舟山多端柔性直流输电工程的海缆选型及防护探讨

李世强，何旭涛，闫循平，郑新龙

（舟山电力局，浙江舟山316000）

舟山多端柔性直流输电工程的海缆选型及防护探讨

李世强，何旭涛，闫循平，郑新龙

（舟山电力局，浙江舟山316000）

舟山多端柔性直流输电示范工程是世界首个五端柔性直流工程，在工程设计中存在着电缆选型复杂、与其他管线的交越、敷设保护等与常规直流输电工程不同的技术问题。以本工程定海-岱山段为例，通过详细分析、计算，提出了相关技术原则和方案，并获得工程应用。

柔性；直流输电；电缆选型；敷设保护

舟山多端柔性直流输电示范工程是世界首个五端柔性直流工程，跨越舟山5个岛的海域，线路总长140.4 km，电压等级±200 kV。其中定海-岱山段的海缆长度达52 km，且海域状况十分复杂，涉及众多航线、港口、捕捞区，海域已有的管线也较多，海底地质复杂，设计难度很大。

该工程的设计中存在诸多难题，主要体现在高压直流海缆的选型、直流海缆对金属管线的电磁影响、海缆与管线交越及不良地质处的保护性措施等方面。解决好上述难题，是该工程最终能成功投运的基础。

1 高压直流海缆选型分析

1.1 高压直流海缆绝缘选型分析

传统的电缆绝缘类型主要分为粘性浸渍纸绝缘电缆、纸绝缘充油电缆和交联聚乙烯绝缘挤包高压直流电缆。

自20世纪80年代起，交联聚乙烯绝缘的质量显著改善，击穿耐受电压大为提高，成为了海底电缆绝缘材料的首选。目前世界上最先进的交联聚乙烯绝缘挤包直流电缆技术是采用新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆，是将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层3层同时挤压成绝缘层，中间导体一般为铝材单芯导体，具有高强度、环保和方便掩埋等特点，适合用于深海等恶劣环境。

粘性浸渍纸绝缘电缆适用于高直流电压等级的海底大功率传输。粘性浸渍纸绝缘电缆最高适用于直流500 kV。目前，世界上最长的海缆工程就是采用这一型式的电缆，海缆长580 km（NorNed工程，2008年投产），但这种型式的电缆国内尚未有厂家生产。

充油电缆利用补充浸渍剂消除绝缘材料中形成的气隙以提高电缆工作场强，电气性能可靠，机械性能良好。但充油电缆尺寸大、单位长度的质量较重，用作直流海底电缆时其敷设落差受到油压的限制，传输功率密度小，安装维护复杂，并且存在漏油的可能，对海底环境影响极大，在当前国际社会对环境问题极其关注的情况下，充油海底电缆的发展空间必然会受到限制。

与充油直流海底电缆相比，交联直流海底电缆的尺寸小、质量轻，对敷设环境落差要求不高，传输功率密度大，安装维护方便，并且对环境影响较小，非常环保。相关研究表明，挤包型交联聚乙烯绝缘直流海底电缆具有安装快速、容易拼接等特点，非常适合柔性直流输电工程。综上分析，本工程的直流陆缆和海缆推荐采用铜导体交联聚乙烯绝缘电力电缆。

1.2 高压直流海缆截面的选择分析

1.2.1 高压直流海缆的运行条件

1.2.2 高压直流海缆的截面的选择

本工程直流海缆从定海换流站出线采用直流陆缆方式敷设至入海口，敷设地形有山地、公路、海塘及场地等，电缆沟采用直埋、排管及混凝土电缆沟3种形式。为此要对每种电缆构筑物的电缆载流能力进行详细计算。舟山地质多为火山岩，表层土壤为风化后形成，土层较薄，一般约为1 m，土壤热阻系数多在2.0 K·m/W以上，不能满足本工程的载流量需要，因此工程设计考虑改善山地敷设环境，采用局部换土方式将土壤热阻保持在1.5 K·m/W及以下。

