我国发展直流海底电力电缆的前景

应启良

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

海底电力电缆是海底输电工程中最重要的设备之一。海底电力电缆跨越海峡、江河，连接国际、国内区域电网，以平衡电力供需，进行电力贸易，或用以连接近海岛屿与大陆电网，提高独立岛屿电网运行的可靠性和稳定性。迅速发展的近海风电场输出电力与大陆电网并网亦需要采用海底电缆。国际、国内对海底电缆的需求日益增长。

海底电缆是电力电缆中综合电气和机械性能要求最高的产品。海底电力电缆工程亦是最困难和技术要求最高的输电工程。世界各国已经建成数量很大的海底电力电缆工程。其中重要的海底电力电缆工程概要见表1所示。

从表1可见，世界上海底电力电缆线路最长、电压等级最高、输电容量(或功率)最大的海底电力电缆工程均是直流海底电力电缆。

直流海底电力电缆最主要的电缆类型为粘性浸渍纸绝缘电缆、充油电缆和交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆。

1 直流海底电缆输电工程特点

直流海底电缆输电相比于交流海底电缆输电具有直流输电所有的优点，包括线路电流和功率调节比较容易，可实现不同频率或相同频率交流系统间非同步联线，没有系统稳定问题;交流输电有要求沿线安装并联电抗器以补偿电缆线路无功消耗及避免末端或电缆线的中间电压升高的问题，采用直流海底电缆就无此困难。上世纪90年代发展并开始工业性试验和工程应用的柔性直流输电系统具有在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变的特点［1］。柔性直流系统用XLPE电缆由于运行时不经受直流电压极性反转，绝缘中空间电荷积聚影响减轻，耐受直流电压和雷电冲击性能提高。电缆可以采用较高设计电场强度，从而减薄绝缘厚度，减小电缆结构尺寸和重量。

表1 各国重要的海底电缆工程概要

除上述直流系统的特点以外，直流电缆本身相比交流电缆具有明显的优势。在相同的电缆类型、导体截面和敷设安装条件下，直流电缆比交流电缆具有大得多的载流量和输电容量;低得多的运行损耗以及允许的线路长度远超过交流电缆。以下以具体设计的电缆进行分析比较。

2 直流电缆和交流电缆的载流量计算和输电容量比较

2.1 直流电缆的载流量计算方法和条件

2.1.1 按热性能计算允许载流量

按导体允许最大温度计算直流电缆载流量是其安全运行必须满足的界限值。采用IEC 60287第1部分1.4.1.2计算。

2.1.2 直流电缆负载运行时，绝缘电场强度按绝缘稳态电流场分布

考虑绝缘电阻系数随温度和电场强度改变因素，在首先满足热性能限制载流量条件下，由允许电场强度限值，确定实际允许载流量。

(1)充油电缆和粘性浸渍纸绝缘直流电缆允许载流量计算

这两种绝缘油浸渍纸绝缘电缆在直流电压下亦产生空间电荷积聚，但并不明显影响绝缘在直流电压下的运行性能(以后讨论)，因此仅考虑绝缘的电阻系数随温度和电场强度影响因素，按稳态电流场的电场强度分布确定载流量如下。

充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆的绝缘电阻系数随温度和电场强度变化按式(1)表示:

式中，ρ为绝缘电阻系数;α为其温度影响系数(℃－1);θ为绝缘温度(℃);b为其电场强度影响系数(mm/kV);E为绝缘电场强度(kV/mm);ρo为参考温度和电场强度下的电阻系数。

对此两种电缆，取 α=0.1℃－1;b=0.03 mm/kV。绝缘半径为r处按稳态电流场确定的电场强度按式(2)计算。此计算式导出见参考文献［2］。

式中，U为绝缘施加电压(kV);δ由式(5)计算。

绝缘温度分布系数为:

式中，Δθ为导体与绝缘表面温差。

［2］，中间参数为:

式中，R为绝缘半径;rc为导体屏蔽半径。

计算程序为:按3.1.1求得的直流电缆热性限定载流量，按此计算绝缘温差，从而确定绝缘表面电场强度(稳态电流场下电场强度最大值)和导体屏蔽电场强度。如绝缘表面电场强度大于绝缘电场强度限值(见3.1.3)，则逐步降低载流量，由计算机程序按精度要求反复计算，直至不超过电场强度限值，以确定直流电缆有负载时允许载流量。

