高玲玲， 袁 杰

（舟山電力局，浙江舟山316000）

高壓直流海纜選型及防護(hù)

高玲玲， 袁 杰

（舟山電力局，浙江舟山316000）

以實(shí)際海纜工程設(shè)計(jì)為例，首先，通過(guò)對(duì)直流電纜絕緣材料分析以及電纜載流量的計(jì)算，確定高壓直流海纜的型號(hào)；其次，通過(guò)對(duì)直流海纜與通信電纜臨近情況分析，計(jì)算得出直流海纜與通信電纜并行敷設(shè)時(shí)安全距離以及交叉時(shí)直流海纜與通信電纜交叉角度控制；最后，詳細(xì)給出了海纜與管線交越及不良地質(zhì)處敷設(shè)保護(hù)性措施的兩種方案，綜合其優(yōu)缺點(diǎn)，采用了保護(hù)套管保護(hù)的方案。

高壓直流海纜；海纜選型；敷設(shè)保護(hù)

0 引 言

舟山是座“千島之城”，海域面積達(dá)到2.08萬(wàn)平方公里，陸域面積僅僅1 440 km2。由于特殊的地理環(huán)境，常常用海纜作為電氣連接紐帶。本工程海纜路由長(zhǎng)度約16 km，海域狀況十分復(fù)雜，既涉及到眾多航線、港口、捕撈區(qū)，又與海域里多根管線交叉，并且海底地質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大難度。

該工程設(shè)計(jì)中存在諸多難題：海纜選型；海纜對(duì)管線電磁影響；海纜敷設(shè)保護(hù)措施。本工程海纜路由見圖1。

1 高壓直流海纜選型分析

1.1 高壓直流海纜絕緣選型

傳統(tǒng)的海纜類型按絕緣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（XLPE）絕緣擠包高壓直流電纜。XLPE是目前海底電纜絕緣材料的首選。

圖1 海纜路由走線示意圖

自上世紀(jì)80年代，XLPE絕緣的質(zhì)量和擊穿耐受電壓有了顯著改善，現(xiàn)在既可用于陸纜又可用于海纜。

目前世界上最先進(jìn)的XLPE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，它由導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠，導(dǎo)體一般為銅材單芯導(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用于高直流電壓等級(jí)的海底大功率傳輸，最高適用于直流500 kV。目前，世界上最長(zhǎng)的海纜工程就是這類電纜，海纜長(zhǎng)為580 km（NorNed工程，2008年），但這種電纜國(guó)內(nèi)尚未有制造廠家生產(chǎn)。

充油電纜用補(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(chǎng)強(qiáng)，電氣性能可靠，機(jī)械性能良好。但其海底電纜的尺寸大、單位長(zhǎng)度的質(zhì)量較重，敷設(shè)落差受到油壓的限制，傳輸功率小，安裝維護(hù)復(fù)雜，并且存在漏油的可能，對(duì)海底環(huán)境影響極大，因此充油海底電纜的發(fā)展空間必然會(huì)受到限制。

同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(duì)敷設(shè)環(huán)境落差要求不高，傳輸功率大，安裝維護(hù)方便，并且對(duì)環(huán)境影響較小，非常環(huán)保。相關(guān)研究表明，擠包型XLPE絕緣直流海底電纜具有快速、容易接續(xù)和安裝等特點(diǎn)，非常適合柔性直流輸電工程。本工程直流陸纜和海纜推薦采用銅導(dǎo)體XLPE絕緣電力電纜。

1.2 高壓直流海纜截面的選擇

1.2.1 高壓直流海纜的運(yùn)行條件

（1）系統(tǒng)額定電壓U0：±200 kV

（2）系統(tǒng)短期最高工作電壓Um：±220 kV

（3）雷電沖擊耐受電壓（峰值）：550 kV

（4）系統(tǒng)頻率：0 Hz

（5）系統(tǒng)接地方式：兩端接地系統(tǒng)

（6）額定輸送容量：100 MW

（7）最大短路電流：15 kA，持續(xù)時(shí)間3 s

（8）電纜導(dǎo)體的額定運(yùn)行溫度：70℃

（9）電纜線路設(shè)計(jì)使用年限：不小于30年

（10）電纜彎曲半徑：安裝時(shí)不小于20倍電纜外徑，安裝后不小于15倍電纜外徑。

1.2.2 高壓直流海纜截面的選擇

本工程海纜從岱山換流站出線至入?？?，途經(jīng)山地、公路、海塘，采用的敷設(shè)方式有直埋、排管及電纜溝三種形式。

本工程直流電纜最大輸送容量為100 MW，計(jì)算可得本工程電纜載流量需達(dá)到250 A。電纜載流量計(jì)算公式：

式中：△θ為導(dǎo)體溫升（℃）；I為導(dǎo)體中流過(guò)的電流（A）；R為最高運(yùn)行溫度的直流電阻（Ω）；T1、T2、T3、T4為電纜各部分熱阻（K·m/W）。

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±200kV XLPE單芯海底電纜。本工程海纜的使用條件及其載流量如下：

