三芯高压直流海缆结构设计及性能研究

严 彦 ,李盛涛,3 ,葛言杰 ,徐宇峰 ,蔡爱琴 ,蔡 华 ,梁晨晨

(1.中天科技海缆股份有限公司,南通 226010;2.江苏省海洋能源与信息传输重点实验室,南通 226010;3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安 710049)

0 引言

海洋风力发电是目前国际上绿色能源开发的主要关注点之一。随着近海风场的趋于饱和,国内外远海风电场及洲际互联等大容量、远距离海洋输电工程建设规模日趋增长[1-3],具备传输容量大、传输损耗小、传输距离远等优点的交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流海缆得到飞速发展,未来5～10 年高压直流海缆市场的需求量将会激增[4-7]。近年来,随着近海风场趋于饱和,紧张的海洋路由资源、漫长的施工周期及昂贵的施工成本逐渐成为行业的关注重点[8-10],与单芯海缆相比,三芯海缆能够降低施工成本、缩短施工周期、缓解水下输电线路路由紧张现状、减少海缆施工路由数量[11-12],因此研究三芯高压直流海缆具有重要意义。

目前大部分研究均集中在三芯交流海缆、单芯交流海缆和单芯直流海缆。其中,刘英等[13]针对单芯交流海缆不同接地方式进行损耗和载流量计算;郭宜果等[14]进行220 kV 光纤复合三芯海底电缆电气参数计算;赵小令等[15]基于电热场耦合分析针对单芯直流海缆绝缘结构进行研究;刘英等[16]进行500 kV 直流XLPE 海缆的热场及电场仿真研究。

当前对三芯高压直流海缆研究较少,仅有一种多芯直流海缆及相应多芯直流海缆的生产方法[17-18]。本工作结合目前已经成熟的三芯交流海缆及单芯直流海缆结构进行三芯高压直流海缆的结构设计,并对三芯直流海缆的机械性能、电气性能及敷设成本进行分析,为后续的直流海缆研究提供参考。

1 结构设计

1.1 整体结构

目前,三芯海缆结构多用于交流海缆,江苏响水近海风电项目是国内首根三芯220 kV 光纤复合交流海缆,其结构示意图见图1[19]。

图1 三芯交流海缆结构示意图

与交流海缆不同,目前国外高压直流海缆项目均为单芯海缆设计,与三芯交流海缆相比,高压直流海缆在PE 护套外围设计一层由PE 条组成的光纤单元保护层,PE 条直径略大于不锈钢光纤单元,确保不锈钢光纤单元在生产、运输和敷设过程中不受外力作用[20],单芯直流海缆结构示意图见图2。

图2 单芯直流海缆结构示意图

单芯直流海缆在敷设过程中每一根极性海缆均需要一个相对应的路由,考虑到目前大部分项目均要求两根极性海缆搭配一根回流缆构成真双极系统,确保回路运行可靠,则一个高压直流海缆项目需要3 条路由才能满足项目需求。

基于三芯高压交流海缆及单芯高压直流海缆的结构,三芯直流海缆可用两条极性缆搭配一根回流缆组合而成。在电缆运行过程中,当某一根极性海缆故障时,完好的一根极性海缆可借助回流海缆构成回路,确保回路正常运行,通过回流缆线路的最大电流和直流输电线路相同,但运行电压低,其线路电压只是入地电流在导线电阻上引起的压降,即导体截面比极性缆略小,绝缘厚度一般为3.5～4.5 mm,因此回流缆尺寸小于极性缆尺寸,以确保生产过程中3 个电单元外径一致,提高海缆成缆圆整度。须在附加电单元两侧各设置一个成型填充条,保证附件电单元的外径与极性电单元的外径一致。本工作所述三芯直流海缆回流缆结构单元及功能与极性缆相同,仅结构尺寸略小于极性缆,其结构示意图见图3。

图3 三芯直流海缆结构示意图

1.2 结构参数

本工作以±400 kV 直流海缆为例。三芯直流海缆极性缆结构与±400 kV 单芯直流海缆结构一致,回流缆绝缘厚度取4.0 mm,根据载流量与极性缆相同进行回流缆结构设计。±400 kV 单芯直流海缆及三芯直流海缆结构参数见表1。

表1 ±400 kV 直流海缆结构参数

由表1 可知,三芯直流海缆的外径是单芯直流海缆的1.85 倍,空气中单位长度质量是单芯直流海缆的2.65 倍,水中单位长度质量是单芯直流海缆的2.29 倍。

2 机械性能仿真分析

海缆在敷设过程中会受到敷设拉力,因此海缆允许最大敷设拉力是海缆机械性能的重要参数,本工作采用力学仿真分析软件CableCAD 进行仿真分析。

根据电缆结构参数,选取合适的材料,采用CableCAD 进行机械性能仿真,计算海缆敷设情况下允许最大拉力。建模过程中,根据其结构的机械特性对海缆结构进行简化,三芯直流海缆回流缆外部填充条简化为护套。

对海缆模型施加拉力载荷,从10 kN 开始直至缆芯即将屈服为止,单芯海缆及三芯直流海缆仿真结果见图4。

根据标准BS EN 10257-2:2011 要求,G34 钢丝抗拉强度在340～540 MPa 范围。结合仿真结果及标准规定,G34 钢丝抗拉强度极限设定为340 MPa。

同时由图4 的仿真可知,海缆受轴向拉力时,钢丝几乎承受所有拉力,导体和非金属结构相对受力较小,结合仿真结果假设钢丝承受所有拉力,海缆抗负荷能力计算公式如下:

