陆海段不等径海缆匹配方案与载流能力提升研究

孙 璐，乐彦杰，阮天余，张 磊，刘宗喜

（1.国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316021；2.浙江舟山海洋输电研究院有限公司，浙江 舟山 316021；3.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074）

0 引言

海底电缆（以下简称“海缆”）是海上风电工程、偏远海域海岛供电、长距离跨海电缆送电和区域电网互联中跨海联网的重要装备。随着“双碳”目标的确立和行动的开展，海洋风电新能源开发战略迅速推进，海洋经济开发规模不断扩大，对海缆的需求规模日益增大，海缆技术朝着更高电压等级、更大运行长度和更高输送容量方向发展。

海上风电等新能源依靠海缆输送到陆地上，由于登陆段土壤热阻较大，与海中段相比，登陆段海缆的最大载流量降幅达40%［1］。因此，海缆线路的整体输送能力受限于登陆段的载流量瓶颈，不能充分发挥设计输送能力。一直以来，如何提升海缆线路的输送能力是海洋输电的重要课题。目前，针对海缆登陆段载流能力提升的研究主要集中在两方面：一是剥离登陆段金属铠装或采用非磁性铠装结构，通过改变海缆本体结构的方式来降低金属铠装的损耗［2-9］；二是通过对登陆段海缆强制冷却、回填特殊土壤以及将电缆沟充水的方式来增强海缆登陆段的外部散热能力［1，7-14］。这些方法改善了登陆段的局部散热条件，使海缆载流量获得一定程度的提升，然而对海缆本体结构的改变以及外部强制条件的方法增加了其设计制造成本和运行维护投入。

本文采用转换接头技术［15］连接不同截面的交流220 kV 海缆线路登陆段与海中段，通过分析不同截面海缆的载流能力，参照架空线与电缆的截面匹配方法［16-17］，建立差异化的海缆登陆段与海中段导体截面匹配方法，为海缆线路设计选型提供参考。

1 交流海缆损耗计算

1.1 海缆概况

220 kV 单芯海缆和三芯海缆结构分别如图1和图2所示。

图1 单芯海缆结构示意图

图2 三芯海缆结构示意图

根据GB/T 32346.2—2015《额定电压220 kV（Um=252 kV）交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件 第2 部分：大长度交流海底电缆》，单芯海缆的标称导体截面有400 mm2、500 mm2、630 mm2、800 mm2、1 000 mm2、1 200 mm2、1 400 mm2、1 600 mm2、1 800 mm2和2 000 mm2，同时考虑现有工程中更大的导体截面规格2 500 mm2；三芯海缆的标称导体截面有400 mm2、500 mm2、630 mm2、800 mm2和1 000 mm2，同时考虑现有工程中更大的导体截面规格1 200 mm2、1 400 mm2和1 600 mm2。单芯海缆和三芯海缆的导体半径和绝缘厚度如表1所示［18］。

表1 不同截面交流220 kV海缆导体半径与绝缘厚度

1.2 损耗计算

根据IEC 60287提供的方法对海缆的导体、护套和铠装损耗进行计算。单芯海缆和三芯海缆的铅套和金属铠装两端都是直接接地，3根单芯在海底通常平行敷设且不换位，三芯海缆在生产制造时螺旋线式的三相结构已实现了三相的换位。对于单芯磁性（钢丝）铠装交流海缆，通常认为其铅套和铠装的损耗近似相等。对于单芯非磁性（铜丝）交流海缆，可以护套和铠装并联电阻为等效电组，以护套直径和铠装直径的均方根代替护套的平均直径，铅套和铠装的损耗按其电阻成反比分配。三芯海缆通常采用分相铅包和金属丝铠装统包的型式。

