110kV海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析

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700. 71
407. 54
1 235. 32
1 236. 61
992. 68
根据表 3 的计算结果可知，计算载流量的参 数时，导体本体相关的参数 （ 包括运行温度下导 体交流电阻 Ｒ、导体与护套之间的热阻 T1、护套 与铠装之间衬层的热阻 T2 、电缆外护层的热阻 T3 以及导体绝缘单位长的介电损耗 Wd） 与敷设方式 无关，不同的敷设方式在计算载流量的过程中最 大的区别是电缆表面与周围介质之间的热阻 T4， 相比之 下，金 属 套 和 铠 装 的 损 耗 因 数 则 差 别 不大。
结束语
本文总结了海底电缆实际工程中的五种敷设 方式，根据假定的环境条件和具体 110 kV 的单芯 海底电缆结构参数，计算出各种敷设方式下海底
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·石化电气·2014 年第 33 卷第 23 期
110 来自百度文库V 海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析
电缆的允 许 载 流 量，对 比 分 析 结 果，得 出 以 下 结论：
大，该敷设方式下海底电缆的允许载流量就越小， 从表 3 中可知 T4 从大到小的敷设方式排序为： 登 陆段带金属保护管埋地、海底埋地、不受太阳照 射的空气敷设、陆上电缆沟、受太阳照射的空气 敷设。而最终载流量的计算结果从小到大的排序 也为： 登陆段带金属保护管埋地、海底埋地不受 太阳照射的空气敷设、陆上电缆沟、受太阳照射 的空气敷设。可见，环境热阻 T4 的大小直接决定 了不同敷设方式下允许载流量的大小，对于海底 电缆的五种敷设方式，易得登陆段带金属保护管 埋地这种敷设方式允许载流量最小，此段为整根 单芯海底电缆载流量的瓶颈点。
表 2 不同敷设方式的环境条件
敷设方式
环境温度 相间距离 埋深 土壤热阻系数
/℃
/m
/ m / K·m·W － 1
海底埋地
25
200 2
0. 7
登陆段带金属保护管埋地 40
0. 25 2
1. 2
陆上电缆沟
40
0. 25 1
1. 2
受太阳照射的空气敷设 35
0. 25 －
－
不受太阳照射的空气敷设 35
海底电缆的型号及参数
本文以 HYJQF41 － F 110 kV 1 × 500 mm2 的海底 电缆为例，其结构如图 3 所示。
表 1 海底电缆各层的结构参数
序号
材料名称
标称厚度 / mm
标称外径 / mm
1
铜导体 + 阻水带
－
26. 6 ± 0. 1
2 半导电尼龙带 + 半导电屏蔽层 0. 2 + 1. 5
海底电缆的敷设环境及敷设方式
海底电缆按照不同的敷设方式可分为 埋地敷设和空气敷设两种。而考虑到具体 工程实施时某些节点特殊段，如海底电缆 上终端塔、海底电缆登陆段等，具体又可 将埋地敷设分为海底埋地、登陆带金属保 护管埋地和陆上电缆沟三种方式； 而空气 敷设则可分为受太阳直射的空气敷设和不 受太阳直射的空气敷设两种方式，如图 1 和图 2 所示。
目前对海底电缆载流量瓶颈点的研 究还在初始探索阶段，敷设环境复杂多 样、海上气候变化不定以及实验条件难 以模拟实况等，是研究海底电缆载流量 的难点［1-3］。现 有 的 关 于 海 缆 载 流 量 的 研究多数只简单针对海上段以及陆上段 两种情况 进 行 描 述［4-6］， 没 有 得 出 较 为 成熟可靠的结论。而实际海缆工程中敷 设方式多种多样，目前鲜有较为全面地 描述海缆各个敷设方式下的载流量的相 关文章。
［2］ 马云，李世杰． 近海油气田平台间海底电缆的铺设 ［J］． 科 技 情 报 开 发 与 经 济， 2010， 20 （ 3 ） ： 214-215．
［3］ 房晓明． 平台间海底电缆的铺设［J］． 中国海上油 气 （ 工程） ，1991，3 （ 1） ： 23-50．
［4］ 蔡文婷． 提高海底电力电缆载流量的方法探讨［J］． 上海电气技术，2011，4 （ 4） ： 23-28．
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0. 000 5
