海上風(fēng)電場(chǎng)電力傳輸與海底電纜的選擇

1、海上風(fēng)電場(chǎng)電力傳輸與海底電纜的選擇中國(guó)新能源網(wǎng)I 2010-12-2 11:39:00 I新能源論壇I我要供稿蚤特別推薦：2010中國(guó)新能源與可再生能源年鑒張建民1謝書鴻2（1.中天科技海纜有限公司，江蘇南通226010； 2.中天科技集團(tuán)有限公司，江蘇南通226463）摘要:本文介紹了海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能的輸送及海底光電復(fù)合纜作為電能和信息傳輸?shù)娜诤?媒質(zhì)在海上風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用需求。并根據(jù)近兩年我國(guó)海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)和國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)對(duì)海底光電 復(fù)合纜的性能要求和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)闡述了海上風(fēng)電場(chǎng)電力傳輸模式和海底光電復(fù)合纜的設(shè) 計(jì)選型及結(jié)構(gòu)形式。關(guān)鍵詞：海底光電復(fù)合纜；海上風(fēng)電場(chǎng)；設(shè)計(jì)選型0前言風(fēng)能的開發(fā)、利用主

2、要有兩種形式，分別是陸地風(fēng)能和海上風(fēng)能。近年來(lái)我國(guó)新增風(fēng)電 裝機(jī)容量以年均100%的速度在高速發(fā)展，但風(fēng)電開發(fā)主要集中在陸地，海上風(fēng)電資源開發(fā) 則剛剛起步。我國(guó)海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，可利用的風(fēng)能資源超過(guò)7.5億千瓦，而 且距離電力負(fù)荷中心很近，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。海上風(fēng)力發(fā) 電場(chǎng)將成為未來(lái)風(fēng)能應(yīng)用和發(fā)展的重點(diǎn)，海上風(fēng)力發(fā)電也是近年來(lái)國(guó)際風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 新領(lǐng)域。由于海底自然環(huán)境惡劣及不可預(yù)見性，海上風(fēng)電用海底電纜是設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)難度 較大的電纜品種。海底電纜不僅要求防水、耐腐蝕、抗機(jī)械牽拉及外力碰撞等特殊性能，還 要求較高的電氣絕緣性能和很高的安

3、全可靠性，特別是大長(zhǎng)度海纜、海底光電復(fù)合纜更是對(duì) 目前電纜行業(yè)的制造能力和技術(shù)水平提出了極大挑戰(zhàn)。1海底光電復(fù)合纜的應(yīng)用概述海底光電復(fù)合纜就是在海底電力電纜中加入具有光通信功能及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的光纖單元，使 其具有電力傳輸和光纖信息傳輸?shù)碾p重功能，完全可以取代同一線路敷設(shè)的海底電纜、海底 光纜，節(jié)約了海洋路由資源，降低制造成本費(fèi)用、海上施工費(fèi)用、路岸登陸費(fèi)用，直接降低 了項(xiàng)目的綜合造價(jià)和投資，并間接地節(jié)約了海洋調(diào)查的工作量、后期路由維護(hù)工作。海底光電復(fù)合纜廣泛應(yīng)用于海上石油和石化項(xiàng)目、大陸與島嶼、島嶼與島嶼之間、穿越 江河湖底的電力和信息傳輸。近幾年蓬勃發(fā)展的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)更是大多采用海底光電復(fù)合

4、纜，我國(guó)近兩年建設(shè)的近海試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)全部采用海底光電復(fù)合纜實(shí)現(xiàn)電力傳輸和遠(yuǎn)程控制。 隨著信息化、自動(dòng)化及我國(guó)海洋事業(yè)和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，未來(lái)的數(shù)十年內(nèi)，無(wú)論是海上 風(fēng)力發(fā)電，還是海上石油平臺(tái)等海上作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的海底電纜，絕大多數(shù)都將使用海底光電 復(fù)合纜。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從2007年至今，中天科技海纜公司共收到國(guó)內(nèi)外海纜咨詢信息二百多份， 涉及海纜數(shù)量2000多公里，其中光電復(fù)合纜占82.3%。據(jù)2009中國(guó)國(guó)際海上風(fēng)電和傳輸大會(huì)稱，中國(guó)沿海-20m水深以內(nèi)風(fēng)電可開發(fā)量約7.5 億kW，為我國(guó)陸上風(fēng)電可開發(fā)量的3倍，因此，海上風(fēng)電資源將成為我國(guó)開發(fā)清潔能源的一 個(gè)重要領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2010年我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)

