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隨著能源枯竭和環(huán)境污染問題越發(fā)嚴(yán)峻，目前全球海上風(fēng)電開發(fā)呈現(xiàn)出深遠(yuǎn)海化和集群化的發(fā)展趨勢，離海岸距離超過100km的深遠(yuǎn)海域具有更豐富的風(fēng)能資源，是未來海上風(fēng)電探尋的重點(diǎn)方向。德國等部分歐洲國家的深遠(yuǎn)海風(fēng)電場已經(jīng)投運(yùn)，中國已經(jīng)進(jìn)行了基礎(chǔ)前瞻性探索，其中，大規(guī)模風(fēng)電跨海遠(yuǎn)距離輸送是深遠(yuǎn)海域風(fēng)能開發(fā)涉及的關(guān)鍵問題之一。

海上風(fēng)電輸送技術(shù)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(yīng)給電纜絕緣帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，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(yīng)導(dǎo)致的無功電流和電磁感應(yīng)引起的護(hù)套感應(yīng)電流將顯著影響電纜的輸送容量、傳輸距離和經(jīng)濟(jì)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(fēng)電并網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。因此電纜在低頻輸電方式下的損耗和載流特性是深遠(yuǎn)海風(fēng)電高效輸送的關(guān)鍵因素之一。

圖1 三芯鎧裝電纜結(jié)構(gòu)示意圖

目前，關(guān)于電纜護(hù)套感應(yīng)電壓、環(huán)流損耗的研究多集中于工頻輸電方式，采用的方法有IEC標(biāo)準(zhǔn)法及有限元方法。部分學(xué)者還研究了電纜及周圍媒質(zhì)的溫度場分布和熱特性。而關(guān)于電纜在低頻輸電方式下的損耗和載流特性研究較少。關(guān)于三芯海底電纜在低頻輸電方式下的損耗特性，鮮有文獻(xiàn)報道。

東北電力大學(xué)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(yùn)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(hù)套感應(yīng)電壓、損耗因子及載流量的影響，并分析了IEC標(biāo)準(zhǔn)計算誤差，計算結(jié)果為提高深遠(yuǎn)海電纜線路的經(jīng)濟(jì)性提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖2 電纜載流量

研究人員得出如下結(jié)論：

1）纜芯電流密度平均值點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)計算感應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)計算的三芯鎧裝電纜護(hù)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(dá)到14%和18.4%；另外，當(dāng)纜芯半徑增大時，實(shí)際損耗因子λ1變化規(guī)律呈現(xiàn)飽和甚至減小的趨勢，此時（半徑為24mm）由于IEC標(biāo)準(zhǔn)計算誤差進(jìn)一步增大，應(yīng)慎重采用。

3）采用IEC標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)截面積取2000mm2時，分頻及工頻下的載流量誤差分別達(dá)10%和15%左右。

本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)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。