工程的設(shè)計(jì)中存在諸多難題，主要體現(xiàn)在高壓直流海纜的選型、直流海纜對金屬管線的電磁影響、海纜與管線交越及不良地質(zhì)處的保護(hù)性措施等方面。解決好上述難題，是該工程最終能成功投運(yùn)的基礎(chǔ)。

1 高壓直流海纜選型分析

1.1 高壓直流海纜絕緣選型分析

傳統(tǒng)的電纜絕緣類型主要分為粘性浸漬紙絕緣電纜、紙絕緣充油電纜和交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包高壓直流電纜。

自20世紀(jì)80年代起，交聯(lián)聚乙烯絕緣的質(zhì)量顯著改善，擊穿耐受電壓大為提高，成為了海底電纜絕緣材料的首選。目前世界上最先進(jìn)的交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包直流電纜技術(shù)是采用新型的三層聚合材料擠壓的單極性電纜，是將導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層3層同時擠壓成絕緣層，中間導(dǎo)體一般為鋁材單芯導(dǎo)體，具有高強(qiáng)度、環(huán)保和方便掩埋等特點(diǎn)，適合用于深海等惡劣環(huán)境。

粘性浸漬紙絕緣電纜適用于高直流電壓等級的海底大功率傳輸。粘性浸漬紙絕緣電纜最高適用于直流500 kV。目前，世界上最長的海纜工程就是采用這一型式的電纜，海纜長580 km（NorNed工程，2008年投產(chǎn)），但這種型式的電纜國內(nèi)尚未有廠家生產(chǎn)。

充油電纜利用補(bǔ)充浸漬劑消除絕緣材料中形成的氣隙以提高電纜工作場強(qiáng)，電氣性能可靠，機(jī)械性能良好。但充油電纜尺寸大、單位長度的質(zhì)量較重，用作直流海底電纜時其敷設(shè)落差受到油壓的限制，傳輸功率密度小，安裝維護(hù)復(fù)雜，并且存在漏油的可能，對海底環(huán)境影響極大，在當(dāng)前國際社會對環(huán)境問題極其關(guān)注的情況下，充油海底電纜的發(fā)展空間必然會受到限制。

與充油直流海底電纜相比，交聯(lián)直流海底電纜的尺寸小、質(zhì)量輕，對敷設(shè)環(huán)境落差要求不高，傳輸功率密度大，安裝維護(hù)方便，并且對環(huán)境影響較小，非常環(huán)保。相關(guān)研究表明，擠包型交聯(lián)聚乙烯絕緣直流海底電纜具有安裝快速、容易拼接等特點(diǎn)，非常適合柔性直流輸電工程。綜上分析，本工程的直流陸纜和海纜推薦采用銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。

1.2 高壓直流海纜截面的選擇分析

1.2.1 高壓直流海纜的運(yùn)行條件

1.2.2 高壓直流海纜的截面的選擇

本工程直流海纜從定海換流站出線采用直流陸纜方式敷設(shè)至入?？冢笤O(shè)地形有山地、公路、海塘及場地等，電纜溝采用直埋、排管及混凝土電纜溝3種形式。為此要對每種電纜構(gòu)筑物的電纜載流能力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。舟山地質(zhì)多為火山巖，表層土壤為風(fēng)化后形成，土層較薄，一般約為1 m，土壤熱阻系數(shù)多在2.0 K·m/W以上，不能滿足本工程的載流量需要，因此工程設(shè)計(jì)考慮改善山地敷設(shè)環(huán)境，采用局部換土方式將土壤熱阻保持在1.5 K·m/W及以下。

本工程直流電纜最大輸送容量為400 MW，計(jì)算可得本工程電纜載流量需達(dá)到1 000 A。

從海底電纜的生產(chǎn)技術(shù)、運(yùn)行、維護(hù)等角度考慮，本工程擬采用±200 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣單芯海底電纜。

經(jīng)計(jì)算，1×1 000 mm2的單芯銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯直流海纜與陸上電纜可滿足輸送容量要求。因此，本工程海纜選用單芯銅導(dǎo)體、截面1 000 mm2、交聯(lián)聚乙烯絕緣、鉛護(hù)套、半導(dǎo)電聚乙烯護(hù)套、單層鋼絲鎧裝、聚丙烯繩外披覆海底電力電纜。陸上電纜選用單芯銅導(dǎo)體、截面1 000 mm2、交聯(lián)聚乙烯絕緣、鉛合金套、聚乙烯外護(hù)套電力電纜，并復(fù)合2×12芯光纖單元，光纖單元兩側(cè)采用鋁合金絲護(hù)條。