5、容量有望突破3x107kW。國(guó)際風(fēng)能理事會(huì) (GWEC)確認(rèn):“中國(guó)已經(jīng)成為全球風(fēng)電發(fā)展最快的國(guó)家?！?009年9月首次1000兆瓦海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)的啟動(dòng)，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)駛?cè)?快車道。據(jù)預(yù)測(cè)，2015年中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到500萬(wàn)千瓦，2020年達(dá)到3000萬(wàn)千 瓦，主要集中在江蘇沿海、浙江沿海、山東沿海、福建沿海、廣東沿海等區(qū)域。根據(jù)以往海 上風(fēng)電的設(shè)計(jì)及未來(lái)風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量測(cè)算，每兆瓦約需0.5km海底電纜。所以在未來(lái)10 年內(nèi)，我國(guó)的近海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)約需1.5萬(wàn)公里海底電纜，總價(jià)值約180億元，電壓等級(jí)覆蓋 35kV-220kV，將為海底電纜生產(chǎn)廠家?guī)?lái)很大的商機(jī)并帶動(dòng)我國(guó)

6、海底電纜的快速發(fā)展。2海底光電復(fù)合纜在海上風(fēng)電場(chǎng)中的設(shè)置目前，我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)升高電壓通常采用二級(jí)升壓方式(少數(shù)采用三級(jí))，即風(fēng)電機(jī)輸 出電壓690V經(jīng)箱變升壓至35kV后，分別通過(guò)35kV海底電纜匯流至110kV或220kV升壓 站，最終通過(guò)110kV或220kV線路接入電網(wǎng)。圖1為近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)典型布局圖。HUD采用35RV海底北電復(fù)合纜，將風(fēng)ETT E”HUD采用35RV海底北電復(fù)合纜，將風(fēng)ETT E”機(jī)逐個(gè)苫接.并根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出功 率逐弱增大電貌或?qū)苄衙?圖1近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)典型布局圖一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)場(chǎng)容量、接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)和綜合經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng) 能傳輸方式，既可采用二級(jí)升壓

7、方式也可采用三級(jí)升壓方式。如果風(fēng)電場(chǎng)較?。?00MW以 內(nèi)）且離岸較近（不超過(guò)15km），可選用35kV海底光電復(fù)合纜直接把電能傳送到岸上升 壓站。若海上風(fēng)電場(chǎng)容量較大且離陸地較遠(yuǎn)，考慮到35kV電纜傳輸容量、電壓降、功率因 數(shù)等問(wèn)題，大多采用設(shè)立海上升壓站的方式，岸上升壓站可根據(jù)實(shí)際情況確定是否設(shè)立。海底電纜的電壓等級(jí)可根據(jù)各國(guó)各地區(qū)不同的電網(wǎng)形式進(jìn)行選擇，如歐洲國(guó)家選用20kV或30kV中壓海底電纜匯集風(fēng)場(chǎng)電能至岸上或海上升壓站，我國(guó)主要采用35kV海底電 纜。圖2為三種不同的輸送方式。表1是我國(guó)已運(yùn)行的幾個(gè)試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)（風(fēng)機(jī)）的電能輸送方式:表1我國(guó)幾個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的電能輸送方式序號(hào)項(xiàng)目名稱

8、風(fēng)機(jī)輸出電 壓海纜電壓電能輸并網(wǎng)方式1中海油渤海海上電力發(fā)電 示范工程690V10kV690V風(fēng)機(jī)輸出電壓，經(jīng)箱變升壓到6.3kV，通過(guò)10kV 級(jí)海纜將風(fēng)機(jī)電能并入石油平臺(tái)群的主平臺(tái)6.3kV電 網(wǎng)2上海東海大橋海上風(fēng)電示 范項(xiàng)目690V35kV690V風(fēng)機(jī)輸出電壓，經(jīng)箱變升壓到35kV，通過(guò)35kV 匯集海纜將風(fēng)場(chǎng)電能送入陸上110kV升壓站，升壓后 通過(guò)導(dǎo)線或同級(jí)電纜并入電網(wǎng)。3龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電江蘇如東30 兆瓦潮間帶試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)690V35kV690V風(fēng)機(jī)輸出電壓，經(jīng)箱變升壓到35kV，通過(guò)35kV 匯集海纜將風(fēng)場(chǎng)電能送入陸上220kV升壓站，升壓后 通過(guò)導(dǎo)線并入電網(wǎng)。4長(zhǎng)江新能源江蘇響水試

