提高海底电力电缆载流量的方法探讨

蔡文婷

（上海电缆厂有限公司，上海200093）

海底电力电缆（简称“海底电缆”）是指过江、河、湖、海敷设在水底的电力电缆，主要使用在海岛与大陆或海岛与海岛之间的电网连接、横跨大河或海湾的陆上架空输电线路的连接、陆地与海上石油平台以及海上石油平台之间的相互连接[1]。

随着我国沿海海岛经济及海岛风力发电的不断发展，岛与大陆、岛与岛之间的海底电缆有朝着大容量传输方向发展的趋势。对于海底电缆，由于长度较长，绝大部分敷设于海底，又有钢丝铠装，所以它的传输损耗相对于陆上电缆而言是很大的。而海底电缆的敷设分为3个部分，即海中段、陆上段、空气段。其中陆上段的散热条件不如海中，故载流量是3段中最小的，约为海中部分和空气部分的60%；因此，提高陆上段的允许载流量是提高海底电缆载流量的关键。

本文以110 k V 1×630 mm2交联海底电缆为研究对象，以IEC 60287[2－3]为计算基础，讨论了提高海底电缆载流量的各种方法，对提高海底电缆运行的经济性和稳定性具有一定的参考价值。

1 参数设定

本文以110 k V 1×630 mm2交联海底电缆为例进行讨论。

1.1 海底电力电缆结构

海底电力电缆结构如图1所示。

图1 海底电力电缆结构

由于水底的地质和水文情况的特殊性，海底电缆的敷设和运行的条件与陆地上使用的电力电缆有较大差异；因此，海底电缆在结构上具有不同于陆上电缆的特点。

1.2 敷设条件

敷设条件如表1所示。

表1 敷设条件及其参数

1.3 按IEC 60287标准计算的海底电缆海中段及陆上段的载流量

1.3.1 载流量计算公式

式中，Δθ为高于环境温度的导体允许温升（℃）；Wd为每相单位长度介质损耗（W／m）；T1为导体和金属套之间每根线芯热阻（K·m·W－1）；T2为金属套和铠装之间热阻（K·m·W－1）；T3为外护层热阻（K·m·W－1）；T4为周围介质热阻（K·m·W－1）；n为电缆中导体芯数；R为导体在其最高工作温度下的交流电阻（Ω／m）；λ1为金属套总损耗相对于导体总损耗的比率；λ2为铠装总损耗相对于导体总损耗的比率，其中，金属套或铠装总损耗相对于导体总损耗的比率λ包括环流损耗（λ′）和涡流损耗（λ″）。

1.3.2 计算海中段及陆上段的具体参数及载流量

表2为未采取措施时海中段及陆上段参数表。

表2 未采取措施时海中段及陆上段参数

由上述计算可知，陆上段载流量比海中段载流量小很多，仅为海中段的52.7%。

2 提高海底电力电缆允许载流量的方法

由于陆上段载流量是整个海底电缆载流量的瓶颈，故提高载流量也就是要提高陆上段的载流量，使其符合设计要求。

假设设计所要求的I＝800 A，若按照上述所示的结构，虽然其海中段I＝948.6 A，但陆上段I＝500.2 A，显然达不到设计要求，故提出几种提高载流量的方法。

2.1 提高载流量的传统方法

一般要增加海底电缆的载流量有两种常规方法：① 增加导体截面积；② 采用全铜单丝铠装。

2.1.1 增加导体截面积

若采用增加导体截面积的方法（由住友制造的厦门集美—厦门高崎的海底电缆采用此法），当电缆导体截面积需由630 mm2增大到2 500 mm2时，其具体参数如表3所示。

表3 增加导体截面积时海中段及陆上段参数

此方法虽提高了载流量，但陆上段I＝655.1 A，还是没有满足要求，若再增加导体截面积，则会影响在生产流转过程中的吊装、运输环节，从而减小了单根制造长度，同时消耗了很多铜材（其导体用量约为原来的4倍）；而且由于截面积的增加，其外径变得很大，同时按此结构，钢丝铠装根数将由原来的47根增加到64根，另外还要增加其他材料的消耗。

此外，随着线芯截面积的增大，金属护层的损耗急剧增加。如上计算，当导体截面积为630 mm2时，陆上段的λ1＝1.63，而当导体截面积为2 500 mm2时，陆上段的λ1＝3.14，所以，即使增加导体截面积，载流量也增加有限，无法达到设计要求。

2.1.2 采用全铜单丝铠装

由于海底电缆采用两端接地方式，且钢丝铠装能产生很大的磁损耗，一般金属护层（包括铠装）的传输损耗是导体损耗的80%以上。采用全铜丝铠装后，能使金属护层损耗降至线芯导体损耗的30%，从而大幅度提高海底电缆的载流量（由耐克森（Nexans）公司制造的海南海口—广东湛江的海底电缆采用此方法）。

