东北电力大学科研人员在海底电缆损耗特性研究方面取得新进展

精确分析电缆损耗特性是提高海底电缆经济性、实现深远海风电高效输送的关键问题之一。为此，现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）、先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）的研究人员刘士利、罗英楠 等，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，建立三芯铠装电缆的电磁-热耦合仿真模型，研究了缆芯电流在低频输电方式下的不均匀分布特性，并以此为基础，分析IEC标准计算护套感应电压、损耗因子及载流量的误差。

研究结果表明，缆芯电流密度平均值点偏离缆芯中心，偏离距离随输电频率的增大而增大，并导致IEC标准计算的护套感应电压和损耗做同向变化，当缆芯半径大于24mm时，护套损耗因子误差明显加剧；当缆芯截面积取2 000mm2时，分频及工频下的载流量误差分别达10%和15%左右。计算结果为合理地确定海底电缆载流量奠定了基础。

随着能源枯竭和环境污染问题越发严峻，目前全球海上风电开发呈现出深远海化和集群化的发展趋势，离海岸距离超过100km的深远海域具有更丰富的风能资源，是未来海上风电探寻的重点方向。德国等部分欧洲国家的深远海风电场已经投运，中国已经进行了基础前瞻性探索，其中，大规模风电跨海远距离输送是深远海域风能开发涉及的关键问题之一。

海上风电输送技术难度较大和成本较高，一般采用电缆线路。采用直流输电方式虽然可以减小损耗提升载流量，但直流电压下空间电荷积累效应给电缆绝缘带来了严峻挑战，在一定程度上限制了输送容量的提升。若采用工频交流输电，则由电容效应导致的无功电流和电磁感应引起的护套感应电流将显著影响电缆的输送容量、传输距离和经济性。而介于工频和直流之间的低频乃至分频输电方式可能在海上风电并网中得到广泛应用。因此电缆在低频输电方式下的损耗和载流特性是深远海风电高效输送的关键因素之一。

图1 三芯铠装电缆结构示意图

目前，关于电缆护套感应电压、环流损耗的研究多集中于工频输电方式，采用的方法有IEC标准法及有限元方法。部分学者还研究了电缆及周围媒质的温度场分布和热特性。而关于电缆在低频输电方式下的损耗和载流特性研究较少。关于三芯海底电缆在低频输电方式下的损耗特性，鲜有文献报道。

东北电力大学等单位的科研人员基于电磁-热耦合原理研究了三芯铠装海底电缆在低频输电方式下的损耗特性。他们采用有限元方法，建立了三芯铠装电缆的电磁-热多物理场仿真模型，研究了其在低频运行方式下的损耗和载流特性，分析了缆芯电流在低频输电方式下的不均匀分布特性，研究了输电频率、缆芯半径等因素对护套感应电压、损耗因子及载流量的影响，并分析了IEC标准计算误差，计算结果为提高深远海电缆线路的经济性提供了数据支撑。

图2 电缆载流量

研究人员得出如下结论：

1）缆芯电流密度平均值点偏离缆芯中心，偏离距离随输电频率的增大而增大，此偏离距离是采用IEC标准计算感应电压、损耗因子和载流量时存在误差的重要原因之一。

2）采用IEC标准计算的三芯铠装电缆护套损耗因子λ1偏大，输电频率越高，缆芯半径越大，λ1误差越大，分频及工频输电时误差分别达到14%和18.4%；另外，当缆芯半径增大时，实际损耗因子λ1变化规律呈现饱和甚至减小的趋势，此时（半径为24mm）由于IEC标准计算误差进一步增大，应慎重采用。

3）采用IEC标准计算的电缆载流量偏小，该误差随输电频率和缆芯截面积的增加而增大，当截面积取2000mm2时，分频及工频下的载流量误差分别达10%和15%左右。

本文编自2021年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于电磁-热耦合原理的三芯铠装电缆在低频输电方式下的损耗特性研究”，作者为刘士利、罗英楠 等。

关键词： 铠装电缆 感应电压 海底电缆

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