如何选择适合自己的海底电缆？

5.3.2.1 交流海底电缆选型

交流海底电缆的型式选择包括绝缘类型、导体截面、金属护层护套、外护套以及铠装型式等的选择。

1.绝缘类型选择

交流电缆按绝缘类型可分为充油电缆和交联聚乙烯 （XLPE）绝缘电缆。目前两种绝缘类型的电缆在国内、外跨海交流输电工程中均有应用。

（1）充油电缆。它采用低损耗牛皮纸或纸层和聚丙烯组成的复合结构 （PPLP）作绝缘材料，同时采用低黏度矿物油来浸渍电缆纸绝缘，并在电缆内部设置油道与供油设备相连以保持电缆中油的压力，从而抑制了电缆绝缘内部气隙的产生。充油电缆的重要特点是：当电缆受到外力破坏而发生少量漏油时，不必马上进行停电处理，而只需从补油设备加入一些油，使检测故障点和修理的工作可以适当延后，从而提高联网工程运行的可靠性。充油电缆无论在制造还是使用上，都有一套比较成熟的技术和经验，是世界公认的绝缘性能优良、运行可靠的高压电缆。目前世界上已建的交流超高压跨海联网工程中，如加拿大温哥华500kV跨海联网工程、欧洲西班牙—摩洛哥400kV跨海联网工程及500kV海南联网工程均采用该种型式的电缆。

（2）交联聚乙烯电缆。交联聚乙烯是通过交联工艺，将低密度聚乙烯的长分子链形成三维网状，交联过程是不可逆的，防止了聚合物在高温下熔融。国外交联聚乙烯绝缘电缆从20世纪60年代开始发展使用，到70年代末80年代初，制造技术有较大突破，采用三层挤压和导电层、绝缘层共同交联的工艺，使导电层和绝缘层之间形成良好的、均质的和无气隙的结合，较好地解决了交联聚乙烯绝缘中的气泡微孔等影响绝缘性能的问题；选用干式交联工艺及纵向水密封结构，使水树现象得到较好的解决。20世纪80年代初生产并使用了275kV交联聚乙烯绝缘电缆，80年代中期就成功地开发了500kV交联聚乙烯绝缘电缆。目前世界上已投运的交联聚乙烯绝缘交流陆缆，电压等级为10～500kV，受软接头技术影响，目前已投运的交流海底电缆最高电压等级为400kV。

以上两种绝缘类型电缆的技术性能见表5-11。

表5-11　两种绝缘类型电缆技术性能对比表

注　表中的电压等级均为目前已投入运行的输电工程最高电压等级。

充油电缆具有可靠性高、机械性能好的优点，但敷设安装不便、易燃、不环保，一旦发生漏油，将对周边海域生态环境造成较大影响，且受油压限制线路长度有限。交联聚乙烯绝缘电缆具有电气性能好、机械强度高、安装敷设和运行维护方便以及环保等特点，目前海上风电大多选用交联聚乙烯绝缘电缆。

2.导体截面选择

导体截面选择的原则为：①电缆长期容许电流应满足持续工作电流的要求；②短路时应满足短路热稳定的要求；③根据电缆长度，如有必要应进行电压降校核。

因电缆对地电容很大，其对地充电电流远大于一般架空输电线路，因此，对于长距离线路电缆，两端必须装设高压并联电抗器对电缆电容电流进行补偿，以改善电缆中电容电流的分布。

载流量计算需要考虑绝缘、金属护套、铠装层损耗以及电缆内衬层、外护层、周围媒质热阻、环境温度等方面的影响。电缆长期允许电流的计算采用IEC60287 《电缆额定电流的计算》标准推荐的公式。单芯海底电缆的温升为

根据温升公式可推导出额定载流量为

式中 Δθc——高于环境温度的导体温升，℃，Δθc=θc-θ0；

θc——导体工作温度，℃；

θ0——环境温度，℃；

I——一根导体中流过的电流，A；

R——最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；

Wd——导体绝缘单位长度的介质损耗，W/m；

T1——一根导体和金属套之间单位长度热阻，K·m/W；

T2——金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻，K·m/W；

T3——电缆外护层单位长度热阻，K·m/W；

T4——电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，K·m/W；

λ1——电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率；

λ2——电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。

海底电缆线路如发生短路故障，线芯中通过的电流可能为额定值的几十倍，但短路电流作用的时间很短。按照IEC中 “考虑非绝热效应的允许短路电流计算” 计算绝热短路电流，在任何起始温度下，绝热的温升短路电流计算公式如下，并据此校核所选截面的电缆是否满足短路热稳定的要求

式中 K——取决于导体材料的常数；

S——导体几何截面；

t——短路持续时间；

θf——最终温度；

θi——起始温度；

β——0℃时导体电阻温度系数的倒数。

一般来说，电缆的阻抗很小，对于不太长的电缆，其电压损失不会构成电缆截面选择的制约条件。

3.金属护套选择

电缆的金属护套除了屏蔽电磁场和泄流漏电流之外，还起着阻水、防潮气的作用。铅护套密封性能好，可以防止水分或潮气进入电缆绝缘；熔点低，可以在较低温度下挤压到电缆绝缘外层，耐腐蚀性较好；弯曲性能较好。故海底电缆一般采用铅护套。铅护套为松紧适当的无缝铅管，材质应符合JB/T5268.2—2011 《电缆金属套 第2部分：铅套》中的要求，其标称厚度为

