高压直流海缆选型及防护

高玲玲， 袁 杰

（舟山电力局，浙江舟山316000）

高压直流海缆选型及防护

高玲玲， 袁 杰

（舟山电力局，浙江舟山316000）

以实际海缆工程设计为例，首先，通过对直流电缆绝缘材料分析以及电缆载流量的计算，确定高压直流海缆的型号；其次，通过对直流海缆与通信电缆临近情况分析，计算得出直流海缆与通信电缆并行敷设时安全距离以及交叉时直流海缆与通信电缆交叉角度控制；最后，详细给出了海缆与管线交越及不良地质处敷设保护性措施的两种方案，综合其优缺点，采用了保护套管保护的方案。

高压直流海缆；海缆选型；敷设保护

0 引 言

舟山是座“千岛之城”，海域面积达到2.08万平方公里，陆域面积仅仅1 440 km2。由于特殊的地理环境，常常用海缆作为电气连接纽带。本工程海缆路由长度约16 km，海域状况十分复杂，既涉及到众多航线、港口、捕捞区，又与海域里多根管线交叉，并且海底地质相当复杂，给设计带来很大难度。

该工程设计中存在诸多难题：海缆选型；海缆对管线电磁影响；海缆敷设保护措施。本工程海缆路由见图1。

1 高压直流海缆选型分析

1.1 高压直流海缆绝缘选型

传统的海缆类型按绝缘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（XLPE）绝缘挤包高压直流电缆。XLPE是目前海底电缆绝缘材料的首选。

图1 海缆路由走线示意图

自上世纪80年代，XLPE绝缘的质量和击穿耐受电压有了显著改善，现在既可用于陆缆又可用于海缆。

目前世界上最先进的XLPE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，它由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层共挤，导体一般为铜材单芯导体，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用于高直流电压等级的海底大功率传输，最高适用于直流500 kV。目前，世界上最长的海缆工程就是这类电缆，海缆长为580 km（NorNed工程，2008年），但这种电缆国内尚未有制造厂家生产。

充油电缆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。但其海底电缆的尺寸大、单位长度的质量较重，敷设落差受到油压的限制，传输功率小，安装维护复杂，并且存在漏油的可能，对海底环境影响极大，因此充油海底电缆的发展空间必然会受到限制。

同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XLPE绝缘直流海底电缆具有快速、容易接续和安装等特点，非常适合柔性直流输电工程。本工程直流陆缆和海缆推荐采用铜导体XLPE绝缘电力电缆。

1.2 高压直流海缆截面的选择

1.2.1 高压直流海缆的运行条件

（1）系统额定电压U0：±200 kV

（2）系统短期最高工作电压Um：±220 kV

（3）雷电冲击耐受电压（峰值）：550 kV

（4）系统频率：0 Hz

（5）系统接地方式：两端接地系统

（6）额定输送容量：100 MW

（7）最大短路电流：15 kA，持续时间3 s

（8）电缆导体的额定运行温度：70℃

（9）电缆线路设计使用年限：不小于30年

（10）电缆弯曲半径：安装时不小于20倍电缆外径，安装后不小于15倍电缆外径。

1.2.2 高压直流海缆截面的选择

本工程海缆从岱山换流站出线至入海口，途经山地、公路、海塘，采用的敷设方式有直埋、排管及电缆沟三种形式。

本工程直流电缆最大输送容量为100 MW，计算可得本工程电缆载流量需达到250 A。电缆载流量计算公式：

式中：△θ为导体温升（℃）；I为导体中流过的电流（A）；R为最高运行温度的直流电阻（Ω）；T1、T2、T3、T4为电缆各部分热阻（K·m/W）。

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±200kV XLPE单芯海底电缆。本工程海缆的使用条件及其载流量如下：