(2)XLPE绝缘直流电缆允许载流量计算

挤包绝缘电缆如XLPE直流电缆，在直流电压下表现出明显的空间电荷积聚现象。呈现空间电荷积聚的XLPE绝缘引起电场强度升高，不适用直流电压下运行。由此设定抑制空间电荷积聚的XLPE电缆的载流量计算可参照直流油浸纸绝缘电缆在负荷运行条件下绝缘电场分布和载流量计算方法确定其载流量。

XLPE电缆绝缘的直流电阻系数的温度与电场强度影响系数采取聚乙烯绝缘相应值:α=0.15℃－1;b=0.15mm/kV。

按此计算直流XLPE电缆载流量。

2.1.3 直流海底电缆载流量计算条件

(1)电缆于海底下埋深2 m;海底土壤温度25℃;土层热阻系数1.0 K·m/W。

(2)电缆导体运行最高温度:XLPE电缆90℃;充油电缆90℃;粘性浸渍纸绝缘电缆(木纤维纸)50℃。

(3)直流海底电缆绝缘稳态电流场的电场强度限值:XLPE电缆为30 kV/mm;充油电缆为30 kV/mm;粘性浸渍纸绝缘电缆(木纤维纸)为28 kV/mm。

2.2 交流海底电缆载流量计算方法和条件

交流电缆载流量计算采用IEC 60287标准。交流海底电缆载流量计算条件与3.1.3直流海底电缆载流量计算条件相同。

交流海底电缆导体最高运行温度:XLPE电缆90℃;充油电缆90℃。

2.3 载流量计算所取电缆的设计参数

(1)电缆绝缘厚度。交流海底电缆绝缘厚度采用相应国家标准规定数值;对直流海底电缆，参照各国研发和生产的直流电缆的绝缘厚度，取较厚值，对载流量计算影响不大。

(2)海底电缆铠装结构。交流电缆铠装结构分钢丝铠装和扁铜线铠装;直流电缆均为钢丝铠装。

2.4 直流海底电缆和交流海底电缆载流量比较

按以上载流量计算，得出 500 kV、200 kV、110 kV直流海底电缆和交流海底电缆载流量。以500 kV直流海底电缆和交流海底电缆载流量为例，如图1、图2所示。

图1为500 kV直流充油电缆和交流充油电缆载流量比较。图例中，DC表示直流电缆;AC-1表示交流电缆，钢丝铠装;AC-2表示交流电缆，扁铜线铠装。

图1 500 kV直流充油电缆和交流充油电缆载流量比较

图2为500 kV直流XLPE电缆和交流XLPE电缆载流量比较。图例中，DC表示直流电缆;A-1表示交流电缆，钢丝铠装;A-2表示交流电缆，扁铜线铠装。

2.5 直流海底电缆输电容量(功率)和交流海底电缆输电容量比较

从直流海缆和交流海缆载流量计算，表明直流海底电缆的载流量明显大于交流海底电缆。结合海缆工程，直流海底电缆输电容量(功率)远大于交流海底电缆输电容量，比较如表2所示。例如500 kV充油电缆，按相同系统标称电压，导体截面1 000～3 000 mm2三根直流充油海底电缆组成系统(如为两根两极，一根单极运行)的传输容量(功率)约为三根交流充油海缆输电容量(按输电容量较大的扁铜线铠装电缆比较)的2.48倍(导体截面1000 mm2)～3.67倍(导体截面3 000 m2)。

图2 500 kV直流XLPE电缆和交流XLPE电缆载流量比较

表2 500 kV直流海缆输电功率与交流海缆输电容量比较

我国500 kV海南联网交流充油海底电缆(Nexans公司设计制造)，扁铜线铠装，导体截面800 mm2，三相传输容量为700 MVA。改为直流输电的输电容量的设计评估，三根电缆改为直流运行(如两根电缆双极，1根电缆单极运行)的输电功率为1 719 MW，相应直流电缆输电功率与交流电缆输电容量比为2.46倍，与表2评估值相一致。表明直流海底电缆的输电能力远超交流海底电缆。