图4 机械性能仿真示意图

式中:T为海缆敷设最大拉力,kN;P为钢丝所受极限应力,MPa;n为钢丝根数;s为钢丝截面积,m2;NC为安全裕度,一般取0.25。

海缆在水中进行敷设时,随着敷设水深的增加,其所受轴向拉力也随之增大,敷设水深小于500 m情况下,轴向拉力与敷设水深之间的计算公式如下:

式中:Ws为单位长度电缆的水中质量,kg·m-1;Hw为敷设水深,m。

通过式(1)和式(2)计算可得单芯直流海缆和三芯直流海缆的机械性能参数,结果见表2。

表2 直流海缆机械性能参数

由表2 可知,虽然三芯直流海缆所受最大拉力大于单芯直流海缆,但由于三芯直流海缆水中单位长度质量也远大于单芯直流海缆,综合计算三芯直流海缆敷设水深略小于单芯直流海缆,约为单芯直流海缆敷设水深的78%。

3 载流量分析

直流海缆在敷设过程中最常见的工况为海底直埋。以敷设过程中最常见的工况为例,采用有限元法对单芯高压直流海缆及三芯高压直流海缆进行载流量仿真计算并进行对比分析。

在海缆直埋工况下,单芯直流海缆和多芯直流海缆仿真模型及边界条件一致,仿真模型见图5。

图5 载流量仿真模型

设置的仿真模型边界条件见表3。

表3 仿真计算边界条件

3.1 单芯直流海缆仿真计算

计算载流量为1 773 A 时单芯直流海缆温度场分布,结果见图6。

图6 单芯海缆载流量仿真

由图6 可知,当单芯海缆的载流量为1 773 A时,电缆导体的温度达到70 ℃,即单芯直流海缆额定载流量为1 773 A。

3.2 三芯直流海缆仿真计算

以电缆载流量1 773 A 为输入条件,分别模拟真双极三芯直流海缆系统两根极性缆运行情况,及一根极性缆故障情况下另一根极性缆配合回流缆运行情况,三芯直流海缆温度场分布见图7。

由图7 可知,当载流量为1 773 A 时,两根极性缆共同运行情况下导体温度达到95.7 ℃;当一根极性缆发生故障而另一根极性缆配合回流缆运行时,回流缆导体温度高达127 ℃。三芯电缆在相同载流量1 773 A 时,导体温度明显高于单芯海缆。

图7 三芯直流海缆温度场分布

三芯直流海缆系统双极运行和一根极性缆发生故障另一级配合回流缆运行,导体最高温度与载流量的关系曲线见图8。

图8 三芯直流海缆导体温度与载流量关系图

由图8 可知,电缆系统正常运行时,即导体温度为70 ℃时,两根极性缆运行情况下载流量为1 476 A;当一根极性缆发生故障时而另一极与回流缆配合运行时,载流量为1 285 A。

单芯高压直流海缆与三芯高压直流海缆在海底直埋工况下载流量对比见表4。

表4 直流海缆载流量对比

由图8 和表4 可知,在正常运行情况下,三芯直流海缆的两根极性缆之间因距离太近,发热相互影响,此时的载流量为单芯直流海缆的83%。当一根极性缆发生故障时,如果单芯海缆回路中无回流缆,则该回路无法进行电能传输,需要进行打捞维修,而三芯直流海缆则可通过极性缆和回流缆继续构成回路持续运行,其传输载流量为单芯正常运行时的73%。

4 路由和敷设分析

近几年,国内海上风电建设如火如荼,海底输电线路也占用了大量的海洋路由资源。前期直流海缆的系统设计多采用对称单极运行方式,海缆线路构成仅需正负两极海缆,随着项目输送容量和电压等级的提高,真双极系统需采用回流海缆的直流输电项目比例逐渐增加,线路投入海缆也相应增加为3 根,占用的路由和敷设次数也会相应增加。以±400 kV 直流海缆项目为例,直流海缆路由宽度为30 m,直流海缆与其他已敷设海缆的安全距离为30 m,确保每根海缆运行均不受影响,敷设示意图见图9。

由图9 可知,当真双极系统两根极性缆和1 根回流缆设计为单芯直流海缆时,所占路由宽度为120 m,所需敷设次数为3 次;当真双极系统两根极性缆和1 根回流缆设计为三芯直流海缆时,所占路由宽度减少至600 m,所需敷设次数仅为1 次。从敷设次数及海洋路由等方面考虑,将真双极系统3 根海缆设计生产为三芯直流海缆可将占用的路由减少50%,敷设次数仅为单芯海缆33%。因此,三芯高压直流海缆可使敷设成本降低,并可提高海洋资源的利用率。

图9 直流海缆敷设示意图

5 结束语

本工作介绍了三芯高压直流海缆的结构设计,对三芯高压直流海缆在特定工况下进行机械性能和电气性能仿真分析及敷设路由分析,并与单芯高压直流海缆进行对比。

三芯高压直流海缆成缆后外径为单芯直流海缆外径的1.85 倍,空气中单位长度质量为单芯直流海缆的2.65 倍,水中单位长度质量是单芯直流海缆的2.29 倍,结合电缆外径及单位长度质量计算可知三芯直流海缆敷设深度是单芯直流海缆的78%。

在特定工况下,三芯直流海缆正常运行时载流量为单芯直流海缆的83%;在极性缆一级故障情况下另一根极性缆可与回流缆配合进行电能传输,输送容量可达到单芯海缆正常运行时的73%;三芯直流海缆占用路由宽度为单芯直流海缆的50%,敷设次数仅为单芯直流海缆的33%。

虽然相比于单芯高压直流海缆,三芯高压直流海缆外径及其单位长度质量增加导致敷设水深略低于单芯直流海缆,且正常运行时载流量略有降低,但结合敷设时间、敷设成本及节约路由等方面综合考虑,未来在敷设水深要求高的近海区域,三芯直流海缆仍然是未来海上风电建设的发展趋势。