提高深远海海上风电柔性直流海缆输送容量的研究

吴聂根 周宸 吴伟赳 陈钟辉

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

由于化石能源的过度使用，环境问题日益突出，能源转型迫在眉睫。全球对清洁能源的需求不断增大，风电作为清洁能源之一，将会得到更大规模的开发与使用。风场容量越来越大，离岸距离越来越远，考虑到直流输电较交流输电具有输送容量大、线路损耗小、可控性高等优点［1］，直流海缆必将成为未来深远海风电送出的必然选择。但高压直流海缆造价昂贵，科学合理地优化海缆截面，将会大幅降低工程投资，因此研究提高直流海缆载流量的关键因素是非常有必要的。

1 ±535kV 直流海缆模型

典型的±535kV 直流海缆模型［2］如图1 所示，直流海缆型号DC-HYJQ41-F±535kV 1×3000+2×8，对应海缆模型各部分名称及具体结构参数［3］如表1 所示。

表1 直流海缆结构参数 单位：mm

图1 DC-HYJQ41-F±535 kV 1×3 000+2×8 柔性直流海缆结构图

2 直流海缆载流量关键因素分析

依据IEC60287 电缆导体标准提供的直流载流量计算公式可知，在海缆结构确定的情况下，影响载流量外界因素有环境温度和外部热阻，其中，环境温度可以通过增加冷热源调节，外部热阻受埋深、海缆双极间距、土壤热阻系数等因素影响［4］。

2.1 环境温度的影响

按照电缆敷设规程，空气温度一般取当地气象局最热月平均温度，土壤温度取当地最热月平均温度对应的土壤温度（深度不同，温度不同），因此该变量为客观变量，但可以通过引入冷热源调整电缆周边的温度场。表2 对比了热源（恒温40 ℃）和冷源（20 ℃）对海缆载流量的影响。

由表2 可知，距离海缆0.5 m 的热源降低海缆载流量约7%，冷源约能提高海缆载流量4.4%，而且距离越近影响越明显。图2 和图3 分别是热源和冷源情况下的温度场，可知冷源明显改善了海缆周边的散热环境，提高了海缆载流量。

图2 热源下的海缆等温曲线

图3 冷源下的海缆等温曲线

表2 热源和冷源下不同距离直流海缆载流量 单位：A

2.2 埋深对载流量的影响

海缆的散热最终途经是通过地表与空气对流散热，而土壤的埋深是热传导的路径，埋深越大，热阻越大，散热越慢［5］。假设除埋深外其他条件不变时，载流量随着埋深增加而减小，海缆载流量与埋深的拟合曲线如图4 所示。

图4 海缆载流量—埋深曲线

由图4 可知，随着埋深增加，载流量逐渐减小，其对载流量的影响逐渐减弱，最终趋于稳定值，该数值约为埋深1 m 时的80%。

图5～图8 展示了单极和双极（极间距1 m）在埋深1 m 和5 m 的情况下等温线的变化情况。从等温线图变化可以看出，随着埋深增加，电缆向空气散热的热阻增加了，周边土壤温度大幅上升，2 根电缆共同所处的等温线温度越来越大，彼此间的散热影响也会越来越大，最终趋于1 个稳定数值，1 m 间距时该数值约为埋深1 m 时的73%。

图5 单极埋深1 m 等温线

图6 双极埋深1 m、间距1 m 等温线

图7 单极埋深5 m 等温线

图8 双极埋深5 m、间距1 m 等温线

2.3 双极间距对载流量的影响

双极间距越大，彼此间的热阻越大，相互影响越小，越有利于散热，不同间距与载流量的对应关系拟合曲线如图9 所示。

图9 载流量—双极间距曲线

不同间距下2 根缆的等温线如图10 和图11 所示（这里仅展示1 m 与10 m 的情况）。由图10 和图11 可知，随着距离拉大，两者间的等温线越来越独立，无限接近于单根缆散热情况，载流量也无限趋近于单极运行值。

图10 1 m 等温线

图11 10 m 等温线

2.4 土壤热阻系数对载流量的影响

土壤热阻系数越大，热阻越大，相应海缆散热越困难，载流量越小［6］，两者的关系如图12 所示。由图12 可知，热阻系数是载流量一个重要变量，但随着热阻系数变大，对载流量的影响逐渐减弱，过了拐点后其影响进一步减弱，该拐点值为3；热阻系数小于3 时，单位热阻系数变化，对应载流量变化约为399 A；热阻系数大于3 后，单位热阻系数变化，对应载流量变化约为81 A。因此，针对沙滩干燥的沙子，其热阻系数一般为4，若将登陆段海缆周边的沙土热阻系数降低至1 以下，至少可提升载流量50%，大大提高了海缆的输送能力。