3 直流海缆与交流海缆输电损耗比较

直流海底电缆无任何交变电磁场引起导体、金属套和铠装损耗，亦不存在绝缘的介质损耗，因而运行损耗远低于交流海底电缆损耗。现以500 kV海底电缆为例比较直流电缆和交流电缆运行时的输电损耗(见表3)。

表3 直流海缆与交流海缆输电损耗比较

由表3可见，相同传输电流条件下，500 kV直流充油电缆的输电损耗约为交流钢丝铠装充油电缆的7.8%～19%，为交流扁铜线铠装充油电缆的15%～35%;500 kV直流XLPE电缆的输电损耗约为钢丝铠装XLPE电缆的11%～26%，直流XLPE电缆的输电损耗为交流扁铜线铠装XLPE电缆的24%～41%。由于海底电缆一般为大长度电缆，电缆输电损耗与长度成正比。采用直流海底电缆对于减少输电损耗，降低CO2排放，具有实际技术经济意义。

4 直流海底电缆和交流海底电缆线路长度

交流海底电缆由于电容电流按电缆长度正比增大，在电缆允许载流量限制下电缆线路长度受限。实际交流海缆系统为提高传输电流和减少线路的无功功率，抑制线路中间和末端电压过分升高，在线路末端和中间(如有可能，如两段海缆的中间岛屿)需装置并联电抗器补偿。海底电缆线路长度还受电缆制造长度和工厂软接头是否开发应用的限制。对充油海底电缆线路长度还受到供油距离的限制。对于必须采取线路中间无功补偿，而无法安装并联补偿的海底电缆线路就只有采用直流海底电缆输电。

从表1可见，目前世界各国500 kV交流海底电缆线路长度最长为30 km左右。交流充油海底电缆最高电压等级为500 kV。交流XLPE海底电缆目前已经运行的最高电压等级为420 kV，敷设用于挪威西海岸的天然气生产平台与大陆电网的连接海缆，线路长度2.4 km，但无工厂软接头。日本已研制275 kV交流XLPE电缆软接头。大长度超高压交流海底电缆发展的关键是工厂软接头的开发和实际应用。

一般110～220 kV交流海底电缆最大长度为70 km。直流海底电缆没有如交流海缆因电容电流限制线路长度和由于无功功率过大引起线路末端和中间电压过分升高因而必须采用无功补偿的限制的问题。如表1所示，直流粘性浸渍纸绝缘海底电缆线路长度已达580 km。500～600 kV粘性浸渍纸绝缘海缆和充油电缆软接头已不是技术障碍。目前柔性直流输电适用的直流XLPE电缆电压已达350 kV等级，其相应电缆线路长度可以达到与粘性纸绝缘海底电缆相当的长度，没有长度限制。直流充油电线的长度仍受供油区段长度限制，与交流充油电缆线路允许长度相近。

5 我国发展直流海底电力电缆的前景

5.1 发展前景

我国海域辽阔，海岸线长，沿海岛屿需要采用海底电力电缆与大陆主网连网，以保证电力供应，提高电网运行稳定性。我国近海大陆架油田和天然气开发以及近海风电场建设对采用海底电缆与大陆电网并网需求趋势强劲。从以上分析可见，采用直流海底电缆相比交流海底电缆输电优势显著。随着电力电子技术和直流输电技术的发展，直流输电所需换流器成本高、损耗大等主要发展障碍将会逐步克服，并取得实质性进展。我国发展直流电缆输电的必要性是肯定的。在有些运行条件下，如超大长度海底输电线路，直流电缆输电会是优先方案，甚至成为唯一的选择。

但是我国电力电缆技术的发展很不平衡。上世纪80年代起，由于城市电网改造需要110 kV和220 kV XLPE电缆和附件，我国开始不断引进国外先进的 XLPE电缆生产线，大批量生产110 kV、220 kV XLPE电缆。随之，我国国产充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆的生产和发展因为市场需求减少而不断萎缩。至今我国110～220 kV XLPE电缆生产能力已达3万km以上，远超过市场需求。直流XLPE电缆研发生产所需工艺和制造装备基本同交流XLPE电缆。我国应充分发挥引进先进的XLPE电缆生产线的优势技术和充裕的生产能力以及研发生产交流XLPE海底电缆的经验积累和成果，以直流XLPE电缆作为直流海底电缆发展的主要产品，暂时不考虑发展直流充油电缆和直流粘性浸渍纸绝缘电缆。

