海上风电送出交流高压单芯电缆并联通流特性研究

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引 言

电力电缆的可靠性高，性能稳定，不易受到气候和环境的影响且节约占地，因此电缆得到越来越广泛的应用。随着社会经济的发展，用电量的不断增加，对电网输电容量要求越来越高，为了满足电网的输电要求，采用多回电缆并联运行日益普遍[1-6]。

对于海上风电送出，由于应用场所的特殊性，目前均采用电缆作为输电通道。风机发出的电能，一般升压至35 kV后，由电缆送至升压站升压至220 kV，再通过220 kV电缆送至海上换流站或者直接接入陆上交流电网。当风场输送功率较大时，220 kV电缆流过的电流会很大。由于目前电缆制造工艺的限制，220 kV交流电缆的通流容量已达到瓶颈，在超过单根电缆通流容量的情况下，需采用多根电缆并联进行输电。当电缆相距较近时，会存在临近效应，导致同相并联的电缆之间的阻抗存在差异，阻抗越大则电流越小。每根电缆都会受到同相和非同相的其他电缆的影响，且电缆的布置方式不同，影响程度不一样[7-11]。因此，当并联通流的电缆布置方式不合适时，可能会导致并联电缆之间的电流分配出现严重不均衡的情况，这样就无法充分使用并联电缆的输电容量，甚至会导致分流较大的电缆烧毁的现象[12]。

因此，从提高电缆线路载流能力利用率和保障电缆绝缘可靠性和运行寿命来考虑，研究电缆并联通流时的电流分配系数具有显著的技术和经济价值。

1 电缆阻抗参数计算

电缆阻抗参数的计算已有多种理论计算方法，其中Carson-Clem理论的计算准确性和适用性最优。以单导线-大地的简单回路为例，其中导线a与大地平行，如图1所示。图中：g为大地回流的虚拟导线；Ia为导线中流过的电流；Ig为通过虚拟导线回流的电流；Dag为虚拟返回导线与导线的距离，其取值与大地电阻率有关[13-14]。

图1 单导线-大地回路

根据图1的线路模型，导线与大地构成的回路自阻抗为

(1)

当两根平行导线与大地构成回路时形成的两个回路之间的单位长度互阻抗，可视为一个回路流过单位电流时在另一个回路上产生的电压降(数值上相等)。因此，可求得两根平行导线AB间的互阻抗ZAB为

(2)

式中，DAB为两根平行导线间的距离。

对于电缆阻抗参数计算来说，与导线最大的不同之处在于金属护套的存在(一般为铅护套或者铝护套)。金属护套的处理，大多将其视为导线。因此，金属护套Zs的自阻抗计算公式为

(3)

式中：rs为金属护套的电阻；Ds为金属护套的几何平均半径。

两根电缆x、y的金属护套之间的互阻抗Zsxy为

(4)

式中,Dsxy为电缆x和电缆y金属护套之间的距离。

电缆芯线与金属护套之间的互阻抗Zcs为

(5)

对于ABC三相交流电缆，芯线与金属护套的阻抗矩阵为

(6)

式中：UcA、UcB、UcC为三相芯线电压；UsA、UsB、UsC为三相金属护套电压；ZcXX、ZcXY为芯线自阻抗和相间芯线互阻抗；ZsXX、ZsXY为金属护套自阻抗和相间芯线互阻抗；ZcXsX、ZsXcX、ZcXsY、ZsXcY为同相和非同相芯线与金属护套之间的互阻抗，X、Y分别代表ABC中任意两相。

2 电缆仿真模型建立

对于电缆阻抗计算，相比于采用Carson-Clem理论阻抗矩阵的计算方法，采用PSCAD/EMTDC建模仿真计算更为便捷和快速，PSCAD/EMTDC有专门针对电缆的模型，将电缆实际参数输入模型即可。

仿真中采用的220 kV电缆型号为YJLW02-Z 220 kV 1*2500(F)mm2，电缆截面和参数见图2和表1。

图2 电缆横截面

表1 电缆结构参数

PSCAD/EMTDC仿真模型需对实际的电缆模型进行一定的简化处理，经过简化后的电缆模型分为4层，分别为芯线、内绝缘层、金属护套、外绝缘层。

3 并联电缆载流计算

在PSCAD/EMTDC中建立两回三相并联电缆运行分流的仿真模型，如图3所示，电缆长度、电缆间距和电缆布置情况均可通过修改模型相关参数改变。

3.1 并联电缆分流不均系数

电缆并联运行时，同相电缆间流过的电流可能由于阻抗不同导致分流不均，采用分流不均系数K来衡量。针对两回电缆并联运行的情况进行计算，K的定义见式(7)，K值越接近1，表明并联电缆间分流越均匀，运行状况越理想。

(7)

3.2 并联电缆分流不均系数影响因素

1)电缆布置形式

下面列举了8种工程实际中可能用到的电缆布置形式，如图3所示，图中Ⅰ和Ⅱ表示两回电缆线路，a和b表示电缆间距。分别计算这8种情况三相电缆的K值，并对计算结果进行分析。按照前面所述的电缆参数建立电缆模型，电缆参数考虑3种情况：①电缆长度l=6 km，电缆间距a=0.2 m，b=0.5 m；②电缆长度l=6 km，电缆间距a=1.0 m，b=2.5 m；③电缆长度l=30 km，电缆间距a=0.2 m，b=0.5 m。

