Research on Array Submarine Cables in Large Offshore Windfarm

目前我国开发的近海浅水区海上风电项目中绝大部分的单体开发容量在200 MW至500 MW之间。以广东为例，从东部汕头的勒门I项目至西部徐闻的外罗项目，广东省近海浅水区的单体开发规模均在200 MW至500 MW区间，近海浅水区域的海上风电场开发目前正如火如荼地进行，近海深水区域的项目则仍在规划或项目前期阶段，场址容量一般在500 MW至1 000 MW之间。

我国海上风电项目中集电海缆的设计范围一般以海缆两端的电缆终端头为界，主要涉及集电海缆在风电场场址区域内的路由设计、海缆选型、参数计算、施工方案、保护方案等。针对常规容量的海上风电项目高电压等级的交流海底电缆其绝缘介质可分为充油式和交联聚乙烯两种型式，35 kV等级的中压集电海缆的绝缘型式主要有乙丙橡胶绝缘和交联聚乙烯绝缘两种。其中交联聚乙烯绝缘在海上风电领域使用的频次更高，应用的更为广泛。相对于单芯电缆，三芯XLPE海底电缆在运行过程中损耗更小，更节省生产、敷设及运维过程中的成本^[1]。

现阶段国内主流的海缆生产厂家主要有宁波东方、中天科技、江苏亨通，青岛汉缆等，上述四个主流海缆厂家生产的35 kV集电海缆截面范围主要在3×70 mm²~3×400 mm²，在个别工程中也有3×500 mm²和3×630 mm²的应用案例，但使用频次相对较低。表1为国内调研收资后，得到的某国产海缆厂生产的集电海缆主要参数：

35 kV交联聚乙烯三芯海底电缆的基本结构包括导体线芯、导体屏蔽、主绝缘（XPLE）、缆芯屏蔽、铅包（套）、金属护套、聚乙烯粘接护套、光纤、填充物、包扎带、衬垫、铠装、外被层。现有的国内集电海缆导体材料可以根据项目载流量的需求选择铜或者铝，光纤可以根据通信控制需求选择单股或者双股，铠装层可以根据当地实测的热阻系数分段选择钢丝铠装或者铜丝铠装，35 kV集电海缆的截面结构图如图1所示。

Figure 1.  35 kV submarine cable structure

目前国内66 kV集电系统尚未在国内海上风电项目中进行应用，整体来看66 kV集电系统在国内尚处于研发论证，技术储备阶段。相应的国家、行业标准不是很完备；设备厂的产品设计、型式认证等正在进行中，部分工作尚未全部完成。国内海上风电领域主流的设计单位，如广东院、华勘院、上勘院等；国内高校，如华南理工、西安交大、武汉大学等；国内科研单位，如南方电网科研院等均针对66 kV系统进行了一定程度的研究分析与产品研发，但尚无施工图深度完备的66 kV设计方案。国内66 kV集电系统的研发模式可以参考、借鉴英、德两国在欧洲大型海上风电项目上的模式与经验。

海底电力电缆在研究开发、鉴定、制造和安装时要经受全面的试验。这些不同种类的试验都为了一个最终的目标：确保在特定环境下的电缆的无故障运行。目前海缆相关试验标准主要参考IEC标准及国际大电网会议规定。国内也由上海电缆所牵头，组织国内相关制造企业、设计院和用户联合制定了关于《额定电压66 kV（U_m=72.5 kV）交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件》的国家电线电缆质量监督检测中心技术规范，将于近期发布，规范共3部分：分别为试验方法和要求；大长度交流海底电缆；海底电缆附件。

研究开发新的海缆类型品种或者已有海缆类型扩充规格截面或额定电压，都需要对材料、组分以及生产工艺进行全面的测试。在应用到海底电缆之前，很多新材料和理念都已经在地下电缆中完成研究开发。要继续对此进行研究试验的原因就是因为与陆上电缆同样的故障相比，海底电缆出现故障时修复成本高的多并且停运时间更长。

电缆的聚合物材料在不断改进。材料供货商开发的新的聚合物配方需要在海底电力电缆特定的使用条件下进行评估。介电强度、介质损耗角、泄漏电流和介电性能试验,这些试验用来评定和筛选绝缘材料。为避免制造昂贵的真实尺寸的电缆通常使用样品或模型电缆来完成上述试验。老化性能试验在不同的温度和环境下进行。交联材料的交联工艺能够采用试验交联度的方法进行评估。

海底电力电缆的聚合物护套材料有时候进行下列性能试验:水蒸气渗透性、盐水中稳定性、耐磨试验、炭黑含量等。但在大多数情况下,制造商使用的是经过充分证明不需要改变的护套材料。

即使金属成分材料的多数性能已在教科书中列出,但还是有一些性能需要进行评估。考虑到制造方法,护套铅合金的耐疲劳性能必须通过试验进行彻底的评定为确保在海底电缆寿命期内的无故障运行,对其他金属护套材料也必须进行疲劳性能试验。另一组研究试验是海底电缆所有金属材料的耐腐蚀性能。金属材料分别进行试验,但是也需要结合研究其电化腐蚀性能。

成品海底电缆的机械性能是设计用来检验电缆耐受在安装和运行中出现的所有应力和事故的能力。机械试验包括张力、弯曲、受压和冲击等。此外海底电缆在外部水压影响下的性能也是很重要的。

了解66 kV电压等级海缆设计的重点和要点以及知道要进行哪些试验以通过合格鉴定,制造商在研究开发计划中都有自己的试验项目。为了快速筛选,有时会设计一些简捷试验来在短时间内得到可信赖的结果。对电缆材料的老化性能特别需要设计这样的试验。进行标准化的长时间合格鉴定试验前,电缆制造商会对新开发的电缆进行预试验。