式中 D——铅套前假定直径。

金属护套的绝热温升短路电流计算公式见式（5 4）。

4.外护套选择

在金属护套外须挤包外护套，其主要作用为抗压、防水、防潮及机械保护。另外，当电缆遭受短路和过电压冲击时，外护套应能耐受由此所产生的感应电压。当电缆遭受短路和过电压冲击时，金属护套中会出现较高的冲击感应过电压，且线路越长过电压幅值越高，当线路达到一定长度时，电缆外护套可能会因冲击感应过电压过大而击穿。

金属护套中可能会出现的冲击感应过电压可采用电容耦合法 （Rusck-Uhlman公式）进行计算，即

式中 Utr——过电压侵入波的幅值，kV；

C12——电缆线芯对金属护套的电容，F/km；

C23——金属护套对铠装层的电容，F/km；

β——传播距离，km；

v——过电压侵入波在海底电缆中的波速，km/s；(www.xing528.com)

RS——金属护套的电阻，Ω/km。

对于短距离海底电缆，若金属护套中冲击感应过电压不会对外护套构成威胁时，可选用聚乙烯（PE）外护套；但当海底电缆较长，金属护套中冲击感应过电压过大时，宜选用添加炭黑的半导电聚乙烯作为外护套，该种护套为内层的金属护套和外层铠装提供了等电位连接，从而降低了金属护套上的感应电压。

5.铠装型式选择

铠装是海底电缆至关重要的结构元件，能够维持张力的稳定性并提供机械保护。海底电缆在安装过程中经受张力的作用，张力不仅来自于悬挂海底电缆的重量，还包括敷设船垂直运动产生的附件动态力，安装过程中的合力会远大于海底电缆垂下至海底的静态受力。铠装还提供一定的机械保护，防止安装机具、渔具和锚具带来的外部威胁。铠装选型不当，将使海底电缆易遭受损伤，降低其稳定性，从而产生高昂的修复成本，甚至会影响其使用寿命。铠装层设计应能满足敷设、运行及维修打捞条件下对海底电缆机械抗拉强度的要求。根据国际大电网会议规范性文件ElectraNo.171APRIL—1997 《海底电缆机械试验推荐方法》中的推荐，对于水深不超过500m正常状态敷设和打捞时，试样要承受的试验拉力为

式中 T——试样要承受的试验拉力，N；

w——1m长电缆在水中重量，N/m；

d——最大水深，m；

H——最大允许海底剩余张力，N，H=0.2wd。

注意：d的最小值规定为200m；因数1.3是考虑到敷设张力和打捞张力产生的附加张力和敷设打捞过程中的动态张力；海底剩余张力H 是给敷设入水角一个适当的裕度以防止在敷设时在电缆上产生扭结。

铠装层对交流单芯海底电缆的电气性能有较大影响，特别是采用磁性材料时，铠装层将产生较大损耗，对海底电缆载流量影响较大。若铠装层材料选择不当，将造成铠装层的损耗过高，从而限制海底电缆载流量。同时由于海底电缆长期处于过热状态，将减少其正常适用寿命。IEC60287 《电缆额定电流的计算》中，铠装的损耗计算分为非磁性铠装计算和磁性铠装计算两种，两种计算方法均将铠装和金属护套损耗合并计算。计算时用金属护套和铠装的并联电阻代替单一金属护套的电阻，用金属护套和铠装直径的均方根代替金属护套的平均直径，计算结果为金属护套损耗及铠装损耗分别与线芯损耗的比值，记为λ1、λ2。

目前，常用的海底电缆铠装型式主要有镀锌粗圆钢丝铠装、镀锌扁钢线铠装、不锈钢丝铠装、扁铜丝铠装等。以上常用铠装材料的性能见表5-12。镀锌钢丝铠装本体造价低且能提供良好的机械性能，但损耗大，影响电缆的载流量；扁铜丝铠装本体造价高，但损耗小，能提高海底电缆的载流量。在工程中，一般采用最小年费用法，综合考虑上述影响因素，确定海底电缆铠装的最佳型式。

表5-12　常用铠装材料的性能

5.3.2.2 直流海底电缆选型

与交流海底电缆相比，直流海底电缆在海底电缆绝缘类型、导体截面、外护套和铠装型式选择等方面均有所不同。

1.绝缘类型选择

直流单芯电缆按绝缘类型可分为充油电缆、交联聚乙烯绝缘电缆和不滴流纸绝缘电缆。交流充油电缆可直接应用于直流，两者在绝缘型式上没有区别。由于空间电荷积聚效应，交流交联聚乙烯绝缘电缆不能用于直流输电系统，须对绝缘材料采用抑制空间电荷分布的措施，目前国内直流交联聚乙烯绝缘电缆最高运行电压已达到±200kV，国际上已达到±320kV。不滴流纸绝缘电缆是以一定宽度的绝缘纸螺旋状地包绕在导电线芯上，经过真空干燥处理后用浸渍剂浸渍而成，浸渍剂在工作温度范围内不流动，呈塑性固体状，而在浸渍温度下黏度降低能保证充分浸渍。不滴流纸绝缘电缆的敷设长度和高差不受绝缘本身限制，主要用于高直流电压等级的大功率传输应用，最高电压等级±500kV。

