海底电缆暂态载流量计算与优化选型

夏 峰， 单潜瑜， 赵远涛， 周则威， 杨 帆， 姚 凯， 黄 韵， 王玉芬

（宁波东方电缆股份有限公司，浙江 宁波315801）

0 引 言

随着跨海输电、海上风电等大规模海洋工程的发展和推进，海底电缆的电压等级逐渐增高，截面增大，这对海底电缆的研发、制造、施工等带来了新的挑战。传统基于稳态的载流量计算方法被指出趋于保守，在日渐激烈的国际市场上已经不具备竞争优势。

电缆载流量的研究始于19世纪后期，NM方法［1］作为更深入的载流量研究方法被提出，该方法首次提出了载流量和温度变化的具体解法。目前国内外主要的计算方法有两种：第一种是将电缆回路等效考虑成热路模型，基于IEC 60287系列公式进行数值推导［2］，该方法存在许多缺陷，比如不适用多回路集群敷设方式，损耗计算时对于不同位置、温度取的电阻率是定值，计算环境趋于理想化，排管、电缆沟等敷设下无法考虑到空气流动的耦合作用；第二种是基于传热学的原理的数值法，其中包括差分法、边界元法以及有限元方法等［3-5］，常用的商业软件有Ansys、COMSOL Multiphysics等［6］。

本工作基于国外某风电场近几年的海底电缆载流量实际运行情况以及CYME国际输配电公司、安大略省水电公司Ontario Hydro和加拿大电气协会CEA联合开发的软件CYMCAP，提出运用动态方法对海底电缆的载流量进行建模计算，并基于稳态和暂态方法进行电缆的优化选型。

1 结构与参数

1.1 海底电缆结构与参数

型号为HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交联聚乙烯海底复合电缆（光缆用于检测电缆温度［7］）的结构尺寸见表1，海底电缆结构示意图见图1。

表1 海底电缆结构尺寸

图1 海底电缆结构示意图

1.2 参数设置

（1）环境条件

海底电缆所处海床段的环境温度为11℃，海床土壤热阻系数为0.8 K·m／W，电缆埋深为1.5 m。

（2）载流量监控曲线

对于电缆实时监控来说，动态监测系统更能反映线路的实际情况［8］。线路的最小载流量需求为1 000 A，根据2019年线路的全年实测数据换算得出载荷因子曲线（1～35 d的载荷曲线）如图2所示。

由图2可知：海底电缆在正常运行时通常不会满载状态运行。目前欧洲国家正在研究动态载流量算法以及电缆铠装优化设计，目的在于尽可能的优化电缆截面，充分利用稳态设计时预留的设计裕度。

图2 1～35 d载荷曲线

2 方法和计算标准

国际电工委员会颁布的IEC 60287，IEC 60854，IEC 60949和IEC 1042等系列标准有具体的公式，对线缆行业有引导的作用，被用于电缆载流量的计算。对于温度场分析，CYMCAP可进行稳态和暂态的分析，暂态分析必须在稳态热分析完成后才可运行，从某种意义上来说领先于IEC标准。

3 载流量分析

3.1 稳态载流量计算

对于交联聚乙烯绝缘的交流电缆来说，在特定工况下，导体温度达到90℃时的稳定电流为该电缆的稳态载流量［9-10］。

根据环境条件，可以得到该工况下海缆的稳态载流量为948 A，与目标载流量相比远远无法满足要求。

3.2 暂态载流量计算

将导体温度作为时间的函数，输入某一个特定的载流量（预加载载流量）、具体的时间间隔为8 760 h、分析步长以及电缆载流量的比例因子，由此来评估电缆可以达到的温度。

根据输入条件，得到该工况下海底电缆的暂态分析结果见图3。可知在目标载流量下，导体的动态温度均低于90℃，可以满足载流量输出要求。

图3 导体温度-运行时间曲线

4 电缆优化选型与敏感性分析

4.1 电缆选型优化

由稳态和暂态的分析结果可知，传统的载流量计算方法趋于保守，在日趋激烈的国际市场上，这样的计算结果需要选择更大的导体截面和电压等级，导致电缆重量和外径偏大，给电缆的设计、生产、制造、运输及敷设带来困难，意味着投入更多的人力、物力和资金。

基于稳态和暂态结果对比了相同电压等级下满足载流量要求的电缆选型，见表2。

表2 电缆选型对比

4.2 敏感性分析

型号为HLYJQF41-F 127／220 kV 3×1 600 mm2的交联聚乙烯海底电缆通过控制变量的方法，对土壤热阻系数（见图4）、环境温度（见图5）和电缆埋深（见图6）进行参数的敏感性分析。

由图4、图5和图6可以看出：环境温度、海床热阻系数和电缆埋深与电缆的载流量均呈负相关。

图4 载流量-热阻系数曲线

图5 载流量-环境温度曲线

图6 载流量-电缆埋深曲线

在海底电缆的系统设计时，需要考虑到海底电缆线路上的土壤热阻和温度情况；在进行敷设设计时，电缆的埋深是最关键的因素。以上因素均直接影响到电缆系统的载流量大小以及设计的安全性。

5 结束语

结合海底电缆实际监测情况和工况条件，计算电缆暂态载流量，从理论上提高了线路的传输能力，通过合理配置电缆负荷，提高了电缆设计、制造、施工和运行上的经济性，对海底电缆的设计和施工具有一定的指导意义。