2 直流海纜與通信電纜鄰近敷設(shè)時的電磁干擾安全距離分析

本工程直流海纜將與海底軍用通信電纜及海底電信通信電纜交越。海底電纜為金屬鎧裝屏蔽電纜，電纜外層的金屬層和鎧裝層可有效屏蔽電纜導(dǎo)體芯線周圍所產(chǎn)生的直流電場。直流電纜正常運(yùn)行時無交變磁場產(chǎn)生，因此不會對外在的金屬產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。只有在直流電纜發(fā)生故障的狀態(tài)下對其有所影響。

考慮海纜與通信電纜平行與交叉2種情況建立計(jì)算模型，并進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 直流海纜與通信電纜平行敷設(shè)

并行情況下，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 單根海纜故障時對通信電纜影響示意

計(jì)算條件如下：

直流線路工作電壓±200 kV；海纜對海面深度20 m；布置方式為直流海纜位于通信電纜上方，上下間距1 m。

計(jì)算時考慮最惡劣的情況，最大電流取正常工作電流的15倍。

由圖2可以看出，考慮最嚴(yán)重的情況，通信電纜位置恰好處于故障海纜正下方，在通信電纜上由磁耦合感應(yīng)出的電壓最大值接近9 kV，隨著通信電纜距離海纜的距離增加，磁感應(yīng)電壓急劇減小，當(dāng)距離增加到13.5 m的時候，磁感應(yīng)電壓減小到640.5 V，參照GB 6830-86《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險影響的容許值》給出的650 V限值，此時可以滿足要求。

對直流諧波正常運(yùn)行時對通信電纜的電磁影響進(jìn)行計(jì)算，以12脈動直流系統(tǒng)為例，直流側(cè)為12，24，36次諧波電流。并行長度1 000 m，通信電纜在不同位置的諧波感應(yīng)電流產(chǎn)生的縱向電動勢如圖3所示，諧波所造成的影響較小，可不做為主要考察對象。

圖2 單極短路故障時，通信電纜在不同位置處的暫態(tài)感應(yīng)電動勢

圖3 直流海纜諧波對通信電纜的影響

以上分析結(jié)果表明，正常運(yùn)行條件下直流諧波對通信電纜的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全限值。

2.2 直流海纜與通信電纜交叉敷設(shè)

考慮交叉角度影響，交叉角度θ為0°～90°。圖4給出了通信電纜與電力電纜交叉情況下的計(jì)算模型。

圖4 通信線路與海纜交叉的計(jì)算示意

考慮計(jì)算條件與并行時類似，以400 MVA海纜52 km并行計(jì)算得到的最小安全間距13.5 m為間距進(jìn)行計(jì)算，單極短路故障時通信電纜在不同交叉角度時的感應(yīng)電動勢如圖5所示。

圖5 單極短路故障時，通信電纜在不同交叉角度時的暫態(tài)感應(yīng)電動勢

由圖5可以看出，單極短路故障時，通信電纜在不同交叉角度時的暫態(tài)感應(yīng)電動勢隨著交叉角度的增大急劇減小，超過10°后，暫態(tài)感應(yīng)電動勢下降為0。

通過計(jì)算，最終得到舟山-岱山段金屬管線交越的感應(yīng)過電壓及安全間距如表1所示，海纜與通信電纜最小安全間距為13.5 m。

表1 舟山-岱山海纜交越對通信電纜影響

3 海纜與管線交越及不良地質(zhì)處敷設(shè)的保護(hù)性措施分析

舟山多端柔性直流輸電示范工程舟山島-岱山島直流海纜路由勘測報告指出：本段海纜與輸水管道及光纜都有交越，且海纜在岱山段登陸前沿區(qū)域有基巖，根據(jù)業(yè)主要求，需重點(diǎn)考慮采用何種措施規(guī)避不利風(fēng)險。

3.1 海纜與金屬管線交越敷設(shè)的保護(hù)性措施分析

根據(jù)多年海纜工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，本工程海纜在與金屬管線交越時，將沿用以往的成熟方案，設(shè)計(jì)推薦2種方案。方案一：在交越點(diǎn)及其兩側(cè)各30～40 m長度的海纜上加裝保護(hù)管保護(hù)措施，不埋設(shè)。方案二：采用拋石保護(hù)。根據(jù)海纜路由工程地質(zhì)勘察報告，本工程海纜與海底管線的交越點(diǎn)所處地質(zhì)均為淤泥質(zhì)土，此地基土承載力特征值fak＜80 kPa，若采用拋石方案，會引起海底管道的下沉與縱向應(yīng)力，對海底管線產(chǎn)生不利影響。因此，本工程與金屬管線交越處海纜不宜再采用拋石保護(hù)的方案。