5.2 直流XLPE电缆的关键技术

5.2.1 XLPE绝缘空间电荷积聚、移去和抑制机理的研究

直流电缆在直流电压系统下运行引起空间电荷积聚致使绝缘耐受电压下降并非XLPE电缆特有性状。直流充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆亦产生空间电荷积聚。1972年Bahder等研究高压直流电缆绝缘配合特性。研究结果表明，充油电缆和粘性浸渍电缆试样，在经直流电压预压后，反极性雷电冲击击穿电压下降，并明确指出这是因空间电荷积聚而引起电场升高，导致绝缘的反极性的雷电冲击时耐受电压(相比未经直流预压试样)下降。Bahder定义因直流预压引起雷电冲击击穿电压下降值与预压直流电压之比为直流预压贡献系数［3］，以后为各国普遍认同，并将此系数称为Bahder系数。Bahder等人发布的充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆在直流电压预压后施加反极性雷电冲击击穿试验结果及相应的Bahder系数如表4所示。

从表4试验结果可见，粘性浸渍纸绝缘电缆和充油电缆经直流预压处理后，反极性雷电冲击击穿电压均有不同程度下降(以 Bahder系数表征)。Bahder系数越小，表明空间电荷影响越少;反之越明显。以上结果表明，油纸绝缘电缆同样存在因直流电压预压后引起空间电荷积聚，而使绝缘耐受雷电冲击击穿电压下降。

表4 粘性浸渍纸电缆和充油电缆经直流预压后施加反极性雷电冲击击穿电压试验

粘性浸渍纸绝缘电缆(包括聚丙烯复合木纤维纸PPLP绝缘粘性浸渍电缆)和充油电缆均是公认可以在交流和直流输电系统运行的电力电缆。如表1所示，其适用的系统输电电压和线路长度均达到直流电缆的最高值。油纸电缆绝缘在直流预压后产生空间电荷积聚，使反极性雷电冲击击穿电压下降，影响其直流电压下可靠运行性能。对此进行研究分析，不仅具有理论价值，而且对借鉴研发直流XLPE电缆具有积极意义。

各国已经对XLPE绝缘直流电缆和抑制空间电荷XLPE绝缘料的研究开发进行了大量试验研究。文献［4］引用直流XLPE等挤包绝缘电缆经直流预压后雷电冲击击穿电压改变，得出的Bahder系数如表5所示。

表5 文献［4］引用直流XLPE等挤包绝缘电缆的Bahder系数

比较表4和表5，可见粘性浸渍纸绝缘电缆和充油电缆的Bahder系数并不显著大于当时XLPE挤包绝缘直流电缆，表明直流预压对粘性浸渍纸绝缘电缆和充油电缆的反极性雷电冲击击穿电压下降影响程度与当时XLPE挤包绝缘直流电缆相当。

5.2.2 直流XLPE电缆用XLPE料的研发

日本开发500 kV直流XLPE电缆所采用抑制空间电荷积聚的XLPE料的主要技术方案有导电无机填料XLPE料、极化无机填料XLPE料、具极性基团的XLPE料以及极性基团聚乙烯料［5］。这些材料均要求具有高的体积电阻系数和直流电压下低的空间电荷积聚性能。模型电缆试验表明其Bahder系数不大于0.5。已按此研究开发500 kV直流XLPE电缆以及相应的工厂软接头。500 kV直流XLPE电缆和工厂软接头已经通过国际大电网会议推荐试验规范，海底电缆机械试验(Electra 171)和电气试验规范(Electra 189)。

近期日本试验在低密度聚乙烯(LDPE)中加入纳米MgO，此LDPE/纳米MgO复合材料呈现优良的抑制空间电荷特性［6］。电场作用下绝缘中形成的电离电荷或注入电荷能被吸引进入浅陷阱，但浅陷阱中电荷在电场和温度作用下容易脱离陷阱。而绝缘含有强极化的纳米MgO形成深陷阱，会牢固吸引电荷使其无法脱陷。此为另一可能开发直流XLPE电缆适用的抑制空间电荷积聚的XLPE绝缘料的技术路线。