（1）海底情況，環(huán)境溫度為25℃，土壤熱阻為0.8 K·m/W，纜間距50 m，I=660A；

（2）灘涂情況，環(huán)境溫度為28℃，土壤熱阻為1.2 K·m/W，纜間距5 m，I=565A；

（3）登陸段，環(huán)境溫度為35℃，土壤熱阻為1.5 K·m/W，纜間距0.5 m，I=459A。

陸上電纜的使用條件及其載流量計(jì)算如下：

（1）電纜溝，環(huán)境溫度為40℃，纜間距0 m，I= 619A；

（2）排管，環(huán)境溫度為40℃，纜間距0.25 m，I=495A；

（3）直埋，環(huán)境溫度為30℃，土壤熱阻為1.5 K·m/W，纜間距0.25 m，I=548A。

經(jīng)計(jì)算，1×300 mm2的單芯銅導(dǎo)體XLPE直流海纜可滿足輸送容量要求。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 海底電纜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 直流海纜與通信電纜臨近敷設(shè)時(shí)電磁干擾安全距離分析

直流電纜正常運(yùn)行時(shí)無(wú)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)外面的金屬產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，對(duì)于直流海纜輸電工程，主要考慮直流海纜在故障狀態(tài)下對(duì)臨近通信電纜的影響。

海纜與通信電纜臨近情況有兩種，平行或交叉，根據(jù)這兩種情況分別建立計(jì)算模型，并進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 平行敷設(shè)時(shí)電磁干擾安全距離分析

平行情況下，采用計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 單根海纜短路故障時(shí)對(duì)通信電纜影響示意圖

計(jì)算條件如下：直流線路工作電壓±200 kV；海纜對(duì)海面深度20 m；布置方式：直流海纜位于通信電纜上方，上下間距1 m，假設(shè)海纜距通信電纜在30～50 m發(fā)生故障。

單位長(zhǎng)度上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式如下：

式中：ω為短路電流等效角頻率，ω=2πf（rad/s）；μ0為真空磁導(dǎo)率；Id為電力電纜屏蔽層短路電流，Id= 15 kA；d為電力電纜與通信電纜的中心距（m）；D為通信電纜金屬護(hù)套外直徑，D=25 cm。

圖4為單極短路故障時(shí)，通信電纜在不同位置處的暫態(tài)感應(yīng)動(dòng)勢(shì)。由圖4可看出，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800 V，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)間距增加到1 m的時(shí)候，磁感應(yīng)電壓減小到580.5 V，參照GB 6830-1986給出的650 V限值，此時(shí)可以滿足要求。

圖4 單極短路故障時(shí)，通信電纜在不同位置處的暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

2.2 交叉敷設(shè)時(shí)電磁干擾安全距離分析

海底電纜與通信電纜交叉影響主要考慮跨越、上下交叉等影響，簡(jiǎn)化示意圖見圖5。這里以較為嚴(yán)重的情況為例，海底電纜容量100MVA，與通信電纜平行距離為16 km的情況進(jìn)行交叉變換，以1m為間距進(jìn)行計(jì)算，交叉角度θ從0～90°變化，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 通信線路與海纜交叉的計(jì)算示意圖

由圖6可以看出，單極短路故障時(shí)，通信電纜在不同交叉角度時(shí)的暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著交叉角度的增大急劇減小，超過(guò)10°，暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降為0。從電磁場(chǎng)的角度很好理解，那就是當(dāng)通信電纜與電力電纜交叉時(shí)，由于長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于中心間距，可以近似認(rèn)為通信電纜對(duì)于電力電纜中心對(duì)稱交叉，這樣在通信電纜上的磁通方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)完全抵消。因此，即使在安全間距極小的情況下小角度交叉，也能滿足電壓限值的要求。

圖6 單極短路故障時(shí)，通信電纜在不同交叉角度時(shí)的暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

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

海纜正常敷設(shè)時(shí)采用拋放或埋設(shè)兩種方式，但遇到不良障礙物，如基巖、管線時(shí)，需作特殊處理。本工程設(shè)計(jì)要求海纜全程埋設(shè)，故遇到障礙物及不良地質(zhì)均需采用相應(yīng)技術(shù)措施。

3.1 海纜與金屬管線交越敷設(shè)保護(hù)性措施

設(shè)計(jì)根據(jù)以往海纜工程與管線交越措施的經(jīng)驗(yàn)，推薦兩種方案：（1）即在交越點(diǎn)及其兩側(cè)各30～40 m長(zhǎng)度的海纜加裝保護(hù)管保護(hù)，不埋設(shè)（保護(hù)管見圖7）；（2）采用拋石保護(hù)。但根據(jù)該海纜路由工程地質(zhì)勘察報(bào)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小于80 kPa，若采用拋石方案，會(huì)引起海底管線的下沉與縱向應(yīng)力，對(duì)海底管線產(chǎn)生不利影響。因此不宜采用拋石保護(hù)的方案。

圖7 海纜保護(hù)套管示意圖

3.2 海纜在不良地質(zhì)處敷設(shè)保護(hù)性措施

對(duì)于海纜敷設(shè)而言，海底不良地質(zhì)主要分為基巖、潮流沖刷槽。設(shè)計(jì)根據(jù)兩種不良地質(zhì)，推薦兩種方案?jìng)溥x：