9、驗(yàn) 風(fēng)機(jī)工程690V35kV3海底光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)選型由于海底應(yīng)用的特殊環(huán)境，不同電壓等級(jí)的海底光電復(fù)合纜需具有不同的導(dǎo)電截面、不 同的機(jī)械強(qiáng)度、防海水滲漏與腐蝕等結(jié)構(gòu)特性，并采用適應(yīng)潮間帶、潮下帶、深水區(qū)等不同 的施工方法，以滿足海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的特殊需求。表2給出了我國(guó)最早的四個(gè)海上(含潮間帶)風(fēng)電場(chǎng)選用海底光電復(fù)合纜的情況，其結(jié) 構(gòu)形式與技術(shù)要求基本相同，其中龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電潮間帶試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)潮間帶施工特點(diǎn)、地 形地貌等環(huán)境條件和海纜設(shè)計(jì)資料，選擇了細(xì)鋼絲鎧裝作為電纜的外鎧保護(hù)層。表2我國(guó)四個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)選用的海底光電復(fù)合纜序號(hào)項(xiàng)目名稱裝機(jī)容量海纜型號(hào)規(guī)格(mm2)光纖芯 數(shù)生產(chǎn)廠家1中海油渤海

10、海上電力發(fā)電 示范工程1.5MWZS-YJQF41+OFC1-8.7/153*15012中天科技2上海東海大橋海上風(fēng)電示 范項(xiàng)目100MWHYJQ41+OFC-26/353*703*30036青島漢纜3龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電江蘇如東30 兆瓦潮間帶試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)30MWZS-YJQF31+OFC1-26/353*703*150243648中天科技4長(zhǎng)江新能源江蘇響水試驗(yàn) 風(fēng)機(jī)工程4.5MWZS-YJQF41+OFC1-26/353*5018中天科技3.1海底電纜的截面選擇在選擇用于風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間連接或匯流用的海底光電復(fù)合纜時(shí)，應(yīng)考慮穿管或曝露在陽(yáng) 光下等環(huán)境條件引起電纜負(fù)荷損失的影響，以及大長(zhǎng)度海底電纜長(zhǎng)距

11、離傳輸時(shí)的電壓降對(duì)系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和無(wú)功功率增加對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。表3列出了在假定環(huán)境條件下35kV光電 復(fù)合纜的部分計(jì)算參數(shù)，可供風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員在選擇海纜時(shí)初步參考。因各風(fēng)場(chǎng)對(duì)海纜的結(jié)構(gòu) 要求和環(huán)境條件有所不同，確定電纜經(jīng)濟(jì)截面前風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)單位可向海纜設(shè)計(jì)人員咨詢更具 有參考價(jià)值的海纜計(jì)算參數(shù)。表3 35kV海底光電復(fù)合纜的部分計(jì)算參數(shù)海纜名稱標(biāo)稱截面mm2參考載流量A最大電壓降A(chǔ)/km充電電流A/km銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛 套粗鋼絲鎧裝海底光電復(fù)合 纜501931030.9370237931.0195284861.1012032383125180409801.34

12、240473811.46300522821.57400592851.743.2海底光電復(fù)合纜中光單元作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)海底光電復(fù)合纜中光單元的主要作用是作為連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與主控制室的信息通道。 風(fēng)機(jī)的通訊口與中央控制計(jì)算機(jī)及其它風(fēng)機(jī)通過(guò)光纜聯(lián)接。安裝在中央控制室計(jì)算機(jī)上的風(fēng) 場(chǎng)管理軟件，在線采集各風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)群進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)施正常操作、調(diào)節(jié) 和保護(hù)，主要控制單元有正常運(yùn)行控制、陣風(fēng)控制、最佳運(yùn)行控制、安全保護(hù)控制等等，從 而完成機(jī)組的智能化自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程通訊等控制功能。光纖單元的另外一個(gè)重要作用是可以根據(jù)光纖的應(yīng)力應(yīng)變特性，采用光纖應(yīng)變測(cè)量分析 儀（如圖3），測(cè)量海底電纜在敷