1. 3 × 10 － 6
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图 1 海底电缆的敷设方式
图 2 海底电缆敷设方式示意图
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·石化电气·2014 年第 33 卷第 23 期
110 kV 海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析
（ 1） 埋地敷设 海底电缆一般在海床下敷设，登陆段也是敷 设在滩涂的地面下，即海底电缆绝大部分是以埋 地的方式敷设。对于海上段海底埋地敷设，一般 选择海底地形较平坦的海域，以某工程的海底电 缆设计为例，海域最大水深 8 m，电缆敷设方式 为水平排列，间距为 50 m。当海底电缆进入滩涂 登陆时，为了 保 护 海 底 电 缆， 需 要 套 一 保 护 管， 管内径大于等于 1. 5 倍海底电缆外径，此时称海 底电缆为带保护管的埋地敷设。海底电缆登陆后 至终端站或终端塔一般采用陆上直埋或者电缆沟 敷设，若海底电缆登陆后至终端站或终端塔的距 离较远，可转为陆上电缆传输。 （ 2） 空气敷设 在海底电 缆 登 陆 后 进 终 端 站 或 上 终 端 塔 时， 相当于在空气中敷设，驳接至电缆终端附件。当 海底电缆上终端塔时，为了保护海底电缆，也会 套保护管，此时带金属保护管的海底电缆在空气 中，为不受太阳照射的空气敷设； 而当海底电缆 脱离金 属 保 护 管 后 直 接 裸 露 在 太 阳 下 时，则 为 受太阳照射的空气敷设。
郑 明 /中国能源建设集团广东省电力设计研究院 胡倩楠 刘 刚 /华南 理工大学电力学院
郑 明 /高级工程师
关键词/ Keywords 海底电缆· 载流量· 埋地敷设· 空气敷设· 瓶颈点·
随着我国沿海海岛经济及海上风力 发电的不断发展，海底电缆的应用越来 越广泛，传输容量也越来越大。海底电 缆载流量的瓶颈段研究愈显重要。海底 电缆的敷设方式是影响其载流量的主要 因素。确定不同敷设方式对电缆线芯温 升的影响，提高导体容量潜能，进而最 大限度地发挥海缆线路的传输效率具有 巨大的经济和社会效益。
1） 总结出实际工程中海底电缆的具体敷设 方式可 分 为 海 底 埋 地、 登 陆 带 金 属 保 护 管 埋 地、 陆上电缆沟、受太阳直射的空气敷设和不受太阳 直射的空气敷设五种。
2） 影响海底电缆不同敷设方式下允许载流 量的主要因素是电缆表面与周围介质之间的热阻， 环境热阻越大，允许载流量越小。
94. 9
11 PP 绳 + 沥青外被层 + 包带
4
102. 9 ± 2. 0
海底 电 缆 不 同 敷 设 方 式 下 允 许 载 流 量 的 计算
1. 海底电缆不同敷设方式的环境参数 对于海底电缆五种敷设方式 （ 海底埋地、登 陆段带金属保护管埋地、陆上电缆沟、受太阳照 射的空气敷设以及不受太阳照射的空气敷设） ， 由于计算载流量需要，给出不同敷设方式下敷设 环境条件参数的假定，如表 2 所示。
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110 kV 海底电缆不同敷设方式 下载流量的对比分析
敷设方式是影响运行电缆允许载流量的主要因素，研 究不同敷设方式下海底电缆的允许载流量，对海缆工程的 设计及运行、海缆高效率输电有着重要的参考和指导意 义。基于对一般海缆工程敷设环境的分析，总结了海底电 缆五种不同的敷设方式，以珠海桂山海上风电场110 kV 送出海 缆 工 程 的 敷 设 环 境 和 HYJQF41 － F 110 kV 1 × 500 mm2 的单芯海缆为例，利用 IEC 60287 标准计算不同 敷设方式下的允许载流量，分析对比不同敷设方式对海底 电缆载流量的影响，得出海底电缆允许载流量的瓶颈点为 带金属保护管埋地的登陆段，对指导海底电缆的安全高效 运行有参考意义。
海底电缆本文简述了典型海底电缆
工程不同敷设区域的环境，总结了实际工 程中 海 底 电 缆 的 几 种 敷 设 方 式，并 以 HYJQF41 － F 110 kV 1 × 500 mm2 的单芯 海底电缆为例，计算不同敷设方式下海底 电缆的载流量，对比分析得出海底电缆允 许载流量的瓶颈点。这对于安全有效地控 制海底电缆的运行容量有指导意义，同时 为海底电缆线路增容提供了参考。
