海上风电场集电线路35 kV海缆跨越光缆研究

李源泽，王婧倩，张智伟

(1. 上海电力设计院有限公司, 上海 200025；2. 上海绿色环保能源有限公司, 上海 200433)

某海上风电场工程位于上海周边，海域平均水深在10m左右，该区域风能资源丰富。本期工程规划装机容量102.2 MW，共安装28台海上风电机组，其中两台样机及第一回主缆已经安装完成。本工程中共有4条35 kV海缆跨越通信公司光缆，本文将从政策合规性、施工保护及电磁影响这3方面进行分析。

1 高压电缆与光缆交叉的可行性

1.1 国内案例介绍

海上风电发展至今，江苏、福建、浙江等多地海上风电发展出现了海缆交越的情况，例如福建长乐外海海上风电场与海峡光缆1号(TSE-1光缆)交越，福建莆田南日岛海上风电项目10 kV民用海底电缆与项目场区35/220 kV电缆交叉，华能如东、华电玉环等项目也出现了不同情况的海缆交叉。

除了海缆交越数量较多以外，不同形式的海底电缆也与海底光缆进行交越。目前大部分海底电缆均为交流电[1-4]，而由舟山电力局承担的“多端柔性直流输电示范工程中”，确发生了直流海缆与海底光缆交越的情况。经过几年的运行，目前运行情况良好。

1.2 规程规范对高压电缆电信线路影响的要求

1.2.1 电力电缆相关设计规范

海上风电属于相对新兴的行业，所涉及海缆的电压等级较高，对于海上风电海缆交越尚无针对性的系统指导规范。经过十余年的发展，海上风电呈现了规模化、大兆瓦、深远海和海域综合利用等发展趋势[5-7]。国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见明确提出应坚持集约节约的原则，风电场应集中布局，统一规划海上送出工程输电电缆通道和登陆点，但是海上风电海缆与已有管线的交越仍然非常普遍，已有管线主要包括相邻其他海上风电的海缆，日常居民供水管线、供电管线、海油管道、通信光缆等。

GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》、NB/T 31117—2017《海上风电场交流海底电缆选型敷设技术导则》等对海缆交越敷设间距有一定要求，交越范围为已有水下管线交越点两侧50～100 m的区域，在交越范围段应采取保护措施。但规范对具体施工方案规定较少，不足以指导海上风电海缆交越的施工，针对海缆对光缆的电磁影响研究也同样处于较为薄弱的状态[8-9]。

1.2.2 通信光缆相关设计规范

(1)GB/T 51154—2015《海底光缆工程设计规范》中规定：宜与航道垂直穿越；宜避免与海底光缆、电缆、管道交越，确需交越时交角不宜小于60°，交越点距离海底中继器和海底分支单元不应小于3倍水深；当与其他海底光缆平行时，间距不宜小于3倍水深，并且不宜小于1 000 m。

(2)T/GDACERCU 0002—2019《海底光中继器技术要求》中规定电学性能：标称供电电流为65×(1±2%)A；海底光中继器两端导体部件间的直流压降小于96 V；海底光中继器端盖及接头盒内密封层的内导体与壳体之间的绝缘电阻不应小于2 000 MΩ；海底光中继器端盖绝缘密封层的内导体与端盖建的耐电压在18 kV(DC)作用下，维持3 min，不出现击穿或飞弧。

通过国内案例介绍，对电力电缆以及海底光缆等规范中涉及到的高压电缆与海底光缆交越以及电磁影响相关条文进行了分析和解释，从案例上、规范上论证了高压电力电缆穿越海底光缆是可行的，是符合规程要求的，但建议由建设单位报相关主管部门审批，并进行必要的分析。

2 高压海底电缆的施工方案研究

2.1 海底电缆交越施工方案

本次海底电缆敷设路径中，与已建海底光缆存在交叉。在施工前，应对交越点进行探摸及经纬度坐标复核，并记录在导航电脑中。当海缆敷埋至交越点前规定位置时，应在距离交越缆前各100 m停止敷设作业。海缆敷埋船“八”字开锚锚泊定位，抛锚位置需离开原有缆线距离200 m以上，并开始提升水下埋设机，当埋设机离开海床面至3 m以上高度后，绞锚向前移船，同时布缆机以相应速度布放电缆进行敷设。待越过交越点100 m后重新投放埋设机进行敷埋作业，在交越施工过程中，潜水员必须水下全程进行监护，确保海缆的安全。

2.2 海底电缆交越保护方案

在复合海缆和其他缆线交越处技术处理时，应对复合海缆包裹橡胶防护垫层，避免与被交越光缆直接接触。

如果被交越光缆直接露出海床面，除安装橡胶垫层外，还可采取压盖水泥砂浆带保护的技术措施。

通过分析可知。

(1)35 kV海底电缆与海底光缆交越是符合规范要求、具有充分依据的。

(2)35 kV海底电缆与海底光缆交越时，应做好施工保护措施。

(3)35 kV海底电缆与海底光缆交越时，应对可能产生的电磁影响进行分析论证

3 高压海底电缆对海底光缆的电磁干扰影响分析

3.1 通信干扰要求

DL/T 5033—2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》给出了通信电缆抗高压线路电磁干扰的能力，但并没有给出通信电缆抗高压电力电缆的防护距离，没有确定电缆与临近通信电缆之间的防护距离，也没有其他的标准或规程进行分析论述。

