大容量海上风电场500kV海底电缆选型分析

李奇

摘  要：近年来，国家大力发展风电等新能源项目，海上风电场主要通过海底电缆将电能送出，而随着风电场容量逐步增大，离岸距离加大，为了满足风电场的容量需求，需考虑采用超高电压等级的海底电缆，而这方面国内应用经验不多，实施难度较大。该文对海底电缆的性能、选型等方面做了一定的研究，针对1 000 MW容量的风电场，从设计角度考虑，分析了500 kV海缆的选型与应用。

关键词：海底电缆 海上风电场 500 kV送出系统 交流聚乙烯绝缘

中图分类号：TM315          文献标识码：A

Abstract： In recent years， the state has vigorously developed wind power and other new energy projects， offshore wind farm is mainly through send the power cable， and with the wind farm capacity increases gradually， the offshore distance， in order to meet the demand of capacity of wind farm， using high voltage grade of submarine cable should be considered， the domestic application experience is not much， implementation is difficult，In this paper， the performance， selection and other aspects of submarine cable have been studied. For the wind farm with 1 000 MW capacity， from the design point of view， the selection and application of 500 kV submarine cable has been analyzed.

Key Words： Submarine cable; Offshore wind farm; 500 kV delivery system; Alternating current polyethylene insulation

1 500 kV交联海底电缆的绝緣型式

220 kV及以上交流高压海底电缆按照绝缘介质分类可分为充油式（OF）海底电缆和交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆[1]。

交联聚乙烯绝缘（XLPE）电力电缆具有优异的电气性能与耐热性能，热稳定性和老化稳定性能也非常好，工作温度可高达90 ℃，短路时可高达250 ℃ ，能够输送大容量负荷。而且XLPE绝缘电缆转弯半径小，重量较轻，安装方便安全可靠，与充油和油纸绝缘电缆相比，XLPE电缆的终端连接处理也比较容易，因此安装费用有优势，从安全和环境保护方面来看，交联聚乙烯绝缘没有渗油漏油的风险[2]。

500 kV交流海底电缆采用交联聚乙烯绝缘或充油纸绝缘的综合对比如下。

XLPE电缆：

工作温度： 正常 90° 紧急140° 短路 250°

介质损耗角正切（×10-4室温）： 0.1

电缆敷设弯曲半径：≥15D

重量：自重小，可承受牵引力大

充油纸绝缘电缆：

工作温度： 正常 65° 紧急95° 短路 150°

介质损耗角正切（×10-4室温）： 0.35

电缆敷设弯曲半径：≥25D

重量：自重大，可承受牵引力小

通过以上对比可以看出，与充油电缆电缆相比，交联聚乙烯电缆优势明显，具有耐热性能好、传输容量大、线路损耗小、结构轻便、易于弯曲、无漏油等优点。

综上所述，大容量海上风电场500 kV海底电缆推荐选择交联聚乙烯绝缘海底电缆。

2国内外500 kV交联海底电缆应用情况

近年来，国内外500 kV高压海缆的应用仅有一个项目。

国家电网浙江舟山500 kV联网输变电工程海缆第一回3×18.25 km，第二回3×17.9 km ，输送功率均为1 100 MW，绝缘类型XLPE，生产厂家分别为中天科技海缆有限公司，宁波东方电缆股份有限公司，江苏亨通高压海缆有限公司。此项目已与2019年投运。

因此，500 kV海底电缆目前国内已有成功应用案例，技术可行性满足风电场要求[3]。

3海底电缆的截面结构

海底电缆从截面形式区分，可以分为单芯或三芯电缆，单芯海底电缆与三芯海底电缆各有优劣。其中，单芯海底电缆的外径较小，单位重量轻，中间接头少，电缆的敷设及维修难度小，但是每回路要用3根，占用较大的用海面积，敷设费用较高。单芯海底电缆技术较为成熟，国内外厂家均可以生产。而三芯海底电缆电流负载平衡，在铠装中不存在感应的环流，每回路只需一根，敷设费用也低。但是其外径大，中间接头多，单位重量大，电缆的敷设及维修难度较大[4]。