（1）采用海底電纜專用不銹鋼保護(hù)管保護(hù)。

過(guò)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，整平基巖面，直接在巖面上開鑿電纜溝，深0.5 m，寬1.2 m，海纜套上海纜保護(hù)套管后放置槽溝內(nèi)進(jìn)行固定。

過(guò)潮流沖刷槽保護(hù)：海纜在敷設(shè)前，確定潮流沖刷槽位置及距離，先用埋設(shè)裝置開挖，深度不小于60 cm，再把海纜套上保護(hù)套管后敷設(shè)至溝內(nèi)。

（2）采用海底電纜拋石保護(hù)。

采用拋石方案首先確定保護(hù)區(qū)域的精確坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)要計(jì)算石料層的覆蓋厚度、長(zhǎng)度及拋石工程量。設(shè)計(jì)方案的堆石體采用了兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層即濾層為碎石，外層即鎧裝層為組合塊石，見圖8。

圖8 拋石方案示意圖

針對(duì)堆石層設(shè)計(jì)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)進(jìn)行初步計(jì)算，選用了伊茲巴什（Isbash）公式，其數(shù)學(xué)模型見下式：

式中：Ws為塊石穩(wěn)定重量（kg）；K為系數(shù)，取0.0155；ρs為塊石密度（kg/m3）；ρ0為海水的密度（g/cm3）；g為重力加速度（m/s）；V0為流速（m/s）。

表1列出了3種海流狀態(tài)下的塊石穩(wěn)定重量。

表1 不同石料密度下的穩(wěn)定重量表

拋石保護(hù)方案還需對(duì)塊石對(duì)海纜的沖擊力、塊石沉降的動(dòng)力速度、塊石堅(jiān)向運(yùn)動(dòng)微分方程推導(dǎo)、塊石水平運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)、塊石沖擊速度與入射角度等方面作詳細(xì)分析，這里就不一一羅列，總之該方案是一項(xiàng)非常復(fù)雜、技術(shù)含量很高的工程，不僅是設(shè)計(jì)方面，更重要的是體現(xiàn)在施工方面，對(duì)施工單位的施工能力要求很高。目前這一項(xiàng)工程一般都是國(guó)外施工單位承建。

綜合分析兩種方案的造價(jià)、施工難度、施工周期等因素，最終采用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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)高壓直流電纜絕緣型式現(xiàn)狀分析及對(duì)各種敷設(shè)方式的電纜載流量計(jì)算，最終確定采用單芯銅導(dǎo)體XLPE絕緣擠包直流電纜，電壓等級(jí)±200 kV，導(dǎo)體截面采用1×300 mm2，載流量為250 A。

（2）通過(guò)分析、建模，計(jì)算得出直流海纜與通信電纜平行敷設(shè)時(shí)安全距離需控制在不小于1m；交叉時(shí)，直流海纜與通信電纜交叉角度控制在不小于10°。

（3）分析比較海纜與管線交越及不良地質(zhì)處敷設(shè)的兩種保護(hù)性方案，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：采用保護(hù)套管，可操作性強(qiáng)，造價(jià)低，施工難度不高；采用拋石保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行效果好，但造價(jià)很高、施工難度大。綜合考慮本工程海纜敷設(shè)保護(hù)方案采用保護(hù)套管。

［1］ DL/T 401-2002 高壓電纜選用導(dǎo)則［S］.

［2］ IEC 60287-1994 電纜連續(xù)載流量計(jì)算（100%負(fù)載系數(shù)）［S］.

［3］ 馬國(guó)棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［4］ DL 5033-1994 送電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)影響設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［5］ GB 6830-1986 電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的容許值［S］.

［6］ 趙婉君.高壓直流輸電工程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.189-190.

［7］ GB/T 18480-2001 海底光纜規(guī)范［S］.

［8］ YD 5102-2003 長(zhǎng)途通信干線光纜傳輸系統(tǒng)線路工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］ 王裕霜.500kV海底電纜后續(xù)拋石保護(hù)工程建設(shè)［J］.電力建設(shè)，2012，33（8）：116-118.

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HVDC Submarine Cable Selection and Protection

GAO Ling-ling，YUAN Jie
（Zhoushan Electric Power Bureau，Zhoushan 316000，China）

Based on the actual submarine cable project design as an example，firstof all，through the DC cable insulation type analysis and ampacity calculations to determine the model of HVDC submarine cable；Secondly，through the neighboring DC submarine cable and communication cable situation analysis，the calculated DC submarine cable and communication cable laying parallel safety distance and cross the DC submarine cable crossing angle control and communications；Finally，given in detail with submarine pipeline crossing and adverse geological laid at protective measures the two programs together their strengths and weaknesses，with a protective sleeve to protect the program.

HVDC submarine cable；cable selection；laying protection

TM247.9

A

1672-6901（2014）03-0027-04

2013-10-28

高玲玲（1984-），女，助理工程師.

作者地址：浙江舟山市定海惠明橋惠飛路 600號(hào)［316000］.