图3 两回三相并联电缆分流仿真模型

表2 不同双回电缆布置方案电缆分流系数计算结果

图4 不同双回电缆布置方案

根据图4中8种电缆布置情况，建立仿真模型，计算得到的双回电缆分流系数计算结果见表2所示。

由于并联电缆各相施加的电压相同，且电缆的规格相同，因此导致电缆间电流分配不均匀的主要原因是电缆导体互阻抗的差异。

由表2的计算结果可以看出，方案1和方案2并联电缆电流分配极不均匀。若采用这两种布置方案，不仅会造成电缆选型方面的浪费，而且在故障过流情况下，可能使并联电缆的其中一根超过其限制而过热损伤。

总体而言，方案3、4、5、6最优，并联电缆中流过的电流大小相同，能完全利用到电缆的载流能力；其次是方案7、8；再次是方案2；最差的是方案1。

从8种方案的布置情况来看，对于同相两根电缆，若它们的布置在整个两回三相电缆布置中的相对位置越对称，则二者的互阻抗差异越小，而自阻抗均相同，所以两根电缆间的电流分配会越均匀，分流系数越接近于1。在8个布置方案中，方案3、4、5、6中同相的电缆受其余电缆影响而产生的互阻抗均完全相同，因此，分流系数均为1，为最优布置形式。

对于输电走廊紧张的城市电缆线路而言，方案5、6是最优选择，既可节约走廊宽度，又能充分利用电缆的载流能力。在高度受限的应用场合(如电缆夹层、活动地板等)，方案3为最优方案。

2)电缆间距

下面以方案1的布置方式，研究电缆间距对分流不均匀系数的影响。

当电缆平行布置时，改变电缆间距是一种可行的措施，分别计算方案1情况下电缆间距为0.2 m、0.4 m、0.8 m、1.6 m、3.2 m和6.4 m等6种情况下K值的变化情况，如图5所示。

由图5可看出，随着电缆间距的增大，K值趋近于1，并联电缆间电流趋于平均分配。因此，在条件允许情况下，增大并联电缆布置间距，可改善分流不均的状况。

由式(4)可知，单位长度电缆间的互阻抗随电缆间距的增大而减小，而电缆自阻抗不变，因此随着电缆间距的增大，同相两根电缆间的阻抗差异减小，因而电流分布更均匀。

图5 电缆间距对分流不均匀系数的影响

3)电缆长度

分别计算电缆长度为0.1 km、0.4 km、1 km、10 km、20 km、35 km和50 km等7种情况下布置方案1的分流不均匀系数K，计算结果见图6。

图6 电缆长度对分流不均匀系数的影响

由图6可见，随着电缆长度的增加，边相AC的不均匀系数呈增大趋势，尤其C相在电缆长度50 km时，K值已超过2；中相B的不均匀系数无明显变化。因此，在长距离电缆并联输电中，要特别关注电缆的布置方式，否则会出现严重的电流不均现象。

3.3 海上风电送出工程实例计算

某海上风电送出工程，220 kV汇流母线至变压器之间的电缆电流达3600 A，而目前单根220 kV单芯电缆的通流容量一般不超过2500 A，因此需2回电缆并联运行。电缆连接情况如下：电缆以ABCABC的布置方式从GIS引出，经过15 m进入电缆夹层，电缆夹层中长度为50 m，出电缆夹层连接到联接变压器220 kV套管(此段长度为15 m)，变压器套管处的电缆布置方式为AABBCC。

GIS出口处的电缆相序和间距见图7所示。变压器220 kV套管接口处相序和间距见图8所示。

图7 GIS接口处相序布置

图8 变压器220 kV套管接口处相序布置

若电缆夹层中电缆采用GIS出线的布置顺序布置，计算得到的电流不均匀系数K值如表3所示。

表3 优化前并联电缆K值

由表3可见，并联电缆间电流分配很不均匀，这样当发生故障出现暂时过电流时，有可能会超过电缆的通流限值，不利于设备安全稳定运行，因此，需对夹层中的电缆布置进行优化。由于GIS出口至夹层段和联接变压器套管至夹层段长度仅15 m，不便于改变电缆间距和布置方式，因此只能优化电缆夹层中的电缆。将夹层中的电缆布置方式改为ABCCBA。调整后，计算得到的电流不均匀系数K值如表4所示。

表4 优化后并联电缆K值

由表4可见，优化后电缆间电流不均匀程度得到明显改善。采用优化电缆布置能有效改善并联电缆分流不均的问题。

4 结 语

建立PSCAD仿真模型，对交流高压并联电缆的电流分配不均匀系数进行了研究，主要研究工作和结论如下：

1)计算了8种并联电缆布置方案下并联电缆分流系数K值，计算结果表明：方案3、4、5、6最优，并联电缆中流过的电流大小相同，能完全利用到电

缆的载流能力；其次是方案7、8；再次是方案2；最差的是方案1；对于同相两根电缆，若它们的布置在整个两回三相电缆布置中的相对位置越对称，则二者的互阻抗差异越小，而自阻抗均相同，所以两根电缆间的电流分配会越均匀，分流系数越接近于1。

2)对于输电走廊紧张的城市电缆线路而言，方案5、6是最优选择，既可节约走廊宽度，又能充分利用电缆的载流能力。在高度受限的应用场合(如电缆夹层、活动地板等)，方案3为最优方案。

3)增大电缆间距可改善并联电缆分流不均现象，电缆越长，并联电缆分流不均现象越严重。

4)针对工程实例，在既定相序连接的限制条件下提出了优化措施，明显减小了并联电缆分流不均的程度。