以上三种类型电缆的技术性能见表5-13。

表5-13　三种绝缘类型电缆技术性能对比表

注　表中的电压等级均为目前已投入运行的输电工程最高电压等级。

充油电缆具有可靠性高、机械性能好的优点，但敷设安装不便、易燃、不环保，一旦发生漏油，将对周边海域生态环境造成较大影响，且受油压限制输送距离有限。

直流交联聚乙烯绝缘电缆在直流电场下固体绝缘介质中的空间电荷效应，是长期以来困扰直流交联聚乙烯绝缘电缆的关键技术，但随着绝缘材料和纳米技术的发展，在绝缘介质中添加入纳米材料，解决了直流交联聚乙烯绝缘电缆的空间电荷问题，同时由于其具有电气性能好、机械强度高、安装敷设和运行维护方便以及环保等特点，使直流交联聚乙烯绝缘电缆在长距离直流输电工程中后来居上，并在风电并网的轻型直流系统中得到了广泛的应用。

不滴流电缆绝缘性能受弯曲次数影响、相同导体截面下载流量小、投资大，最高运行电压已达到±500kV，一般用于超高压、大容量直流联网工程。

2.导体截面选择

导体截面选择的原则：①电缆长期允许电流应满足持续工作电流的要求；②短路时应满足短路热稳定的要求；③根据电缆长度，如有必要应进行电压降校核。

对于直流海底电缆，由于不存在交变电磁场，绝缘损耗可忽略，金属护套和铠装上不会产生损耗，其损耗主要是线芯的电阻损耗，因此，根据IEC60287 《电缆额定电流的计算》标准得出海底电缆额定载流量为

Δθc=θc-θ0

式中 I——导体中流过的电流，A；

Δθc——高于环境温度的导体温升，℃；

θc——导体工作温度，℃；

θ0——环境温度，℃；

R′——最高工作温度下导体的直流电阻，Ω/m；

T1——一根导体和金属套之间单位长度热阻，K·m/W；

T2——金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻，K·m/W；

T3——电缆外护层单位长度热阻，K·m/W；

T4——电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，K·m/W。

图5-30　VSC-HVDC输电电压与输送距离关系

直流海底电缆线路如发生短路故障时计算绝热短路电流，在任何起始温度下绝热的温升短路电流的计算公式见式 （5 4），并据此校核所选截面的电缆是否满足短路热稳定的要求。

一般来说，电缆的阻抗很小，对于不太长的电缆，其电压损失不会构成电缆截面选择的制约条件。与交流电缆相比，直流电缆不存在临界输送距离的问题，输送距离更长。通过对已有工程以及对潜在工程的预测，VSC-HVDC输电电压与输送距离的关系如图5-30所示。表5-14主要列举了3种电压等级下的直流交联聚乙烯绝缘电缆在不同输送距离下的功率损耗。

表5-14　不同电压等级下不同输送距离的功率损耗

注　表中直流交联聚乙烯绝缘电缆的结构参数参考ABB产品。

由表5-14中数据知，在电压等级±80kV、输送功率为100MW 时，若距离为100km，线路损耗则达到7.00%；其他情况下，线路损耗均在5.00%以内。在工程应用中，应结合输送距离校核所选截面的电缆是否满足电压损耗的要求。

3.外护套选择

外护套通常用于保护下层的金属护套，使其免受腐蚀和磨损，通常采用聚乙烯护套，其成本适中，具有优异的化学和机械稳定性。在交流海底电缆中还常常采用添加炭黑的半导电聚乙烯作为外护套，为内层的金属护套和外层铠装提供等电位连接，从而降低金属护套上的感应电压。

对于直流海底电缆，正常运行时金属护套上无感应电压；在遭受雷电过电压、操作过电压冲击时，须考虑金属护套上的暂态感应过电压是否超过外护套的冲击耐受电压。对于短距离直流海底电缆，一般可选用聚乙烯 （PE）外护套；但当海底电缆较长，金属护套中冲击感应过电压过大时，宜选用添加炭黑的半导电聚乙烯作为外护套。

4.铠装型式选择

对于直流电缆来说，金属护套上不会有感应电压，所以不存在护套损耗的问题，护套的结构主要考虑机械保护和防止腐蚀。同样，铠装亦不存在环流损耗、磁滞损耗和涡流损耗，因此铠装的材质只需满足机械性能和防腐要求即可。因此，对于直流电缆一般采用本体价格便宜且机械性能良好的镀锌钢丝铠装。