摘要：近年來國際上大力發(fā)展電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)和海上風(fēng)能，而高壓直流海纜工程是實(shí)現(xiàn)跨海輸電的主要通道，因此對高壓直流海纜的發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述性研究非常必要。首先回顧了繞包型絕緣和擠包型絕緣兩種高壓直流海纜的發(fā)展歷程，對比了兩種海纜的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場合及發(fā)展趨勢;然后介紹了國內(nèi)外主要高壓直流海纜工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，對當(dāng)前國內(nèi)外典型直流海纜工程的電壓等級、輸送容量和輸電距離等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了對比研究;展望了高壓直流海纜工程的發(fā)展趨勢和未來規(guī)劃，分析了其面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，包括海纜絕緣材料的電氣性能和熱力學(xué)性能、海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、附件可靠性和故障定位技術(shù)等。該研究將有助于解決電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)和海上能源開發(fā)中的關(guān)鍵問題。

　　關(guān)鍵詞：高壓直流海底電纜;繞包絕緣;擠包絕緣

　　跨海輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)跨海電網(wǎng)互聯(lián)、海上能源開發(fā)和遠(yuǎn)距離輸送的重要方式，相較于成熟的架空線和變電技術(shù)，輸電線路仍是跨海輸電的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)載體不同，跨海輸電可分為海底電纜、跨海大橋電纜、海底隧道電纜和跨海架空線路等4種方式。其中，跨海大橋電纜和海底隧道電纜必須有橋或隧道作載體，否則專門為輸電建設(shè)載體，經(jīng)濟(jì)性大幅下降;跨海架空線通常要求海水很淺或者有島礁的條件，通常適用于近海輸電。

　　高壓論文范例：高壓電纜的故障測試與處理方法

　　海底電纜的輸電方式應(yīng)用范圍廣，不需要專門建設(shè)橋梁或隧道，可以支撐大規(guī)模遠(yuǎn)海能源輸送的需求。海底電纜又分為交流海纜和直流海纜兩種類型。交流海纜更容易提高電壓等級，但不適用于大容量、長距離跨海輸電。直流海纜具有容量大、損耗小、輸電距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，因此直流海纜是未來跨海輸電技術(shù)的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源互濟(jì)，保障能源供應(yīng)安全，充分利用海洋清潔能源，促進(jìn)清潔能源變革進(jìn)程，近年來各國相繼出臺相關(guān)政策和規(guī)劃，大力發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，積極開發(fā)海洋風(fēng)力發(fā)電，對高壓直流海纜的需求也與日俱增，因此需要對高壓直流海纜的發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述性研究。

　　1.高壓直流海纜的發(fā)展歷程

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、海洋可再生能源綜合利用、島嶼和海上石油平臺及海底觀測站等供電需求日益增加，高壓直流海纜技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用也不斷發(fā)展。截至2015年，全球海底有近8000km的高壓直流輸電電纜，其中70%位于歐洲水域。60多年來，高壓直流海纜經(jīng)歷了電壓等級從100kV上升到600kV、輸送容量從20MW增加到2200MW的發(fā)展歷程。根據(jù)電纜采用的絕緣系統(tǒng)不同，高壓直流海纜可分為繞包型和擠包型兩大類。以下將分別對繞包絕緣和擠包絕緣高壓直流海纜的發(fā)展歷程及兩者應(yīng)用情況對比進(jìn)行綜述。

　　1.1繞包絕緣海纜

　　繞包型油紙絕緣海纜是最先在海底輸電工程上得到應(yīng)用的高壓直流電纜，根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同可分為全浸漬不滴流(MIND)海纜和聚丙烯層壓紙絕緣(PPLP)海纜兩種不同類型。1954年瑞典哥特蘭島首次將單極100kV/20MW的黏性浸漬紙絕緣直流海纜投入商業(yè)化運(yùn)行，線路長度98km[1]。自此繞包絕緣直流海纜技術(shù)在全球范圍內(nèi)不斷得到發(fā)展和應(yīng)用，在電纜材料、電纜長度和輸送容量以及安裝運(yùn)維等多方面的技術(shù)都取得突破。目前電壓等級最高的繞包絕緣海纜工程是WesternLink海底電纜聯(lián)網(wǎng)工程，采用±600kVPPLP絕緣海纜，連接蘇格蘭電網(wǎng)與英國電網(wǎng)，線路長度418km，其中海纜長度385km，設(shè)計傳輸容量2200MW，導(dǎo)體最高工作溫度55℃[2]。