图12 载流量-土壤热阻系数曲线

3 根据影响因素设计最优海缆散热方案

海缆敷设分海中段、登陆段（高潮位以下）、陆上段（高潮位以上），其中海中段海缆直埋于海床下，土壤热阻系数为0.7 K·m/W；登陆段直埋于沙滩下，因涨退潮影响，土壤热阻系数在0.7 K·m/W～4 K·m/W 区间变化；陆上段采用电缆沟敷设，空气中载流量比直埋段高。因此只要将登陆段的土壤热阻系数维持在0.7 K·m/W 或以下水平，登陆段海缆就可以达到海中段海缆的载流量水平，即可解决实际工程中海缆登陆段载流量瓶颈的问题。

根据以上分析，可通过优化埋深、双极间距、热阻系数、引入冷源等方法，提升登陆段海缆载流量。

3.1 埋深

根据上文分析，埋深越小，载流量越大。根据《电力工程电缆设计标准》（GB 50217—2018），从保护角度出发，电缆埋深不得小于0.7 m，故海缆埋深按0.7 m 为最优。

3.2 双极间距

根据上文分析，双极间距越大，载流量越大，但在埋深不大于2 m、间距超过5 m 后，间距的增大对载流量的影响很小。根据《电力工程电缆设计标准》（GB 50217—2018）等相关规程规范，两根电缆间距水中段不小于1.2 倍水深，登陆段可适当缩小，故本文推荐水中段按1.2 倍水深考虑，登陆段取10 m 为最优。

3.3 热阻系数

根据上文分析，热阻系数越小，载流量越大，采用换土技术可将该段土壤热阻系数降低至1.2 K·m/W，但与海中段热阻系数0.7 K·m/W 相比，还是相差较大。而且高潮位以下，由于海水冲刷的影响，该方案很难实现。

影响土壤热阻系数的一个关键因素是含水量。含水量越大，热阻系数越小。根据工程实测，湿度大于10%的沙或沙土，其热阻系数小于0.8，因此可采用截留潮水的方法，降低登陆段土壤热阻系数。

通过将登陆沟延伸至低潮位，并每隔一定距离设置一面阻水墙，待海缆敷设完毕且涨潮将沟内充满海水后，原沙土回填。采用该方案后即可保证高潮位以下部分沙土时刻都泡在海水中，使得海缆周边的土壤热阻系数与海中段一致，达到0.7 K·m/W，示意图详见图13，目前该方法正在申请专利。

图13 降低登陆段土壤热阻系数的登陆沟

3.4 冷热源

根据上文分析，海缆登陆段需避开热源，引入冷源，可提高海缆载流量。采用可截水的登陆沟后，每次涨潮，低温的海水与沟内截留的海水可充分交换热量，使沟内土壤的温度基本保持在与海水同样的温度，使得海缆基本在一个恒温的环境下运行。该方案相当于在海缆周边引入了一个恒温冷源，可进一步提高海缆载流量。

3.5 最优埋设组合参数

采用本文的优化参数后，可解决登陆段海缆载流量瓶颈问题，登陆段最优的海缆埋设参数为：埋深0.7 m、双极间距为5 m，土壤热阻系数0.7 K·m/W，引入自然冷源。

4 案例分析

以DC-HYJQ41-F ±535kV 1×3000+2×8 为例，按常规海缆埋设参数和本文最优的埋设参数进行建模计算，海中段、登陆段载流量如表3 所示。由表中数据可知，采用本文的最优埋设参数后，登陆段海缆载流量提升了40%，基本达到了海中段的海缆载流量水平，100%发挥了海缆的输送能力。以福建闽南外海规划的深远海海上风电为例，其规划的风电容量为50 GW，场区中心距离大陆120 km，若采用传统方案需25 回直流缆（50 根海缆），采用优化方案需18 回（36 根），减少了7 回（14根）。按照目前的成本计算，可降低工程造价约294 亿元，可见最优参数组合方案经济效益可观。

表3 不同埋设参数的载流量 单位：A

5 结论

本文基于未来大规模深远海海上风电送出需求为背景，以目前国内最前沿的±535kV 海缆DC-HYJQ41-F ±535kV 1×3000+2×8 为模型，深入分析了直流海缆载流量影响因素，并结合规程规范，创造性地提出了直流海缆最优埋设参数，并以规划的闽南外海海上风电为例，对比了常规参数和该最优埋设参数下，海缆的输送容量和所需的回路数。通过对比，得出了本文的最优埋设参数具有可观的经济效益，为未来海上风电直流海缆截面选择提供参考。