单芯、三芯海缆的损耗如表2所示。其中，S为海缆导体等效截面积；R为导体交流电阻；Wi为单位长度海缆绝缘层介质损耗功率；λ1和λ2分别为海缆铅套和铠装的损耗系数。

表2 铠装海缆导体芯交流电阻、绝缘损耗、铅套损耗与铠装损耗

2 220 kV交流海缆实际载流能力计算

2.1 计算模型

采用有限元方法分别计算海中段和登陆段海缆的实际载流能力。220 kV 单芯海缆在海中段和登陆段的计算模型如图3所示。

图3 海中段和登陆段海缆的计算模型示意图

三芯海缆可参照单芯海缆。由于单芯海缆在海底的敷设相间距离通常大于20 m，可认为三相海缆之间的热场互不影响。海缆登陆段电缆沟顶宽3.5 m，底宽1 m，沟深3 m；海中段海缆埋深2 m。地底最高温度为30 ℃，海水表面及空气最高温度为40 ℃。海缆及其外部敷设环境中各材料的导热系数如表3所示。

表3 材料的导热系数W（/m·K）

2.2 海缆载流能力

220 kV交流海缆实际载流能力如图4、图5所示。海缆登陆段和海中段的导体截面相同时，登陆段海缆的载流能力普遍比海中段下降15%～20%；导体截面越大，登陆段载流能力下降越大，钢丝铠装海缆登陆段载流能力下降大于铜丝铠装海缆。对于单芯海缆，钢丝铠装更换为铜丝铠装后海缆载流能力增大，且随着导体截面增大载流能力提升越大，对于登陆段尤为明显，最大可提高40%。相同导体截面的三芯海缆的载流能力小于单芯海缆；采用钢丝铠装时，随导体截面增大，三芯海缆载流能力比单芯海缆的下降程度有所减小，采用铜丝铠装时则相反，登陆段和海中段海缆载流能力的变化特征相似。

图4 220 kV单芯海缆实际载流能力

图5 220 kV三芯海缆实际载流能力

由上述载流能力变化情况可知，海缆登陆段载流能力的下降是影响整个海缆线路输送能力的关键原因，铜丝铠装海缆较大的载流能力体现了提升海缆输送能力的方向，钢丝和铜丝铠装三芯海缆载流能力的不同变化特点则预示海缆登陆段和海中段的不等径导体截面匹配具有其独特性。

3 海缆导体截面匹配

以海缆登陆段的最大载流量为基准参考，对不同导体截面的单相、三相海缆在钢丝铠装和铜丝铠装进行海中段与登陆段的载流量匹配。匹配原则为登陆段载流量稍大于海中段电缆，得到图6—9所示的不同导体截面匹配方案。

对比图6—9 可知，对于任一种登陆段海缆型式，所匹配的海中段海缆导体截面由小到大依次为：单芯铜丝铠装、单芯钢丝铠装、三芯铜丝铠装、三芯钢丝铠装。除登陆段为铜丝铠装单芯海缆外，与其余型式登陆段海缆匹配的海中段海缆截面积均小于登陆段。

图6 登陆段为220 kV钢丝铠装单芯海缆的匹配结果

图7 登陆段为220 kV铜丝铠装单芯海缆的匹配结果

4 不等径海缆匹配方案的经济性评价

对图6—9 所示不等径海缆匹配方案进行输送能力和制造成本分析。一般来说，海缆芯铜导体成本约占较大截面海缆制造成本的50%，铜丝铠装海缆的铜导体成本比重更高。因此，海缆所需的金属材料成本在成缆制造成本中举足轻重。根据金属期货价格，金属铜价格为71.77 元/kg，金属铅价格为15.1元/kg，金属钢价格为4.58元/kg。

图8 登陆段为220 kV钢丝铠装三芯海缆的匹配结果

图9 登陆段为220 kV铜丝铠装三芯海缆的匹配结果

由于不等径海缆匹配原则为登陆段载流量稍大于海中段，如此匹配后，海缆线路的实际输送能力等于海中段的输送能力。根据导体截面的匹配方案，得到匹配后220 kV 海缆可达到的输送能力如表4所示。一般情况下，海缆海中段比登陆段长度长，海缆线路的成本主要集中在海中段，以海中段作为主要观察对象，在登陆段与海中段长度比为1:9的条件下，单位输送容量的海缆金属材料成本如表5 所示。表4 和表5 中的加粗字为海中段和登陆段海缆未匹配前的输送能力和金属材料成本。