由于敷设和使用环境条件不同，与陆上电缆相比，海底电缆对机械性能有更严格的要求，海底电缆必须能承受在敷设及回修时的拉、扭等各种应力的作用，并使电缆在使用时免受外力（如抛锚、拖网等）破坏，尤其是使用铜丝铠装，其抗拉强度没有钢丝大，为了不使海底电缆在敷设时被拉断，必须考虑铜丝铠装的机械强度是否符合设计需要。

根据计算，铜丝的安全裕度K＝P／T＝4.02，其中，P为铜丝的机械强度（由于国内敷设水深基本不超过100 m，故现假定敷设水深为100 m），P＝34.6 t；T为电缆自敷设船上入水后的拉力（电缆单位长度质量为32.2 kg／m），T＝8.6 t。

所以，在铜丝的安全裕度K符合要求的情况下，将本文所述的电缆铠装层改为全铜丝结构（47根直径为6 mm的铜丝）后可大大提高载流量，具体参数见表4。

表4 采用全铜单丝铠装时海中段及陆上段参数

此时陆上段的I＝813.1 A，符合设计要求。此方法虽然能在不影响单根制造长度的情况下大幅度提高载流量，但对铜材消耗很大，大大增加了制造成本。

2.2 提高载流量的创意新方法

2.2.1 强迫冷却法

电缆载流量一般在计算环节主要考虑以下因素：环境温度校正、假定电缆回路数、土壤热阻系数、电缆埋深、电缆本体热阻以及持续运行最高允许温度等。所有这些因素围绕的都是一个主题，即电缆运行的环境温度以及散热条件。而电缆一般都是在自然散热条件下工作的，即靠自然冷却来保持热的稳定。对于海底电缆，陆上段土壤的热阻系数要比海中段大，即散热条件较差，这也是造成陆上段载流量远低于海中段的因素之一。所以，可以考虑进一步冷却陆上段海底电缆，降低环境温度，从而达到降低土壤热阻系数、加快散热的目的，以提高海底电缆的载流量。

用人工对电缆进行加速冷却的方法，称为电缆的人工冷却（或强迫冷却）。按冷却部位相对于电缆的部位可以分为内部冷却和外部冷却两大类[4]。

由于外部冷却的限制较少，所以采用在陆上段电缆相间同时埋设冷却水管的方法，以帮助降低电缆埋设处的温度来提高海底电缆的载流量。相对于几千米至几十千米的海缆长度，陆上段（一般为100～200 m）冷却水管的增加费用可以忽略不计。陆上段现场布置模拟图如图2所示。

图2 陆上段现场布置模拟图

如图2所示，为了使每相电缆都有相同的冷却效果，两根水管在三相电缆等间距的位置埋设，并通以循环水，再在终端前设一个圆形逆流式玻璃钢冷却塔来增强冷却效果。

一般海底电缆登陆点都比较荒僻，冷却塔可建在终端站内，无需额外土地，便于管理，而且埋设水管、放置冷却塔简便易行，不会影响电缆的敷设。对于已使用的海底电缆系统，也可以利用此方法进行改造，以提高现有系统的传输容量。虽然此方法尚未在实际线路中运用，但根据上海电缆厂有限公司长期研究的结果，应用计算机有限元法模拟热场计算，采用水管冷却法能大大提高陆上段的允许载流量，具有较为广泛的经济效益和社会效益。

现简述使用有限元法对电缆热场的计算。取1 000 m×1 000 m×1 200 mm的电缆，使用有限元分析软件Solidworks Simulation进行热力分析：土壤表面温度为30℃，并设置为空气对流散热；对于电缆各层及水管、水、土壤等相应材料赋予相应的材料属性，如密度、导热系数等；导体最高运行温度为90℃；水温根据冷却塔的出水温度设置为22℃。运行分析后得到如图3所示，图4为热力图解。

图3 电缆温度分布图

图4 电缆最外层温度为53.57℃

图4中，模型以电缆中心为原点，测距单位为mm，在（X，Y，Z）＝（－0.117，0，0.398）处，即电缆最外层处，其温度为53.57℃。如图4所示，使用Solidworks Simulation分析得出的最外层温度为53.57℃。由于T4对载流量的影响已经在有限元分析时考虑进去了，故在计算陆上敷设段载流量时，T4不计算在内，则陆上段