　　1.2擠包絕緣海纜

　　20世紀(jì)90年代擠包絕緣直流海纜開始投入使用，根據(jù)絕緣材料的不同可分為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜和熱塑性彈性體(HPTE)絕緣電纜等不同類型。

　　1999年在瑞典哥特蘭島的二回直流輸電工程中，首次將±80kV/50MW交聯(lián)聚乙烯絕緣直流電纜投入運(yùn)行，線路長度72km[3]，從此擠包絕緣高壓直流電纜技術(shù)得到迅速發(fā)展和大量應(yīng)用。目前擠包絕緣直流海纜工程線路長度已經(jīng)超過4500km。目前電壓等級最高的擠包絕緣海纜工程是聯(lián)接英國電網(wǎng)和比利時電網(wǎng)的NemoLink海底電纜工程。該工程為世界首個±400kVXLPE絕緣電纜系統(tǒng)，線路總長度141km，其中海纜長度130km，設(shè)計傳輸容量1000MW，導(dǎo)體最高工作溫度90℃，最大敷設(shè)水深55m，電纜系統(tǒng)設(shè)計壽命40年。

　　1.3兩種海纜發(fā)展趨勢對比

　　繞包絕緣和擠包絕緣直流海纜電壓等級及傳輸容量的發(fā)展歷程。繞包絕緣直流海纜最早實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，空間電荷效應(yīng)不明顯，可應(yīng)用于基于電網(wǎng)換相換流器(LCC)和基于電壓源換流器(VSC)直流輸電系統(tǒng)。特別是PPLP絕緣海纜的運(yùn)行電壓和輸送容量均達(dá)到當(dāng)前直流海纜的最高技術(shù)水平。

　　目前部分廠家已經(jīng)針對特高壓直流海纜開展了PPLP絕緣材料的性能評估工作，并取得了初步進(jìn)展。擠包絕緣直流海纜雖然空間電荷效應(yīng)比較明顯，目前只能應(yīng)用于VSC直流輸電系統(tǒng)，但其在電氣性能和工藝效率方面優(yōu)勢明顯，能夠承受更高的工作溫度，自本世紀(jì)初大規(guī)模推廣以來發(fā)展迅速，已成為高壓直流海纜的主流技術(shù)。

　　2.直流海纜工程應(yīng)用現(xiàn)狀

　　典型的繞包絕緣直流海纜工程主要技術(shù)參數(shù)，典型的擠包絕緣直流海纜輸電工程主要技術(shù)參數(shù)[4-8]。目前繞包絕緣直流海纜工程和擠包絕緣直流海纜工程已經(jīng)普遍發(fā)展到了300kV以上的電壓等級，這主要是由于各地區(qū)之間存在能源分布不均的情況，較低電壓等級海纜的輸送容量已難以滿足日益擴(kuò)大的能源輸送的需求。

　　3.高壓直流海纜應(yīng)用展望

　　直流海纜輸電工程的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)跨海域電網(wǎng)互聯(lián)，高效使用海洋風(fēng)電等新能源，也可以實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)和時區(qū)的區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，優(yōu)化各國電網(wǎng)能源配置，提高供電可靠性。高壓直流海纜輸電工程已成為世界各國跨海和跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)工程的主流。