设计中，一回路海缆采用一根三芯海缆还是三根单芯海缆，受较多因素影响，包括海缆的路由情况、施工设备、制造水平、运行维护等，单芯海缆和三芯海缆的综合对比如下。

单芯电缆优点：载流量大（同规格时）;单根无接头长度长;易于施工;国内厂家均可生产;维护方便，故障时抢修时间短。

单芯电缆缺点：损耗大;占海面积大;施工工作量大;易发生光纤断纤，衰减增加的故障。

三芯电缆优点：铠装损耗小;占海面积小;施工工作量小。

三芯电缆缺点：单根无接头长度短;施工设备要求高;单相故障时需更换三相接头，抢修时间长。

从上述分析比较可知，单芯三芯海缆各有优劣，下面将根据载流量计算结果，选择高压海底电缆采用单芯或三芯的几种方案，做进一步选型比较[5]。

4  500 kV海底電缆选型

4.1载流量计算

电缆长期允许通过的载流量是电缆的一项重要的运行参数，载流量是指当电缆中通过电流，热稳定后，电缆导体的温度恰好达到长期允许工作温度时的电流值。电缆长期容许载流量应满足持续工作电流的要求。电缆载流量与电缆的材料、结构形式、敷设方式、环境条件以及运行工况等因素有关。电缆长期允许最高工作温度该文中取90 ℃[6]。

根据IEC 60287-1-1《Electric cables-Calculation of current rating-part1-1》：“载流量计算”， 交流电缆连续载流量可以由以下公式计算：

4.2  500 kV海底电缆截面选型

500 kV海底电缆应考虑将整个1 000 MW风电场的电能送出，额定载流量要求如下。

项目传输容量：1 250 MVA;电压等级：525 kV;海缆路径长度：100 km;额定载流量要求：1 375 A

根据额定载流量要求，风电场送出500kV海底电缆设计了3个方案。

方案一：选择1回路500 kV单芯1×1 800 mm2，1回路共3根，铜丝铠装;

方案二：选择1回路500 kV单芯1×2 000 mm2，1回路共3根，铜丝铠装;

方案三：选择2回路500 kV三芯3×1 200 mm2，2回路共2根，钢丝铠装。

针对以上3个方案分别计算载流量，按几个最不利敷设环境考虑，通过计算得到表1。

从表1可以看出，3个风电场送出500 kV海底电缆的方案均满足载流量要求。将此3个方案海缆的综合参数进一步对比。

5结语

通过该文的各项对比可以看出，三芯3×1 200 mm2海缆节约占海面积，符合集约用海政策。2回送出线路，在单根海缆故障时仍能送出一半的电能，其停电损失较小，1 000 MW容量风电场送出较单芯海缆节省1根海缆投资，因此成本相对低。但3×1 200 mm2海缆目前没有实际生产以及运行业绩，同时也缺乏试验验证，通过调研海缆生产厂家得知生产设备具备生产3×1 200 mm2海缆的能力。

而单芯1×1 800 mm2海缆由于已有实际运行业绩并通过了型式试验报告及预鉴定报告，整根海缆硬接头少，因此从技术性角度考虑，单芯1×1 800 mm2海缆技术更成熟可靠。

综合经济性与技术性考虑，单芯1×1 800 mm2海缆与3×1 200 mm2海缆均能满足该文1 000 MW大容量项目需求，现阶段从可行性出发暂推荐技术成熟的单芯1×1 800 mm2海缆作为1 000 MW大容量风电场500 kV送出方案。实际工程在设计时可根据后续500 kV交联海缆发展情况选择单芯或三芯海缆。

参考文献

[1] 宋育章.浅析海上风力发电的现状及展望[J].中国设备工程，2021（21）：258-259.

[2] 许新鑫，赵陆尧.探究66kV集电海缆在我国大型海上风电项目中的应用[J].机电信息，2019（30）：23-24.

[3] 常胜，李炬添，张振，等.海上风电场联合送出优化方案研究[J].南方能源建设，2019，6（2）：49-53.

[4] 陆莹，范明明，郑明，等.基于电磁-热-流耦合场的非开挖敷设方案的海底电缆载流量计算[J].广东电力，2020，33（5）：117-124.

[5] 张金鑫.海上风力发电管理模式研究分析[J].中国设备工程，2021（19）：69-70.

[6] 余理波.海上风力发电工程的继电保护技术[J].集成电路应用，2021，38（5）：96-97.