3.2 海纜在不良地質(zhì)處敷設(shè)的保護(hù)性措施分析

海纜路由勘測報告顯示：路由中部區(qū)域有潮流沖刷槽盒砂質(zhì)海床，地質(zhì)很硬，海纜無法埋設(shè)至目標(biāo)深度，且在岱山側(cè)登陸點(diǎn)前沿有約30 m長度的基巖，需采取有效措施防止海纜受外部環(huán)境影響而受損。設(shè)計(jì)推薦以下2種方案。

（1）方案一：采用海底電纜專用不銹鋼保護(hù)管保護(hù)。

過基巖區(qū)保護(hù)：海纜施工前先進(jìn)行路由巖面細(xì)部勘察，采用爆破方式去除孤石，整平巖面30 m，直接在巖面上開鑿深0.5 m、寬1.2 m的電纜溝。海纜鋪設(shè)完成后，過此基巖區(qū)的海纜需進(jìn)行固定。在低潮水時作業(yè)，采用海纜保護(hù)套管，長度30 m，再用水泥砂袋敷至海纜上方進(jìn)行固定。

過不良地質(zhì)的海床保護(hù)：在海纜敷設(shè)前，首先確定海床位置及距離，先用埋設(shè)裝置進(jìn)行開挖，深度不小于60 cm，再將海纜套上保護(hù)套管后敷設(shè)至溝內(nèi)。

（2）方案二：采用海底電纜拋石保護(hù)方案。

采用拋石方案時首先要確定保護(hù)區(qū)域的精確坐標(biāo)點(diǎn)，同時要計(jì)算石料層的覆蓋厚度、長度及拋石工程量。設(shè)計(jì)方案的堆石體采用兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層即濾層為碎石，外層即鎧裝層為組合塊石。

針對堆石層進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，根據(jù)海纜敷設(shè)區(qū)域的海域條件和界入安全系數(shù)計(jì)算出的3種海流狀態(tài)下的塊石密度穩(wěn)定重量及安全系數(shù)見表2。

表2 石料密度穩(wěn)定重量表

拋石保護(hù)方案還要考慮塊石對海纜的沖擊、塊石沉降的動力速度、塊石水平運(yùn)動方程、塊石沖擊速度與入射角度等，方案復(fù)雜，技術(shù)含量很高，尤其是對施工單位的施工能力要求非常高。

對比2種方案的造價、施工難度、施工周期等因素，綜合分析后最終采用了海底電纜專用不銹鋼保護(hù)管保護(hù)的方案。

4 結(jié)論

（1）通過對國外高壓直流電纜現(xiàn)狀的分析及對國內(nèi)海纜生產(chǎn)廠家實(shí)際調(diào)研，綜合考慮后采用單芯銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包直流電纜，電壓等級±200 kV，導(dǎo)體截面采用1×1 000 mm2，載流量為1000A。

（2）通過對直流海纜與通信電纜并行與交叉敷設(shè)2種情況的分析、建模、計(jì)算，得出直流海纜與通信電纜并行敷設(shè)時安全距離需控制在不小于13.5 m；交叉時，直流海纜與通信電纜交叉角度控制在不小于10°等相關(guān)結(jié)論。

（3）分析比較了海纜與管線交越及不良地質(zhì)處敷設(shè)的2種保護(hù)性方案，方案一采用保護(hù)套管，可操作性強(qiáng)，造價低，施工難度不高；方案二采用拋石保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行效果好，但造價很高、施工難度大；綜合考慮后本工程海纜敷設(shè)保護(hù)采用方案一。

[1]陳明祥.海底電纜后續(xù)拋石保護(hù)數(shù)值模擬研究報告[R].武漢大學(xué)，2011.

[2]王裕霜.500 kV海底電纜淺灘鑄鐵套管保護(hù)實(shí)踐與思考[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（2）∶1-3.

[3]劉臻.瓊州海峽海底電纜工程拋石穩(wěn)定性研究報告[R].中國海洋大學(xué)，2011.

[4]馬國棟.電線電纜載流量[M].北京∶中國電力出版社，2003.

（本文編輯：龔皓）

Discussion on Type Selection and Protection of Submarine Cables for Zhoushan Multi-terminal flexible DC Power Transmission Project

LI Shi qiang，HE Xu tao，YAN Xun ping，ZHENG Xin long
（Zhoushan Electric Power Bureau，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

Zhoushan multi-terminal flexible DC demonstration project is the first five-terminal flexible DC project in the world.In the engineering design，cable type selection，crossover with other pipelines and laying protection are different from those of conventional DC power transmission projects.By taking Dinghai-Daishan section of the project as an example and through detailed analysis and calculation，the paper proposes relevant technical principle and scheme，which turned out to be successful in engineering practice.

flexible；DC power transmission；cable type selection；laying protection

TM752

：B

：1007-1881（2013）10-0012-04

2013-04-03

李世強(qiáng)（1983-），男，江蘇南京人，助理工程師，主要從事海洋輸電技術(shù)方面的研究工作。