- 頭條東北電力大學科研人員在海底電纜損耗特性研究方面取得新進展2022-04-21 作者：劉士利、羅英楠 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語精確分析電纜損耗特性是提高海底電纜經濟性、實現深遠海風電高效輸送的關鍵問題之一。為此，現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學）、先進輸電技術國家重點實驗室（全球能源互聯網研究院有限公司）的研究人員劉士利、羅英楠 等，在2021年第22期《電工技術學報》上撰文，建立三芯鎧裝電纜的電磁-熱耦合仿真模型，研究了纜芯電流在低頻輸電方式下的不均勻分布特性，并以此為基礎，分析IEC標準計算護套感應電壓、損耗因子及載流量的誤差。 研究結果表明，纜芯電流密度平均值點偏離纜芯中心，偏離距離隨輸電頻率的增大而增大，并導致IEC標準計算的護套感應電壓和損耗做同向變化，當纜芯半徑大于24mm時，護套損耗因子誤差明顯加劇；當纜芯截面積取2 000mm2時，分頻及工頻下的載流量誤差分別達10%和15%左右。計算結果為合理地確定海底電纜載流量奠定了基礎。
隨著能源枯竭和環境污染問題越發嚴峻，目前全球海上風電開發呈現出深遠海化和集群化的發展趨勢，離海岸距離超過100km的深遠海域具有更豐富的風能資源，是未來海上風電探尋的重點方向。德國等部分歐洲國家的深遠海風電場已經投運，中國已經進行了基礎前瞻性探索，其中，大規模風電跨海遠距離輸送是深遠海域風能開發涉及的關鍵問題之一。
海上風電輸送技術難度較大和成本較高，一般采用電纜線路。采用直流輸電方式雖然可以減小損耗提升載流量，但直流電壓下空間電荷積累效應給電纜絕緣帶來了嚴峻挑戰，在一定程度上限制了輸送容量的提升。若采用工頻交流輸電，則由電容效應導致的無功電流和電磁感應引起的護套感應電流將顯著影響電纜的輸送容量、傳輸距離和經濟性。而介于工頻和直流之間的低頻乃至分頻輸電方式可能在海上風電并網中得到廣泛應用。因此電纜在低頻輸電方式下的損耗和載流特性是深遠海風電高效輸送的關鍵因素之一。
圖1 三芯鎧裝電纜結構示意圖
目前，關于電纜護套感應電壓、環流損耗的研究多集中于工頻輸電方式，采用的方法有IEC標準法及有限元方法。部分學者還研究了電纜及周圍媒質的溫度場分布和熱特性。而關于電纜在低頻輸電方式下的損耗和載流特性研究較少。關于三芯海底電纜在低頻輸電方式下的損耗特性，鮮有文獻報道。
東北電力大學等單位的科研人員基于電磁-熱耦合原理研究了三芯鎧裝海底電纜在低頻輸電方式下的損耗特性。他們采用有限元方法，建立了三芯鎧裝電纜的電磁-熱多物理場仿真模型，研究了其在低頻運行方式下的損耗和載流特性，分析了纜芯電流在低頻輸電方式下的不均勻分布特性，研究了輸電頻率、纜芯半徑等因素對護套感應電壓、損耗因子及載流量的影響，并分析了IEC標準計算誤差，計算結果為提高深遠海電纜線路的經濟性提供了數據支撐。
圖2 電纜載流量
研究人員得出如下結論：
1）纜芯電流密度平均值點偏離纜芯中心，偏離距離隨輸電頻率的增大而增大，此偏離距離是采用IEC標準計算感應電壓、損耗因子和載流量時存在誤差的重要原因之一。
2）采用IEC標準計算的三芯鎧裝電纜護套損耗因子λ1偏大，輸電頻率越高，纜芯半徑越大，λ1誤差越大，分頻及工頻輸電時誤差分別達到14%和18.4%；另外，當纜芯半徑增大時，實際損耗因子λ1變化規律呈現飽和甚至減小的趨勢，此時（半徑為24mm）由于IEC標準計算誤差進一步增大，應慎重采用。
3）采用IEC標準計算的電纜載流量偏小，該誤差隨輸電頻率和纜芯截面積的增加而增大，當截面積取2000mm2時，分頻及工頻下的載流量誤差分別達10%和15%左右。
本文編自2021年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基于電磁-熱耦合原理的三芯鎧裝電纜在低頻輸電方式下的損耗特性研究”，作者為劉士利、羅英楠 等。
