海南联网工程牛皮纸绝缘和PPL纸绝缘充油海底电缆技术经济比较

，，(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

0 引 言

海南联网工程在确定了500 kV交流联网方式和600 MW输送容量后，适合于工程具体条件的电缆型式为自容式充油电缆，供选择的绝缘材料和铠装主要有两种型式：牛皮纸绝缘铜铠装和PPL纸绝缘钢丝铠装+回流导体(以下简称牛皮纸电缆和PPL电缆)[1]，两种电缆在技术经济性上各有特点，应以技术性能优和工程投资低作为出发点，综合多方面因素选择合适的海底电缆型式。两种电缆的特点简述如下：

1)牛皮纸电缆。牛皮纸的全称是针叶树木浆牛皮纸(conifer pulp kraft paper)。牛皮纸密度低(0.7～0.8 g/cm3)，可在降低介质损耗的同时，对低粘度绝缘油保持较高的渗透率[2]。对于超高压交流电缆，通过去离子水漂洗可以进一步降低损耗。牛皮纸可以按不同的厚度(50～180 μm)制造生产以满足不同的绝缘要求。对于交流海底电缆，靠近导体处电场强度高，可以选用较薄的纸带，增加纸带层数提高绝缘强度；绝缘层外部电场强度较低，可以选用偏厚的纸带，减少层数，提高生产速度和弯曲性能[3]。牛皮纸电缆的制造和使用经验已有半个多世纪的历史，各方面技术成熟、实践经验丰富、价格相对较低。目前来说，牛皮纸仍然是交流海底电缆首选的绝缘材料之一。相对PPL电缆，牛皮纸电缆的缺点是损耗较高，制造的电缆电容较大，需要系统提供更多无功补偿。

2)PPL电缆。20世纪80年代以来，一种新型的绝缘材料PPL纸(laminates composed of paper layers and polypropylene layers)出现并成功应用于海底电缆制造。PPL纸也称聚丙烯牛皮纸复合纸，是一种聚合物薄膜增强纸带[]。这种复合纸有不同的复合方式，如牛皮纸-聚丙烯薄膜-牛皮纸、聚丙烯薄膜-牛皮纸-聚丙烯薄膜等，从而形成绝缘物质不同的2层、3层或更多层结构。PPL纸在交流条件下比牛皮纸绝缘强度高，而介质损耗低，制造的电缆电容小。PPL纸绝缘海底电缆已具有多个工程应用实例，均应用在直流海底输电工程，且运行良好。目前的设计方案，PPL电缆采用的是应用在直流海底输电工程的钢丝铠装。当用于交流输电时，由于钢丝铠装涡流损耗比铜铠装大大增加，为降低损耗，需单独设计铜质回流导体，从而削弱了PPL纸绝缘低损耗的优势[4]。而牛皮纸绝缘电缆若采用钢丝铠装，则可能导致电缆无法经济运行，从而不得不采用成本较高的铜线铠装。

目前，国际上超高压充油海底电缆厂家对于牛皮纸电缆和PPL电缆的生产现状不尽相同[5]。有的两种均能生产，有的只能生产一种，有的虽均能生产，但只有一种具有生产经验。由于两种电缆的技术参数具有明显差别，性能各异，因此，必须通过多方面的技术经济比较才能最终确定电缆型式。

根据海南联网工程经验，主要考虑以下因素：电缆价格、系统无功补偿投入、初始投资、运行损耗、利用小时数和电网电价等[2]。海南联网工程最终采用了牛皮纸电缆，下面根据工厂A、工厂B和工厂C提供的电缆参数进行详细论述，其中工厂A以生产牛皮纸电缆为主，工厂B和工厂C以生产PPL电缆为主。

1 基本模型和数据

以海南联网工程为例，建立图1模型并列出相关数据，作为进一步技术经济分析比较的基础。电缆长度31 km，徐闻和福山配置高抗补偿。两侧架空线长度各14 km，架空线为4×300导线，电气参数R=0.025 6 Ω/km，X=0.282 3 Ω/km，C=0.012 8 μF/km，B=4.02×10-6S/km[6]。

海底电缆运行时分3段处于不同的运行环境：空气中、陆地埋设段、海中埋设段。空气中电缆较短，约10余米；陆地埋设段是电缆温度控制段，电缆温度最高，单位损耗最大；海中埋设段长度最长，是损耗计算的主体。计算时忽略空气中电缆段，分陆地埋设段、海中埋设段两段计算，长度分别取4 km、27 km[7]。

图1 海底电缆计算模型

2 介质损耗

一般介质损耗可用下式计算：P=U02×C×ω×tgδ，当电缆绝缘部分的尺寸一致时，两种绝缘材料的介质损耗比可以表达为

P1/P2=(εr1/εr2)×(tgδ1/tgδ2)

两种材料的相对介电常数(ε)和介质损耗角正切值(tgδ)各厂家略有不同，典型值如表1所示。

表1 两种绝缘材料介质参数的典型值

根据上述参数进行计算，可见P1/P2或(P1/P3)的比值范围约为2.46～3.11。根据工厂A和工厂B提供的电缆详细参数(见表2)，两种电缆的介质损耗设计值分别为16.6 W/m和7.0 W/m(比例为2.37)。