　　3.1發(fā)展趨勢及未來規(guī)劃

　　2016年，中國國家電網(wǎng)公司、韓國電力公社、日本軟銀集團(tuán)、俄羅斯電網(wǎng)公司簽訂了《東北亞電力聯(lián)網(wǎng)合作備忘錄》，東北亞電力聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目是構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的首個落地項(xiàng)目，近年來在多方支持下不斷推進(jìn)。該項(xiàng)目涉及海纜工程3500km，跨海輸送容量高達(dá)44GW，多為±800kV的特高壓大容量海纜線路。這些海纜工程將成為未來重要的中國-韓國、韓國-日本和日本-俄羅斯等能源輸送通道，建設(shè)周期涉及未來5年、15年、30年的線路規(guī)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)將俄羅斯遠(yuǎn)東、東西伯利亞和中國東北地區(qū)水電、煤電、油氣資源輸送至資源相對匱乏、但能源消費(fèi)需求高的日本、韓國。

　　3.2主要技術(shù)挑戰(zhàn)

　　隨著電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)需求的增加和海洋風(fēng)帶你的發(fā)展，高壓直流海纜的發(fā)展趨勢將向更高電壓等級、更大傳輸容量、更長輸電距離的方向發(fā)展，將面臨制造能力、接頭技術(shù)、深海技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)。絕緣材料的電氣性能是提升電壓等級的核心挑戰(zhàn)。隨著直流電壓等級升高，絕緣材料內(nèi)空間電荷積聚和電場畸變更嚴(yán)重，需提升對固體絕緣材料空間電荷的控制水平。 附件可靠性和故障定位技術(shù)是輸電距離提升的主要挑戰(zhàn)。直流海纜附件的故障率遠(yuǎn)高于本體，尤其是中間接頭故障占附件故障的70%，隨著海纜長的的增加，中間接頭等薄弱環(huán)節(jié)的可靠性尤為重要。目前海纜運(yùn)維采用的阻抗法、OTRD法和行波測距法的定位精度和定位長度有限，難以滿足長距離海纜的故障定位需求，需要優(yōu)化故障定位方法，探索新型定位方式。

　　4.結(jié)論

　　高壓直流海底電纜在跨海電網(wǎng)互聯(lián)和海上能源開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。繞包型絕緣高壓直流海纜技術(shù)較為成熟，電壓等級和輸送容量都較高，適用于LCC和VSC直流輸電系統(tǒng)，雖然擠包型高壓直流海纜受限于空間電荷效應(yīng)影響僅適用于VSC直流輸電系統(tǒng)，但其電氣性能優(yōu)良，能夠承受更高的工作溫度，發(fā)展也非常迅速。國外高壓直流海纜應(yīng)用較早，目前最高電壓等級已達(dá)到±600kV，最大傳輸容量達(dá)到2200MW。

　　國內(nèi)高壓直流海纜輸電工程起步較晚，電壓等級和輸送容量與國外相比仍有差距，但中國率先將多端柔直輸電技術(shù)應(yīng)用到直流海纜輸電工程中，適用于多端直流的連接，有利于實(shí)現(xiàn)跨海區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和海洋新能源開發(fā)。隨著區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)需求的增加和海洋風(fēng)電的發(fā)展，直流海纜輸電向著高壓、大容量、長距離的方向發(fā)展，海纜絕緣材料的電氣性能和熱力學(xué)性能、海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、附件可靠性和故障定位技術(shù)是目前直流海纜面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]肖世杰,胡列翔,周自強(qiáng),等.交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜應(yīng)用及試驗(yàn)監(jiān)測技術(shù)評述[J].絕緣材料,2018,51(1):1-9.XIAOShijie,HULiexiang,ZHOUZiqiang,etal.Applicationsandtestmonitoringtechnologyofcross-linkedpolyethyleneinsulatedsubmarinecable[J].InsulatingMaterials,2018,51(1):1-9.

　　[2]馬人鳳,朱永華,吳建東,等.超高壓直流電纜的國產(chǎn)化研究進(jìn)展[J].絕緣材料,2016,49(11):1-8.MARenfeng,ZHUYonghua,WUJiandong,etal.Localizationresearchprogressofultra-highvoltagedirectcurrentcable[J].InsulatingMaterials,2016,49(11):1-8.

　　作者：劉耀1，趙小令1，吳佳瑋1，肖晉宇1，高景暉2，李飛2，范翔宇2，鐘力生2