（1）海底情况，环境温度为25℃，土壤热阻为0.8 K·m/W，缆间距50 m，I=660A；

（2）滩涂情况，环境温度为28℃，土壤热阻为1.2 K·m/W，缆间距5 m，I=565A；

（3）登陆段，环境温度为35℃，土壤热阻为1.5 K·m/W，缆间距0.5 m，I=459A。

陆上电缆的使用条件及其载流量计算如下：

（1）电缆沟，环境温度为40℃，缆间距0 m，I= 619A；

（2）排管，环境温度为40℃，缆间距0.25 m，I=495A；

（3）直埋，环境温度为30℃，土壤热阻为1.5 K·m/W，缆间距0.25 m，I=548A。

经计算，1×300 mm2的单芯铜导体XLPE直流海缆可满足输送容量要求。其设计结构图见图2。

图2 海底电缆设计结构示意图

2 直流海缆与通信电缆临近敷设时电磁干扰安全距离分析

直流电缆正常运行时无交变磁场产生，不会对外面的金属产生感应电动势。因此，对于直流海缆输电工程，主要考虑直流海缆在故障状态下对临近通信电缆的影响。

海缆与通信电缆临近情况有两种，平行或交叉，根据这两种情况分别建立计算模型，并进行详细分析。

2.1 平行敷设时电磁干扰安全距离分析

平行情况下，采用计算模型如图3所示。

图3 单根海缆短路故障时对通信电缆影响示意图

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：直流海缆位于通信电缆上方，上下间距1 m，假设海缆距通信电缆在30～50 m发生故障。

单位长度上的纵向感应电动势计算公式如下：

式中：ω为短路电流等效角频率，ω=2πf（rad/s）；μ0为真空磁导率；Id为电力电缆屏蔽层短路电流，Id= 15 kA；d为电力电缆与通信电缆的中心距（m）；D为通信电缆金属护套外直径，D=25 cm。

图4为单极短路故障时，通信电缆在不同位置处的暂态感应动势。由图4可看出，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800 V，随着通信电缆距离海缆的距离增加，磁感应电压急剧减小，当间距增加到1 m的时候，磁感应电压减小到580.5 V，参照GB 6830-1986给出的650 V限值，此时可以满足要求。

图4 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

2.2 交叉敷设时电磁干扰安全距离分析

海底电缆与通信电缆交叉影响主要考虑跨越、上下交叉等影响，简化示意图见图5。这里以较为严重的情况为例，海底电缆容量100MVA，与通信电缆平行距离为16 km的情况进行交叉变换，以1m为间距进行计算，交叉角度θ从0～90°变化，计算结果如图6所示。

图5 通信线路与海缆交叉的计算示意图

由图6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°，暂态感应电动势下降为0。从电磁场的角度很好理解，那就是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对于电力电缆中心对称交叉，这样在通信电缆上的磁通方向相反，产生的感应电动势会完全抵消。因此，即使在安全间距极小的情况下小角度交叉，也能满足电压限值的要求。

图6 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

3 海缆与管线交越及不良地质处敷设保护性措施分析

海缆正常敷设时采用抛放或埋设两种方式，但遇到不良障碍物，如基岩、管线时，需作特殊处理。本工程设计要求海缆全程埋设，故遇到障碍物及不良地质均需采用相应技术措施。

3.1 海缆与金属管线交越敷设保护性措施

设计根据以往海缆工程与管线交越措施的经验，推荐两种方案：（1）即在交越点及其两侧各30～40 m长度的海缆加装保护管保护，不埋设（保护管见图7）；（2）采用抛石保护。但根据该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小于80 kPa，若采用抛石方案，会引起海底管线的下沉与纵向应力，对海底管线产生不利影响。因此不宜采用抛石保护的方案。

图7 海缆保护套管示意图

3.2 海缆在不良地质处敷设保护性措施

对于海缆敷设而言，海底不良地质主要分为基岩、潮流冲刷槽。设计根据两种不良地质，推荐两种方案备选：

（1）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，整平基岩面，直接在岩面上开凿电缆沟，深0.5 m，宽1.2 m，海缆套上海缆保护套管后放置槽沟内进行固定。