符合设计要求。虽然载流量得到了提高，但此方法有待在实际线路中进一步验证。

2.2.2 陆上段剥除铠装法

当海底电缆在敷设或回修时，由于海水的深度、电缆的自重以及敷设机械的作用，电缆上会受到很大的机械应力（拉伸、扭转和张力下弯曲）。此外，海底电缆运行在复杂的水下环境中，还会受到船只抛锚、捕鱼作业等外机械力的破坏；因此，为了使海底电缆能承受各种机械应力的作用并抵抗外力损坏，一般采用钢丝铠装结构。

由于钢丝铠装会产生很大的磁损耗，而陆上敷设段不会遇到如在水下的复杂环境，故可在陆上段把钢丝铠装剥去，以提高载流量。此时，陆上段

此方法虽然能消除钢丝磁损耗，但如果仍采用两端终端有效接地的方法，陆上段的环流损耗将随着金属护层截面积减小（因铠装已去除）而增大，故载流量增加有限，仅为630.4 A，还是无法满足设计要求；因此，若采用在上岸处抱箍装备处有效接地，并在终端处保护接地，使陆上段的金属护层损耗只有涡流损耗（仅为导体损耗的1%以下），能大幅提高陆上段的允许载流量。

抱箍装置处接地要包括铅护层有效接地（要能承受几百安培的接地电流），而且抱箍装置在潮涌时会被海水浸没，接地处必须要有密封措施，有一定的难度，上海电缆厂有限公司经过研发，已掌握此项技术，且已取得了实用新型专利（专利号：ZL 2010 20288555.8）。

如图5所示，在海底电缆上岸处采用抱箍装置固定钢丝，然后在陆上段剥去钢丝，使内护套成为外护套；同时，在抱箍装置处安装密封接地装置，使电缆铅包处和接地线有效连接；最后在终端处保护接地。这样陆上段电缆铅护套只有涡流损耗（仅为导体损耗的1%以下），大大提高了陆上段电缆的允许载流量，接近甚至超过海中段的允许载流量。

图5 陆上段接地装置的三维示意图

按IEC 60287的公式计算得出，电缆在陆上段安装接地装置后

完全满足了800 A载流量的设计要求。此方法不仅不需要改变电缆的结构，而且装置简单，易于操作，大大节约了材料消耗。

2.3 提高载流量的方法的经济性分析

表5为2种提高载流量方法的经济性比较。由于制造电缆的主要生产成本为金属材料（如铜丝、钢丝、铅合金等），故在经济性比较中只列出了金属材料的消耗。此外，因强迫冷却涉及的日常维护费用也未列入。

表5中，铜丝以每吨7.2万元计，合金铅以每吨1.8万元计，钢丝以每吨0.78万元计。

表5 2种提高载流量方法的经济性比较

由表5数据比较可看出，钢丝铠装带接地装置所需的金属材料费用最少，为63.0万元／km，比全铜丝铠装节约了85.2万元／km，若按年产100 km计算，用此接地装置的电缆比全铜丝铠装结构电缆每年节约了8 520万元。

3 结 语

本文结合了110 k V 1×630 mm2交联海底电缆在各种情况下的载流量计算，分析了对电缆载流量的影响因素，有针对性地提出了一些提高海底电缆载流量的方法和措施，得出以下结论。

（1）对于提高载流量的传统方法，即增加导体截面积、采用全铜单丝铠装，虽然能提高一定的载流量，但这两种方法都有局限性：前者金属护层损耗比值很大，载流量增加有限；后者对铜的材料消耗很大，大大提高了制造成本。同时，这两种方法有一个共同的缺点，即海中段、空气段的允许载流量远大于陆上直埋段的允许载流量，造成能力放空。

（2）对于在陆上段电缆相间同时埋设冷却水管的方法，虽然能有效改善电缆的散热条件，但需要有人维护，增加了用工成本，故比较适合于改造已使用的海底电缆系统，以提高现有系统的传输容量。

（3）对于采用海底电缆陆上段剥去铠装层，上岸抱箍装置处金属护层有效接地的方法，不但能大大减少材料消耗，降低生产成本，而且操作简单，运行时无需提供能源，大大减少陆上段的电力损耗。同时能使各段的允许载流量基本趋于一致，消除海中段的能力放空。

[1] 李宗延.电力电缆施工手册 [M].北京：中国电力出版社，2001.

[2] International Electrotechnical Commission.IEC 60287－1－1，Electric cables－Calculation of the current rating－Part 1－1：Current rating equations（100%load factor）and calculation of losses－General[S].Switzerland：IEC Publications，2006.

[3] International Electrotechnical Commission.IEC 60287－2－1，Electric cables－Calculation of the current rating－Part 2－1：Thermal resistance－Calculation of thermal resistance[S].Switzerland：IEC Publications，2006.

[4] 王春江.电线电缆手册（1）[M].北京：机械工业出版社，2001.