表2 海南联网工程采用的牛皮纸电缆和一种PPL电缆的主要参数表

注：①工厂B未提供海中电缆的温度和电阻，这里暂按与N缆边界一致条件来计算海中交流电阻(0.027 4 Ω/km)及相应电阻损耗，其他损耗(除介质损耗)均根据与导体损耗的比值计算得到[8-9]。

3 其他损耗

为便于比较，表2列出了海南联网工程采用的牛皮纸电缆(由工厂A生产)和一种PPL电缆(由工厂B生产)的主要参数，后者采用钢丝铠装配合铜质回流导体。

电缆沿线各点的电流幅值和相位都在变化，当两端采用1/2等量补偿、保证福山变线路末端功率因数为0.98时，电缆末端电流分别达到最大值815 A和774 A，两种电缆导体温度达到90℃。电缆损耗计算按导体温度均为90℃且环境条件相同进行计算。

4 补偿装置费用

电缆的电容不同，在系统中采用的补偿容量也不同，从而影响工程总投资。根据海南联网工程招标技术规范书的要求，传输600 MW时，福山站电压取525 kV，功率因数取0.98。

工厂A电缆的充电电流为22.8 A/m，采取电缆两端同时补偿方式，补偿容量为各两组180 Mvar并联高抗。两端设备总费用(未计安装和基础费用，下同)为4 320万元[6]。

工厂B电缆的充电电流为19.4 A/m，采取电缆两端同时补偿方式，补偿容量为两组120 Mvar并联高抗。两端设备总费用为2 880万元。

可见，采用牛皮纸电缆比PPL电缆的补偿费用高出1 440万元。

5 运行损耗比较

运行损耗费用采用如下年金现值系数公式计算：

式中：n为运行年限，本工程取30年；r为年利率，分别取7%、8%、9%，则m分别为12.41、11.26、10.27。

电价取0.4元/kWh、0.5元/kWh、0.6元/kWh，假设年运行小时数取8 000 h，最大负荷运行小时分别取3 000 h、4 000 h、5 000 h，两种电缆的年运行损耗费用差值如表3。

可以看到，当最大负荷运行小时数大于3 000 h，PPL电缆的运行费用总体略高于牛皮纸电缆。

根据第4节、第5节的计算结果，综合考虑无功补偿高抗费用和年运行损耗费用，PPL电缆与牛皮纸电缆在综合成本上基本相当，当最大负荷运行小时数大于4 000 h，PPL电缆略高。

表3 两种电缆30年运行年限损耗费用差值表(PPL电缆-牛皮纸电缆) 单位：万元

6 电缆价格

影响电缆制造价格的因素较多，根据调研，PPL电缆一般比牛皮纸电缆高10%左右。按工程经验，可取1 000元/m进行计算，则PPL的总投资高于牛皮纸电缆，对于海南联网工程，该投资差约为7 500万元至1亿元。因此，采用PPL电缆的经济性并不好。

7 结 语

根据前面论述，可以得出以下结论：

1)在500 kV交流电压下，PPL比牛皮纸的介质损耗低、所需高抗补偿设备少，但这种差别不足以使PPL电缆在综合投资上具优势。对于直流电缆或其他电压等级，有必要进一步再讨论。

2)从表2可以看出，所选取的PPL电缆铅套和加强带损失、回流导体及铠装的损耗明显高于牛皮纸电缆，对所得结果影响较大。

3)海南联网工程路由最大海深100 m左右，从机械强度而言，没必要采用钢丝铠装[10-11]。因此，若仅将牛皮纸更换为PPL纸，同时采用铜铠装，则消除了回流导体损耗和钢铠装涡流损耗，有助于推广PPL电缆的应用；

4)关于长期运行温度，早期牛皮纸一般取85℃，PPL纸取90℃，但是现在越来越多的牛皮纸也取90℃运行，从而抵消了PPL纸的运行温度优势；

5)海南联网工程采用牛皮纸绝缘、铜铠装自容式单芯充油海底电缆在技术经济上是合适的。

[1] (德)L.Heinhold,(德)R.Stubbe著,门汉文等译.电力电缆及电线[M]. 北京：中国电力出版社, 2001.

[2] 陈凌云，朱熙樵，李泰军．海南联网工程海底电缆的选择[J]．高电压技术，2006，32(7)：39-42．

[3] 李健，郑伟．交流500 kV海底电力电缆结构设计[J]．电线电缆，2010(1)：11-14．

[4] Thomas Worzyk. Submarine Power Cables:Design,Installation, Repair,Environmental Aspects[M]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009.

[5] 赵健康，陈铮铮．国内外海底电缆工程研究综述[J]．华东电力，2011，39(9)：1477-1481．

[6] Zhao Jiankang, Chen Zhengzheng. Research Overview of Domestic and Oversea Submarine Cable Projects[J]. Eastern China Electrical Power, 2011, 39(9):1477-1481.

[7] 陈政，康义，马怡情．广东-海南500 kV交流跨海联网工程无功补偿及电磁暂态研究[J]．电网技术，2009，33(19)：143-147．

[8] 吴庆华，陈建康，郑伟，等．中国首条500 kV海底电缆线路工程的设计[J]．中国电业(技术版)，2014，(10)：46-54．

[9] Nexans. Technical Note, 25694-HKA-MT-15086:ISSUE 1[R].Norway: Nexans, 2003.

[10] J-Power Systems. Specification: JSP23-F0212A[R].2006.

[11] 陈凯华．海南联网海缆敷设施工与防护[J]．南方电网技术，2009，3(5)：25-26．