过潮流冲刷槽保护：海缆在敷设前，确定潮流冲刷槽位置及距离，先用埋设装置开挖，深度不小于60 cm，再把海缆套上保护套管后敷设至沟内。

（2）采用海底电缆抛石保护。

采用抛石方案首先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了两层结构，内层即滤层为碎石，外层即铠装层为组合块石，见图8。

图8 抛石方案示意图

针对堆石层设计相关计算，根据海缆敷设区域的海域条件和界入安全系数进行初步计算，选用了伊兹巴什（Isbash）公式，其数学模型见下式：

式中：Ws为块石稳定重量（kg）；K为系数，取0.0155；ρs为块石密度（kg/m3）；ρ0为海水的密度（g/cm3）；g为重力加速度（m/s）；V0为流速（m/s）。

表1列出了3种海流状态下的块石稳定重量。

表1 不同石料密度下的稳定重量表

抛石保护方案还需对块石对海缆的冲击力、块石沉降的动力速度、块石坚向运动微分方程推导、块石水平运动方程推导、块石冲击速度与入射角度等方面作详细分析，这里就不一一罗列，总之该方案是一项非常复杂、技术含量很高的工程，不仅是设计方面，更重要的是体现在施工方面，对施工单位的施工能力要求很高。目前这一项工程一般都是国外施工单位承建。

综合分析两种方案的造价、施工难度、施工周期等因素，最终采用海底电缆专用不锈钢保护管保护的方案。

4 结 论

（1）通过对国内外有关高压直流电缆绝缘型式现状分析及对各种敷设方式的电缆载流量计算，最终确定采用单芯铜导体XLPE绝缘挤包直流电缆，电压等级±200 kV，导体截面采用1×300 mm2，载流量为250 A。

（2）通过分析、建模，计算得出直流海缆与通信电缆平行敷设时安全距离需控制在不小于1m；交叉时，直流海缆与通信电缆交叉角度控制在不小于10°。

（3）分析比较海缆与管线交越及不良地质处敷设的两种保护性方案，两种方案各有优缺点：采用保护套管，可操作性强，造价低，施工难度不高；采用抛石保护，实际运行效果好，但造价很高、施工难度大。综合考虑本工程海缆敷设保护方案采用保护套管。

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［2］ IEC 60287-1994 电缆连续载流量计算（100%负载系数）［S］.

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［4］ DL 5033-1994 送电线路对电信线路危险影响设计规程［S］.

［5］ GB 6830-1986 电信线路遭受强电线路危险影响的容许值［S］.

［6］ 赵婉君.高压直流输电工程［M］.北京：中国电力出版社，2004.189-190.

［7］ GB/T 18480-2001 海底光缆规范［S］.

［8］ YD 5102-2003 长途通信干线光缆传输系统线路工程设计规范［S］.

［9］ 王裕霜.500kV海底电缆后续抛石保护工程建设［J］.电力建设，2012，33（8）：116-118.

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HVDC Submarine Cable Selection and Protection

GAO Ling-ling，YUAN Jie
（Zhoushan Electric Power Bureau，Zhoushan 316000，China）

Based on the actual submarine cable project design as an example，firstof all，through the DC cable insulation type analysis and ampacity calculations to determine the model of HVDC submarine cable；Secondly，through the neighboring DC submarine cable and communication cable situation analysis，the calculated DC submarine cable and communication cable laying parallel safety distance and cross the DC submarine cable crossing angle control and communications；Finally，given in detail with submarine pipeline crossing and adverse geological laid at protective measures the two programs together their strengths and weaknesses，with a protective sleeve to protect the program.

HVDC submarine cable；cable selection；laying protection

TM247.9

A

1672-6901（2014）03-0027-04

2013-10-28

高玲玲（1984-），女，助理工程师.

作者地址：浙江舟山市定海惠明桥惠飞路 600号［316000］.