表4 220 kV海缆线路不等径匹配可达到的输送能力

表5 220 kV海缆线路不等径匹配单位输送容量的海缆金属材料成本

4.1 输送能力和单位成本特征

1）海缆线路登陆段采用单芯海缆可达到的输送容量比三芯海缆大，登陆段和海中段均采用单芯海缆时输送容量较大，登陆段和海中段采用单芯铜丝铠装海缆时输送容量最大。

2）登陆段采用三芯海缆时线路输送容量较小，登陆段、海中段铠装金属材质的差异对输送容量影响甚微，海中段海缆宜用钢丝铠装，以减少制造成本。

3）登陆段采用单芯铜铠海缆比单芯钢铠海缆的输送容量大，但单位容量的金属材料成本较高。

4）登陆段和海中段分别采用单芯和三芯海缆时，铠装金属材质差异对输送容量影响不大，但单芯海缆采用铜铠的成本较高。

5）登陆段为三芯海缆时，线路输送容量增大将大幅降低单位容量的金属材料成本；登陆段为单芯海缆时，仅在海中段采用单芯铜丝铠装海缆时具有上述现象，其余情况下，线路输送容量增大，单位容量的金属材料成本也增大。

6）海缆线路全线采用同一种型式时，单芯钢丝铠装海缆的单位容量成本最优。

4.2 不等径海缆的匹配原则

由此，从匹配效果和经济性角度出发，得出不等径海缆的主要匹配原则如下：

1）若需要海缆线路的输送容量尽可能大，其登陆段和海中段均应采用铜丝铠装单芯海缆。

2）海缆线路所需输送容量较小时，宜采用登陆段三芯海缆与海中段钢丝铠装海缆进行配合，海中段单芯钢丝铠装海缆的单位容量成本最优，海中段三芯钢丝铠装海缆次之。

3）同时要求海缆线路输送容量较大以及单位容量成本可控时，应采用全线路单芯钢丝铠装海缆进行配合。

4）登陆段单芯海缆、海中段为三芯铜丝铠装海缆的组合以及登陆段三芯海缆、海中段为单芯铜丝铠装海缆组合的单位容量成本偏高，因此不推荐，尤其是后一种组合方式的输送能力非常小。

5 结论

采用解析方法和数值方法对220 kV 海缆的损耗和实际载流能力进行计算分析，对不等径海缆进行海中段与登陆段的载流量匹配，评价了不等径海缆匹配方案的经济性，得到以下结论：

1）海缆导体截面越大，登陆段载流能力下降越大。单芯海缆的钢丝铠装更换为铜丝铠装后载流能力增大，且随着导体截面增大载流能力提升越大，对于登陆段尤为明显。

2）按照登陆段载流量稍大于海中段海缆的匹配原则，与登陆段海缆型式所匹配的海中段海缆导体截面由小到大依次为：单芯铜丝铠装、单芯钢丝铠装、三芯铜丝铠装、三芯钢丝铠装。

3）登陆段和海中段均采用铜丝铠装单芯海缆时，线路可获得最大输送能力；海缆线路所需输送容量较小时，宜采用登陆段三芯海缆与海中段钢丝铠装海缆进行配合；海缆全线路采用单芯钢丝铠装海缆不等径匹配，可兼顾海缆线路较大输送容量和单位容量成本可控的要求。

4）不等径海缆登陆段与海中段匹配方案，有利于降低海缆线路的制造成本，大幅提高海缆线路的实际输送能力，这依赖于不等径海缆转换接头技术的成熟度和可靠性。不等径转换接头技术尚需优化，不等径海缆的导体连接、绝缘界面拼接、单/三相海缆不等径连接以及铜铠和钢铠拼接带来的机械性能和电气性能问题，仍需进一步研究分析，以加强不等径海缆接头技术的可靠性。通过转换接头将不同规格的海缆相连接的应用模式，需开展长期试验加以验证。