13、設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中光纖的應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)海纜的性能和狀 態(tài)做到有效控制，為海底電纜的制造、施工和維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)海底電纜的生產(chǎn)與使 用進(jìn)行有效的監(jiān)護(hù)。圖3光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量分析儀及其測(cè)試曲線圖不同的敷設(shè)運(yùn)行環(huán)境條件，對(duì)于光單元的要求也不完全一樣，對(duì)于水深較深，海底地形 變化較大，海纜在敷設(shè)、運(yùn)行和維修時(shí)可能存在較大的機(jī)械力，這時(shí)就需要光單元具有較強(qiáng) 的抵抗外力作用的能力。在這樣的情況下，就要選擇帶有增強(qiáng)元件的增強(qiáng)型光單元。不同的風(fēng)機(jī)控制內(nèi)容不盡相同，所需光纖數(shù)量也會(huì)有所不同。隨著新式風(fēng)機(jī)控制單元的 增多，中心計(jì)算機(jī)控制功能的不斷提高，所需的光纖數(shù)量也會(huì)有所變化，而且考慮到備用通 信通道，光纖芯

14、數(shù)有12、18、24、36、48芯不等，常用的為2448芯。光單元個(gè)數(shù)可選擇 13個(gè)，如果光纖數(shù)量不超過(guò)48芯，以1個(gè)光單元為宜。圖4所示的光單元結(jié)構(gòu)形式已得 到廣泛應(yīng)用。11皆2宸屆松莪曾3金屆加誨院4防腐保護(hù)院圈4海底光電復(fù)合纜的光單元結(jié)構(gòu)示意圖P3.3海底光電復(fù)合纜主要結(jié)構(gòu)形式圖5為國(guó)內(nèi)最常用的海底光電復(fù)合纜典型結(jié)構(gòu)示意圖，包含部件單元見結(jié)構(gòu)描述。其中 金屬防水屏蔽層作為動(dòng)力線芯的金屬屏蔽和縱向防水層，設(shè)計(jì)壽命30年，可適用于200米 以內(nèi)水深。有時(shí)需要設(shè)計(jì)金屬塑料復(fù)合帶和聚乙烯護(hù)套作為縱向防水層，用于潮間帶和沿海 潮濕低洼地帶。有時(shí)需要設(shè)計(jì)雙鋼絲鎧裝海底光電復(fù)合纜，用于海床穩(wěn)定度差、水

15、下礁石多 以及漂浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中。根據(jù)使用要求，部分海底電纜還可以加入屏蔽結(jié)構(gòu)的控制電纜，控 制電纜的電壓等級(jí)為1kV及以下。圖5海底光電復(fù)合新典型結(jié)構(gòu)示意圖L齡導(dǎo)障2,導(dǎo)體屏藤&絕緣4.絕緣解腕5.金屬昉水屏藤屋&塑料防麟保護(hù)層“7.填充&蹴艇 9 一螢,罅譙 3,電纜外馥房”.光單無(wú)，4結(jié)束語(yǔ)海上風(fēng)電的建設(shè)在我國(guó)沿海地區(qū)有著非常好的發(fā)展前景，尤其是近海及潮間帶風(fēng)電，為 我國(guó)尋找新能源開辟了一條新的道路。海底光電復(fù)合纜在海上風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用在我國(guó)還剛剛起 步，海底光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)和制造歷史較短，對(duì)海纜的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇和應(yīng)用方面的研 究還不充分。對(duì)于海底光電復(fù)合纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要同時(shí)具備海底電纜和海底光纜的裝備基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，復(fù)合要求極其高。通過(guò)我國(guó)已有海上風(fēng)電工程應(yīng)用實(shí)踐，需要不斷總結(jié)海纜在 設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)海纜的運(yùn)行環(huán)境條件和對(duì)海纜電氣、機(jī)械性能方 面不同要求，合理選擇海纜類型、規(guī)格，在保證安全的前提下，力爭(zhēng)做到經(jīng)濟(jì)、合理，降低 風(fēng)電場(chǎng)投資成本，使海底光電復(fù)合纜在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮更重要作用，推動(dòng)我國(guó)的新能源 戰(zhàn)略和低碳經(jīng)濟(jì)社