高压直流海缆工程应用现状及展望

　　摘要：近年来国际上大力发展电网区域互联和海上风能，而高压直流海缆工程是实现跨海输电的主要通道，因此对高压直流海缆的发展历程、应用现状和发展趋势进行综述性研究非常必要。首先回顾了绕包型绝缘和挤包型绝缘两种高压直流海缆的发展历程，对比了两种海缆的技术特点、应用场合及发展趋势;然后介绍了国内外主要高压直流海缆工程的应用现状，对当前国内外典型直流海缆工程的电压等级、输送容量和输电距离等关键指标进行了对比研究;展望了高压直流海缆工程的发展趋势和未来规划，分析了其面临的主要技术挑战，包括海缆绝缘材料的电气性能和热力学性能、海缆结构设计、附件可靠性和故障定位技术等。该研究将有助于解决电网区域互联和海上能源开发中的关键问题。

　　关键词：高压直流海底电缆;绕包绝缘;挤包绝缘

　　跨海输电技术是实现跨海电网互联、海上能源开发和远距离输送的重要方式，相较于成熟的架空线和变电技术，输电线路仍是跨海输电的薄弱环节。根据载体不同，跨海输电可分为海底电缆、跨海大桥电缆、海底隧道电缆和跨海架空线路等4种方式。其中，跨海大桥电缆和海底隧道电缆必须有桥或隧道作载体，否则专门为输电建设载体，经济性大幅下降;跨海架空线通常要求海水很浅或者有岛礁的条件，通常适用于近海输电。

　　高压论文范例：高压电缆的故障测试与处理方法

　　海底电缆的输电方式应用范围广，不需要专门建设桥梁或隧道，可以支撑大规模远海能源输送的需求。海底电缆又分为交流海缆和直流海缆两种类型。交流海缆更容易提高电压等级，但不适用于大容量、长距离跨海输电。直流海缆具有容量大、损耗小、输电距离远等优势，因此直流海缆是未来跨海输电技术的重点。为了实现区域能源互济，保障能源供应安全，充分利用海洋清洁能源，促进清洁能源变革进程，近年来各国相继出台相关政策和规划，大力发展区域电网互联，积极开发海洋风力发电，对高压直流海缆的需求也与日俱增，因此需要对高压直流海缆的发展历程、应用现状和发展趋势进行综述性研究。

　　1.高压直流海缆的发展历程

　　随着社会经济的快速发展，对跨区域电网互联、海洋可再生能源综合利用、岛屿和海上石油平台及海底观测站等供电需求日益增加，高压直流海缆技术的开发及应用也不断发展。截至2015年，全球海底有近8000km的高压直流输电电缆，其中70%位于欧洲水域。60多年来，高压直流海缆经历了电压等级从100kV上升到600kV、输送容量从20MW增加到2200MW的发展历程。根据电缆采用的绝缘系统不同，高压直流海缆可分为绕包型和挤包型两大类。以下将分别对绕包绝缘和挤包绝缘高压直流海缆的发展历程及两者应用情况对比进行综述。

　　1.1绕包绝缘海缆

　　绕包型油纸绝缘海缆是最先在海底输电工程上得到应用的高压直流电缆，根据绝缘介质的不同可分为全浸渍不滴流(MIND)海缆和聚丙烯层压纸绝缘(PPLP)海缆两种不同类型。1954年瑞典哥特兰岛首次将单极100kV/20MW的黏性浸渍纸绝缘直流海缆投入商业化运行，线路长度98km[1]。自此绕包绝缘直流海缆技术在全球范围内不断得到发展和应用，在电缆材料、电缆长度和输送容量以及安装运维等多方面的技术都取得突破。目前电压等级最高的绕包绝缘海缆工程是WesternLink海底电缆联网工程，采用±600kVPPLP绝缘海缆，连接苏格兰电网与英国电网，线路长度418km，其中海缆长度385km，设计传输容量2200MW，导体最高工作温度55℃[2]。

　　1.2挤包绝缘海缆

　　20世纪90年代挤包绝缘直流海缆开始投入使用，根据绝缘材料的不同可分为交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆和热塑性弹性体(HPTE)绝缘电缆等不同类型。

　　1999年在瑞典哥特兰岛的二回直流输电工程中，首次将±80kV/50MW交联聚乙烯绝缘直流电缆投入运行，线路长度72km[3]，从此挤包绝缘高压直流电缆技术得到迅速发展和大量应用。目前挤包绝缘直流海缆工程线路长度已经超过4500km。目前电压等级最高的挤包绝缘海缆工程是联接英国电网和比利时电网的NemoLink海底电缆工程。该工程为世界首个±400kVXLPE绝缘电缆系统，线路总长度141km，其中海缆长度130km，设计传输容量1000MW，导体最高工作温度90℃，最大敷设水深55m，电缆系统设计寿命40年。

　　1.3两种海缆发展趋势对比

　　绕包绝缘和挤包绝缘直流海缆电压等级及传输容量的发展历程。绕包绝缘直流海缆最早实现工程应用，技术比较成熟，空间电荷效应不明显，可应用于基于电网换相换流器(LCC)和基于电压源换流器(VSC)直流输电系统。特别是PPLP绝缘海缆的运行电压和输送容量均达到当前直流海缆的最高技术水平。