2. 海底电缆允许载流量的计算式
交流电 缆 的 允 许 连 续 载 流 量 可 以 根 据 IEC
60287 － 1 － 1 中载流量计算的经验式进行计算［7］
I=
1
{
[ ] θc － θa － Wd
T1 2
+
n（ T2
+
T3
+
T4 ）
}2
ＲT1 + nＲ（ 1 + λ1 ） T2 +nＲ（ 1 + λ1 + λ2 ） （ T3 + T4 ）
3. 海底电缆不同敷设方式下参数及载流量的 计算结果
根据式 （ 1） 基于表 2 中不同敷设方式的环 境条件参 数， 利 用 文 献［8］中 不 同 敷 设 方 式 下 电 力电缆计算载流量各个参数的具体计算方法，分 别计算 出 海 底 埋 地、 登 陆 段 带 金 属 保 护 管 埋 地、 陆上电缆沟、受太阳照射的空气敷设以及不受太 阳照射的空气敷设这五种敷设方式下的海底电缆 的载流量，计算出的参数以及载流量结果如表 3 所示。
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2014 年 12 月上·石化电气·
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式中，i 为导体 电 流，A； θc 为 导 体 温 度，℃ ； θa 为电缆所在环境温度，℃ ； Wd 为导体绝缘单位长 的介电损耗，W·m －1 ； T1 为导体与护套之间的 热阻，K·m·W －1 ； T2 为护套与铠装之间衬层的 热阻，K · m · W －1 ； T3 为 电 缆 外 护 层 的 热 阻， K·m·W －1 ； T4 为电缆表面与周围介质之间的热 阻，K· m · W －1； Ｒ 为运行温度下导体交流电 阻，Ω·m －1； n 为电缆芯数； λ1 为金属套的损耗 与导体损耗之比； λ2 为铠装层损耗与导体损耗 之比。
海底埋地
登陆段带金属 保护管埋地
陆上 电缆沟
受太阳照射的 不受太阳照射的
空气敷设
空气敷设
4. 628 × 10 － 5 4. 628 × 10 － 5 4. 628 × 10 － 5 4. 628 × 10 － 5
4. 628 × 10 － 5
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金属套和铠装的损耗因数 λ1 和 λ2 存在差异 的原因，是由于不同敷设方式有不同的相间距离， 从而引起 单 相 海 底 电 缆 金 属 套 和 铠 装 互 感 不 同， 因此损耗不同。其中相间距离较大的是海底埋地 的敷设方式，海底埋地的 λ1 和 λ2 较其他敷设方 式较大，但差异不大。
电缆表面与周围介质之间的热阻 T4 差异，由 敷设方式的不同而引起环境介质热阻不同，T4 越
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－
图 3 海底电缆的结构 1—铜导体 + 阻水带 2—半导电尼龙带 + 半导电屏蔽层 3—XLPE 绝缘层 4—绝缘层半导电屏蔽 5—半导电阻水带 6—合金铅套 7—防腐层 8—HDPE 护套 9—内衬层
10—钢丝铠装 11—外被层
图 3 中各层的标称厚度及外径的出厂参数如 表 1 所示。
表 3 不同敷设方式下参数及载流量的计算结果
载流量计算参数
运行温度下导体交流电阻 Ｒ /Ω·m －1 导体与护套之间的热阻 T1 / K·m·W － 1 护套与铠装之间衬层的热阻 T2 / K·m·W － 1 电缆外护层的热阻 T3 / K·m·W － 1 电缆表面与周围介质之间的热阻 T4 / K·m·W － 1 导体绝缘单位长的介电损耗 Wd / W·m 金属套损耗因数 λ1 铠装损耗因数 λ2 载流量 I /A
30
3
XLPE 绝缘
17
64
4
绝缘半导电屏蔽
1. 2
66. 4 ± 0. 5
5
半导电阻水带
1 × 0. 5 × 50
67. 9
6
合金铅套
3. 2
74. 3
7
防腐层
－
－
8
HDPE 护套
2. 8
79. 9
9
PP 绳 + 沥青内衬层
1. 5
82. 9
10 镀锌钢丝 + 铝合金丝间隔铠装 6. 0 × 44