我国相关单位已经开展上述直流XLPE材料的研究开发工作。正确选择技术路线，加快直流XLPE料的研究开发，是我国发展直流挤包绝缘电缆包括XLPE电缆的首要工作。应加强基础研究，充分考虑油纸绝缘电缆直流运行下的空间电荷积聚以及消除其影响的机理，深入研究挤包绝缘如XLPE绝缘空间电荷积聚和抑制空间电荷有效措施，加快抑制空间电荷的直流XLPE绝缘料的研究开发和相应的高压直流XLPE电缆研制和工程应用的步伐。

5.2.3 直流XLPE海底电力电缆附件的研发

(1)工厂软接头。大长度海底直流电缆关键附件是工厂软接头。目前ABB公司已开发320 kV三元乙丙EPDM橡胶预制绝缘工厂软接头，以具非线性介电性能电场控制层和应力锥作电场控制元件，连同电缆，参照国际大电网会议推荐试验规范(技术手册TB219)，通过相应的型式试验和负荷循环试验。我国已经自主开发挤塑模塑型交流110 kV交流XLPE绝缘海底电缆工厂软接头。在具备抑制空间电荷XLPE料研制直流XLPE电缆的同时，应研究开发直流XLPE海底电缆工厂软接头。抑制空间电荷积聚、改善电场分布，是研制直流挤包绝缘电缆工厂软接头的关键技术问题。

(2)户外终端。对直流XLPE海底电缆户外终端，提高外绝缘耐受雷电冲击电压水平和污秽环境下直流放电性能将是突出的问题。500 kV直流高压设备外绝缘的爬电距离将高达22 000 mm(瓷套高度6 300 mm)，爬电比距达44 mm/kV。远超过交流输变电设备外绝缘污秽最高等级的爬电比距，31 mm/kV。采用类似交流系统使用的电容锥结构，但以电导均压的内绝缘，控制外绝缘表面电场均匀分布设计，以提高直流海底电缆户外终端的外绝缘耐受雷电冲击电压和耐受直流电压污秽闪络放电性能。

5.2.4 直流XLPE电缆制造关键工艺和制造装备的改进

研究表明，XLPE电缆交联后经长时间高温和真空处理，可清除交联工艺过程产生的不耐热的残留物，同时XLPE绝缘的结晶相和无定形相界面会减少，绝缘中空间电荷会减少或消失［7］。直流XLPE电缆的制造工艺研究和现有交联电缆制造装备(CCV和VCV生产线)的相应改进和交联后处理工艺和设备改进同样至关重要。

6 结论

海底电缆是海底输电工程最重要的装备之一。由于海底电缆线路长，价格昂贵，提高运行性能，特别是其输电容量，是海底电缆研究开发重要的目标之一。直流海底电缆在相同导体截面、相同电缆型式和相近敷设环境条件下，其输电容量(功率)远超过交流海底电缆，并且运行损耗低和允许线路长度较长。直流输电技术运行调节比较灵活，柔性直流输电系统适用于连接分散的小型发电系统且具有运行时不发生直流电压极性反转的特点，我国发展直流海底电缆和直流海底电缆输电工程的必要性是肯定的。在有些运行条件下，例如超大长度海底电缆线路，采用直流海底电缆会是优先方案，甚至是唯一的选择。直流海底电缆输电工程的换流站和无功补偿装置价格昂贵和功率消耗较大的问题，将随着电力电子技术发展和新技术应用逐步改进，直流海底电缆工程的技术经济性会不断提高。

根据我国电力电缆技术开发和制造能力不平衡的实际情况，首先发展直流XLPE电缆，推进直流电缆输电工程应用是合理的选择。应集中开发研究的优势力量，通过对不同绝缘电缆空间电荷积聚、抑制和消除的机理的深入研究和对比分析，加快直流XLPE绝缘料和相应技术的研究开发，推进直流XLPE电缆技术发展和工程应用。

参考文献:

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［4］寺岛一希等.直流挤包绝缘电缆绝缘设计方法研究［J］.T.IEE Japan 1999，119(2):212-222.

［5］Maekawa Y，et al.Research and development of DC ± 500 kV extruded cables［C］.CIGRE Session 2002:21-203.

［6］Tatsuo Takada，et al.Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and lnduced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite［J］.IEEE Trans.On DEI，2008，15(1):152-160.

［7］王新生，屠德民，刘国福，等.直流电场和热处理对XLPE电缆中空间电荷的影响［J］.电线电缆，1977(2):2-8.