本工程直流电缆最大输送容量为400 MW，计算可得本工程电缆载流量需达到1 000 A。

从海底电缆的生产技术、运行、维护等角度考虑，本工程拟采用±200 kV交联聚乙烯绝缘单芯海底电缆。

经计算，1×1 000 mm2的单芯铜导体交联聚乙烯直流海缆与陆上电缆可满足输送容量要求。因此，本工程海缆选用单芯铜导体、截面1 000 mm2、交联聚乙烯绝缘、铅护套、半导电聚乙烯护套、单层钢丝铠装、聚丙烯绳外披覆海底电力电缆。陆上电缆选用单芯铜导体、截面1 000 mm2、交联聚乙烯绝缘、铅合金套、聚乙烯外护套电力电缆，并复合2×12芯光纤单元，光纤单元两侧采用铝合金丝护条。

2 直流海缆与通信电缆邻近敷设时的电磁干扰安全距离分析

本工程直流海缆将与海底军用通信电缆及海底电信通信电缆交越。海底电缆为金属铠装屏蔽电缆，电缆外层的金属层和铠装层可有效屏蔽电缆导体芯线周围所产生的直流电场。直流电缆正常运行时无交变磁场产生，因此不会对外在的金属产生感应电动势。只有在直流电缆发生故障的状态下对其有所影响。

考虑海缆与通信电缆平行与交叉2种情况建立计算模型，并进行相关分析。

2.1 直流海缆与通信电缆平行敷设

并行情况下，计算模型如图1所示。

图1 单根海缆故障时对通信电缆影响示意

计算条件如下：

直流线路工作电压±200 kV；海缆对海面深度20 m；布置方式为直流海缆位于通信电缆上方，上下间距1 m。

计算时考虑最恶劣的情况，最大电流取正常工作电流的15倍。

由图2可以看出，考虑最严重的情况，通信电缆位置恰好处于故障海缆正下方，在通信电缆上由磁耦合感应出的电压最大值接近9 kV，随着通信电缆距离海缆的距离增加，磁感应电压急剧减小，当距离增加到13.5 m的时候，磁感应电压减小到640.5 V，参照GB 6830-86《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》给出的650 V限值，此时可以满足要求。

对直流谐波正常运行时对通信电缆的电磁影响进行计算，以12脉动直流系统为例，直流侧为12，24，36次谐波电流。并行长度1 000 m，通信电缆在不同位置的谐波感应电流产生的纵向电动势如图3所示，谐波所造成的影响较小，可不做为主要考察对象。

图2 单极短路故障时，通信电缆在不同位置处的暂态感应电动势

图3 直流海缆谐波对通信电缆的影响

以上分析结果表明，正常运行条件下直流谐波对通信电缆的影响远远低于安全限值。

2.2 直流海缆与通信电缆交叉敷设

考虑交叉角度影响，交叉角度θ为0°～90°。图4给出了通信电缆与电力电缆交叉情况下的计算模型。

图4 通信线路与海缆交叉的计算示意

考虑计算条件与并行时类似，以400 MVA海缆52 km并行计算得到的最小安全间距13.5 m为间距进行计算，单极短路故障时通信电缆在不同交叉角度时的感应电动势如图5所示。

图5 单极短路故障时，通信电缆在不同交叉角度时的暂态感应电动势

由图5可以看出，单极短路故障时，通信电缆在不同交叉角度时的暂态感应电动势随着交叉角度的增大急剧减小，超过10°后，暂态感应电动势下降为0。

通过计算，最终得到舟山-岱山段金属管线交越的感应过电压及安全间距如表1所示，海缆与通信电缆最小安全间距为13.5 m。

表1 舟山-岱山海缆交越对通信电缆影响

3 海缆与管线交越及不良地质处敷设的保护性措施分析

舟山多端柔性直流输电示范工程舟山岛-岱山岛直流海缆路由勘测报告指出：本段海缆与输水管道及光缆都有交越，且海缆在岱山段登陆前沿区域有基岩，根据业主要求，需重点考虑采用何种措施规避不利风险。

3.1 海缆与金属管线交越敷设的保护性措施分析

根据多年海缆工程设计、施工、运行的经验，本工程海缆在与金属管线交越时，将沿用以往的成熟方案，设计推荐2种方案。方案一：在交越点及其两侧各30～40 m长度的海缆上加装保护管保护措施，不埋设。方案二：采用抛石保护。根据海缆路由工程地质勘察报告，本工程海缆与海底管线的交越点所处地质均为淤泥质土，此地基土承载力特征值fak＜80 kPa，若采用抛石方案，会引起海底管道的下沉与纵向应力，对海底管线产生不利影响。因此，本工程与金属管线交越处海缆不宜再采用抛石保护的方案。