金属护套与缆芯之间存在互感，因此当缆芯流过电流时，会在金属护套上产生感应电压。对于三芯电力电缆，三相金属护套相互接触，相当于共用同一个金属护套，在系统正常运行三相电流基本平衡时，金属护套上的合成磁通也接近于零，此时金属护套上的感应电压基本为零。只有三相电流的对称性在系统发生非对称短路时遭受破坏，合成磁通不再为零，金属护套上才有不平衡感应电压的产生。

在送电线路故障状态下，当通信电缆芯线两端有绝缘变压器，或一端为绝缘变压器而另一端通过低阻抗接地或与带有接地的金属护套或屏蔽层连接，或所有电缆芯线在两终端都装有避雷器时，通信电缆的磁感应电压允许值应符合下列规定。

(1)无远距离供电的通信电缆线路，其磁感应电压允许值：

US≤0.6UDt或US≤0.85UAt

(1)

(2)“导线-大地”制直流远距离供电的通信电缆线路，其磁感应电压允许值：

(2)

(3)“导线—导线”制直流远距离供电，而中心点接地的通信电缆线路，其感应电压允许值：

(3)

式中UDt——电缆芯线与接地护套间的直流试验电压；UAt——电缆芯线与接地护套间的交流试验电压；Urs——影响计算区段远供电压；US——送电线故障时电缆芯线上的感应电压。

CCITT防护导则及GB 6830—1986《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》对于铜线电缆由于磁感应引起的危险电压允许值规定具体下。

(1)强电线路正常运行情况下，电缆芯向上的纵向电动势允许值为60 V。

(2)强电线路故障时，电压允许值为非高可靠性输电线路的故障切除时间在3 s以内，允许值为430 V；高可靠性线路的故障切除时间在0.5 s以内，允许值为650 V。

3.2 理论推导

三芯电缆区外故障时金属护套感应回路原理图如图1所示。

图1 三芯电缆区外故障时金属护套感应回路原理图

护套感应电压：

(4)

护套自阻抗：

(5)

式中ρS——金属护套材料铜的电阻率；AS——金属护套截面积。

护套感应环流：

从当前交通领域的整体趋势角度讲，交通智能化本身来源于人工智能技术，在此前提下衍生出多种多样的交通智能研判手段。与传统手段相比，建立于人工智能之上的全新交通智能化模式更加有助于保障交通顺畅，对于综合性的交通管控成本也能显著予以降低。针对交通智能研判全面适用人工智能技术体现为如下要点：

(6)

因RS≪XS，有

IS≈3i0

对于不同截面积的电缆，对应金属护套屏蔽层感应环流的计算结果如表1所示。

表1 不同型号电缆的金属护套感应环流计算结果

由表1可以看出：对护套自阻抗而言电阻远远小于电抗，故护套感应环流大小与零序电流大小相等，方向相反；不同型号电缆参数的计算结果对应的比例关系差别不大；感应电压的大小与电缆长度成正比，感应环流的大小与电缆长度无关。

根据本工程实际情况，本工程35 kV海缆短路电流为16 kA，0.6 s，护套电流与零序电流大小相等同样为16 kA。不同型号电缆的短路电流几乎相等。因此，在计算光缆供电电缆感应电动势时，将采用16 kA，0.6 s进行计算。

3.3 东海风电场海底电缆对通信电缆的影响分析

对于不规则形状的磁场计算，采用分段求解的方式，对要求解的区域进行细分dl，当分段足够小时，可取dl中心到电缆的距离近似代替平均距离。由安培定理求得管道上的感应电压ε。

(7)

φ=BS

式中R——电流路径到计算点的距离；l——电流积分路径；S——通信电缆的截面积；ε——感应电动势。

海缆与通信光缆交越示意图如图2所示。

图2 海缆与通信光缆交越示意图

以海缆与通信电缆典型交越为例，求解海缆故障时在光缆供电缆上的感应电压。根据设计资料，取短路电流为16 kA，计算得到感应电压为18.2 V，(间距2.5 m，交叉角度5°)计算结果小于GB 6830—1986中所规定的430 V电压，满足安全要求。

实际上，在发生单相短路故障时，通信光缆的供电导体在与海底电缆在不同并交叉角度时的暂态感应电动势随着交叉角度的增大将急剧减小，超过10°时，暂态感应电动势下降为0。从电磁场的角度进行理解，当通信电缆与电力电缆交叉时，由于长度远大于中心间距，可以近似认为通信电缆关于电力电缆中心对称交叉，这样在通信缆上的磁通方向相反，产生的感应电动势会完全抵消。根据本工程实际情况，海缆采用90°正交跨越海底光缆，在电磁方面的影响几乎可以忽略不计。

4 结语

从国内案例分析入手，结合规程规范及理论分析对海底电缆跨越海底光缆的可行性、合理性、布置方案等进行了深入研究，并可得出以下结论。

(1)电力电缆及光缆相关规程、规范对海底电缆跨越海底光缆是明确支持的，但需做好相关保护等工作。

(2)从海底电缆参数、敷设形式、施工方案等方面，对海底电缆的施工组织及保护方案进行了系统分析，并明确了相关的敷设施工方案。

(3)对海底电缆正常运行及故障后的状态所能够产生的可能对海底光缆的电磁影响进行了定性和定量的计算分析；正常运行状态下，海底电缆对光缆无影响；故障状态下，仅当交叉角度小于10°时，将在光缆上产生感应电动势，但符合规范安全要求；本次交叉角度90°，海缆故障时对光缆仍无影响。