　　目前部分厂家已经针对特高压直流海缆开展了PPLP绝缘材料的性能评估工作，并取得了初步进展。挤包绝缘直流海缆虽然空间电荷效应比较明显，目前只能应用于VSC直流输电系统，但其在电气性能和工艺效率方面优势明显，能够承受更高的工作温度，自本世纪初大规模推广以来发展迅速，已成为高压直流海缆的主流技术。

　　2.直流海缆工程应用现状

　　典型的绕包绝缘直流海缆工程主要技术参数，典型的挤包绝缘直流海缆输电工程主要技术参数[4-8]。目前绕包绝缘直流海缆工程和挤包绝缘直流海缆工程已经普遍发展到了300kV以上的电压等级，这主要是由于各地区之间存在能源分布不均的情况，较低电压等级海缆的输送容量已难以满足日益扩大的能源输送的需求。

　　3.高压直流海缆应用展望

　　直流海缆输电工程的建设可以实现跨海域电网互联，高效使用海洋风电等新能源，也可以实现不同季节和时区的区域电网互联，优化各国电网能源配置，提高供电可靠性。高压直流海缆输电工程已成为世界各国跨海和跨区域电网互联工程的主流。

　　3.1发展趋势及未来规划

　　2016年，中国国家电网公司、韩国电力公社、日本软银集团、俄罗斯电网公司签订了《东北亚电力联网合作备忘录》，东北亚电力联网项目是构建全球能源互联网的首个落地项目，近年来在多方支持下不断推进。该项目涉及海缆工程3500km，跨海输送容量高达44GW，多为±800kV的特高压大容量海缆线路。这些海缆工程将成为未来重要的中国-韩国、韩国-日本和日本-俄罗斯等能源输送通道，建设周期涉及未来5年、15年、30年的线路规划，能够实现将俄罗斯远东、东西伯利亚和中国东北地区水电、煤电、油气资源输送至资源相对匮乏、但能源消费需求高的日本、韩国。

　　3.2主要技术挑战

　　随着电网区域互联需求的增加和海洋风带你的发展，高压直流海缆的发展趋势将向更高电压等级、更大传输容量、更长输电距离的方向发展，将面临制造能力、接头技术、深海技术和应用技术等方面的挑战。绝缘材料的电气性能是提升电压等级的核心挑战。随着直流电压等级升高，绝缘材料内空间电荷积聚和电场畸变更严重，需提升对固体绝缘材料空间电荷的控制水平。 附件可靠性和故障定位技术是输电距离提升的主要挑战。直流海缆附件的故障率远高于本体，尤其是中间接头故障占附件故障的70%，随着海缆长的的增加，中间接头等薄弱环节的可靠性尤为重要。目前海缆运维采用的阻抗法、OTRD法和行波测距法的定位精度和定位长度有限，难以满足长距离海缆的故障定位需求，需要优化故障定位方法，探索新型定位方式。

　　4.结论

　　高压直流海底电缆在跨海电网互联和海上能源开发中得到广泛应用。绕包型绝缘高压直流海缆技术较为成熟，电压等级和输送容量都较高，适用于LCC和VSC直流输电系统，虽然挤包型高压直流海缆受限于空间电荷效应影响仅适用于VSC直流输电系统，但其电气性能优良，能够承受更高的工作温度，发展也非常迅速。国外高压直流海缆应用较早，目前最高电压等级已达到±600kV，最大传输容量达到2200MW。

　　国内高压直流海缆输电工程起步较晚，电压等级和输送容量与国外相比仍有差距，但中国率先将多端柔直输电技术应用到直流海缆输电工程中，适用于多端直流的连接，有利于实现跨海区域电网互联和海洋新能源开发。随着区域电网互联需求的增加和海洋风电的发展，直流海缆输电向着高压、大容量、长距离的方向发展，海缆绝缘材料的电气性能和热力学性能、海缆结构设计、附件可靠性和故障定位技术是目前直流海缆面临的主要技术挑战。

　　参考文献：

　　[1]肖世杰,胡列翔,周自强,等.交联聚乙烯绝缘海底电缆应用及试验监测技术评述[J].绝缘材料,2018,51(1):1-9.XIAOShijie,HULiexiang,ZHOUZiqiang,etal.Applicationsandtestmonitoringtechnologyofcross-linkedpolyethyleneinsulatedsubmarinecable[J].InsulatingMaterials,2018,51(1):1-9.

　　[2]马人凤,朱永华,吴建东,等.超高压直流电缆的国产化研究进展[J].绝缘材料,2016,49(11):1-8.MARenfeng,ZHUYonghua,WUJiandong,etal.Localizationresearchprogressofultra-highvoltagedirectcurrentcable[J].InsulatingMaterials,2016,49(11):1-8.

　　作者：刘耀1，赵小令1，吴佳玮1，肖晋宇1，高景晖2，李飞2，范翔宇2，钟力生2