3.2 海缆在不良地质处敷设的保护性措施分析

海缆路由勘测报告显示：路由中部区域有潮流冲刷槽盒砂质海床，地质很硬，海缆无法埋设至目标深度，且在岱山侧登陆点前沿有约30 m长度的基岩，需采取有效措施防止海缆受外部环境影响而受损。设计推荐以下2种方案。

（1）方案一：采用海底电缆专用不锈钢保护管保护。

过基岩区保护：海缆施工前先进行路由岩面细部勘察，采用爆破方式去除孤石，整平岩面30 m，直接在岩面上开凿深0.5 m、宽1.2 m的电缆沟。海缆铺设完成后，过此基岩区的海缆需进行固定。在低潮水时作业，采用海缆保护套管，长度30 m，再用水泥砂袋敷至海缆上方进行固定。

过不良地质的海床保护：在海缆敷设前，首先确定海床位置及距离，先用埋设装置进行开挖，深度不小于60 cm，再将海缆套上保护套管后敷设至沟内。

（2）方案二：采用海底电缆抛石保护方案。

采用抛石方案时首先要确定保护区域的精确坐标点，同时要计算石料层的覆盖厚度、长度及抛石工程量。设计方案的堆石体采用两层结构，内层即滤层为碎石，外层即铠装层为组合块石。

针对堆石层进行相关计算，根据海缆敷设区域的海域条件和界入安全系数计算出的3种海流状态下的块石密度稳定重量及安全系数见表2。

表2 石料密度稳定重量表

抛石保护方案还要考虑块石对海缆的冲击、块石沉降的动力速度、块石水平运动方程、块石冲击速度与入射角度等，方案复杂，技术含量很高，尤其是对施工单位的施工能力要求非常高。

对比2种方案的造价、施工难度、施工周期等因素，综合分析后最终采用了海底电缆专用不锈钢保护管保护的方案。

4 结论

（1）通过对国外高压直流电缆现状的分析及对国内海缆生产厂家实际调研，综合考虑后采用单芯铜导体交联聚乙烯绝缘挤包直流电缆，电压等级±200 kV，导体截面采用1×1 000 mm2，载流量为1000A。

（2）通过对直流海缆与通信电缆并行与交叉敷设2种情况的分析、建模、计算，得出直流海缆与通信电缆并行敷设时安全距离需控制在不小于13.5 m；交叉时，直流海缆与通信电缆交叉角度控制在不小于10°等相关结论。

（3）分析比较了海缆与管线交越及不良地质处敷设的2种保护性方案，方案一采用保护套管，可操作性强，造价低，施工难度不高；方案二采用抛石保护，实际运行效果好，但造价很高、施工难度大；综合考虑后本工程海缆敷设保护采用方案一。

[1]陈明祥.海底电缆后续抛石保护数值模拟研究报告[R].武汉大学，2011.

[2]王裕霜.500 kV海底电缆浅滩铸铁套管保护实践与思考[J].南方电网技术，2011，5（2）∶1-3.

[3]刘臻.琼州海峡海底电缆工程抛石稳定性研究报告[R].中国海洋大学，2011.

[4]马国栋.电线电缆载流量[M].北京∶中国电力出版社，2003.

（本文编辑：龚皓）

Discussion on Type Selection and Protection of Submarine Cables for Zhoushan Multi-terminal flexible DC Power Transmission Project

LI Shi qiang，HE Xu tao，YAN Xun ping，ZHENG Xin long
（Zhoushan Electric Power Bureau，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

Zhoushan multi-terminal flexible DC demonstration project is the first five-terminal flexible DC project in the world.In the engineering design，cable type selection，crossover with other pipelines and laying protection are different from those of conventional DC power transmission projects.By taking Dinghai-Daishan section of the project as an example and through detailed analysis and calculation，the paper proposes relevant technical principle and scheme，which turned out to be successful in engineering practice.

flexible；DC power transmission；cable type selection；laying protection

TM752

：B

：1007-1881（2013）10-0012-04

2013-04-03

李世强（1983-），男，江苏南京人，助理工程师，主要从事海洋输电技术方面的研究工作。