一旦一种电缆类型开发完成或投入应用,就需要进行型式试验。因为许多大型的海底电力电缆工程都有特定的设计要求,很多购买合同还是需要进行型式试验。但是，由于型式试验增加了相当多的费用和工程时间,通常如果有证据表明一个确定的电缆设计符合本工程的要求,则可以用以前相似电缆类型的型式试验来替代。

型式试验的目的是证明电缆系统的设计和制造能够满足特定使用的环境条件。电气设备的型式试验通常按照国家当局机构或者专业组织如美国电气电子工程师学会(IEE)、美国爱迪生照明协会(AEC)、美国国家标准学会(ANS)或者国际大电网会议(CIGRE)发布的试验标准进行。大多数电力电缆的试验标准仅包括地下陆上电缆,一些标准的使用范围明确不适用于海底电力电缆。因此，海底电力电缆适用的试验标准是很少的，66 kV海缆的试验标段还有待进一步的发展。

不同于国内目前使用的35 kV集电系统，英、德两个海上风电强国均采用66 kV作为其集电系统的电压等级。一方面66 kV在技术性能上要优于35 kV，在相同截面下可以输送更多的电能且其阻抗值更小，产生的电能损耗更小；另一方面和欧洲电力系统中常用的电压等级、风电场的开发规模也有一定的关系。欧洲的66 kV集电系统方案除了电压等级与国内不同外，拓扑结构与国内常用的方法也不相同。相比于国内的链式、树状式结构，欧洲主流的集电系统布置通常采用环形的方式，即在每两个风机回路的尾端进行连接，形成环路。以英国的IC海上风电场为例，其集电拓扑结构如图2所示。

Figure 2.  The topology of 66 kV submarine cables

从图中可见72台9.5 MW的风机通过8个66 kV集电回路进行连接，同时在每个回路的尾端风机处通过海缆同邻近回路的尾端风机进行连接，如图中所示的2号风机与9号风机。每串回路中靠近升压站位置的前2台风机采用66 kV 3×800 mm²截面的集电海缆，其余风机间的连接电缆采用66 kV 3×500 mm²截面的海缆。大截面海缆的额定载流量为755 A，小截面海缆的额定载流量为590 A。在导体芯数方面，三芯电缆具有平衡的负载，在铠装层中没有感应的循环电流，敷设费用也低^[2]。

针对大型海上风电项目，使用更高电压等级的集电系统可以减少电缆的回路数，减少征海使用面积，减少海缆施工工作量等。在单机容量越大以及项目总装机容量越大的情况下，66 kV集电海缆的优势就越明显。通过下面的案例来对35 kV与66 kV集电海缆进行一下定量的对比分析：假定未来某近海深水区开发的海上风电项目总装机容量为1 000 MW，布置100台10 MW的风力发电机组。按照35 kV集电海缆去设计的话，至少需要34个集电海缆回路，每个集电回路最多输送的电能大约在30 MW。连接首台风机对应的海缆载流量为194 A，采用3×70 mm²截面的集电海缆；连接2台风机对应的海缆载流量为388 A，采用3×240 mm²截面的集电海缆；连接3台风机对应的载流量为582 A，采用3×500 mm²截面的集电海缆。整个项目所需的35 kV集电海缆总长约为330 km，35 kV集电方案对应的海缆采购费用约为人民币6.6亿元，海缆施工与征地费用约为人民币3亿元。如若采用66 kV集电系统则总的用量和总的价格将会大幅降低，在66 kV集电方案下，集电海缆总回路数为17回，每回路可输送的电能为60 MW。连接首台风机所需的海缆载流量为103 A，对应选用3×95 mm²截面的集电海缆；连接2台风机所需的海缆载流量为206 A，对应选用3×95 mm²截面的集电海缆；连接3台风机所需的海缆载流量为309 A，对应选用3×150 mm²截面的集电海缆；连接4台风机所需的海缆载流量为412 A，对应选用3×240 mm²截面的集电海缆；连接5台风机所需的海缆载流量为515 A，对应选用3×400 mm²截面的集电海缆；连接6台风机所需的海缆载流量为618 A，对应选用3×630 mm²截面的集电海缆。在66 kV电压等级下所需的集电海缆总长为140 km，集电海缆总采购价格约为人民币4.2亿元，对应的海缆征地与施工费用约为人民币1.4亿元。

由此可见66 kV集电系统在1 000 MW级大型海上风电项目中，其海缆总用量，采购、征海、施工总造价方面相较于35 kV集电海缆均有着较大的优势。相信随着海上风电项目开发的大型化，66 kV集电系统设计、研发、生产的规范化，市场对高电压等级集电海缆的需求会愈发的强烈。

通过上述分析可知在单机容量为10 MW总装机容量为1 000 MW的大型海上风电项目中，采用35 kV集电海缆需要34回，单回海缆输送容量为30 MW，海缆总长约为330 km，海缆相关的总投资费用约为人民币9.6亿元；采用66 kV集电海缆需要17回，单回输送容量为60 MW，海缆总长约为140 km，海缆相关的总投资费用约为人民币5.6亿元。由此可见66 kV海缆的单回输送容量约为35 kV集电海缆的2倍，工程所需总用量约为35 kV集电海缆的42.4%，工程所需总造价约为35 kV集电海缆的58.3%。因此在我国即将开始开发的1 000 MW级大型海上风电项目中，66 kV集电海缆将具有较大的技术与经济优势，值得推广与应用。