0 引言

随着海洋工程技术的发展,海底电缆越来越多的用于海岛输送电、跨区域输电。海底电缆温度在线监测是目前极少能够对海底电缆本体进行在线监测的手段之一。一般来说,高压电力电缆温度发生变化或异常,主要是由本体或绝缘故障引起^[1-2],但是海底电缆所处环境复杂多变,运行中的海底电缆温度发生变化是由于电缆本体发生故障,抑或是由外部环境条件发生改变而造成,需要充分研究后方可确定。

本文对影响海底电缆导体温度的影响因素进行理论分析,为了结合实际情况,以国内首个长距离、超高压、大容量跨海联网—海南联网500 kV海底电缆为例^[3-6],连续8天每隔2 h记录海底电缆的运行温度,并进行分析与统计,以期得出最准确的结论。

1 海底电缆导体温度与电流关系

按照IEC 60287标准海底电缆热传导模型,可以计算得到海底电缆导体温度为^[6-9]：

（1）

式中,θ_c为海底电缆导体的温度,θ_a为海底电缆表皮温度,I为流过海底电缆的电流大小,W_d为介质损耗,W_d=ωCU²tanδ,U为海底电缆运行电压,
C为海底电缆电容,tanδ为海底电缆介质损耗角正切;I²Rλ₁为铅合金护套损耗,λ₁为铅合金护套损耗系数;I²Rλ₂为铠装损耗,λ₂为铠装损耗系数;T₁、T₂及T₃分别为导体与铅合金护套之间、铅合金护套与铠装之间以及外被层的热阻,T₄为海底电缆周围环境的热阻。

由式（1）可知,对于已经完成投运的海底电缆,其参数已确定,主要影响其导体温度的为其通过的电流、海底电缆表皮温度、周围环境的热阻等,在理想情况下,环境相同,海底电缆表皮温度及周围环境热阻是不会发生变化的,因此理想情况下海底电缆导体温度只与通过电缆本身的电流相关。

以海南联网系统500 kV充油海底电缆为例,海底电缆按其安装环境不同可分为空气裸露段、登陆段、潮间带及海床四大部分^[9-10]。按四大区域分别计算海底电缆热阻、损耗系数等参数,结果见表1所列,其中登陆段至终端部分段海底电缆未受阳光直接照射,外部热阻T₄计算时,海底电缆埋深按照2 m
计算。

表1 海南联网系统海底电缆热阻模型参数 Tab.1 Parameters of the submarine cable thermal model in Hainan interconnection system

对于海底电缆表皮温度,其最高温度统计情况^[10]见表2所列。

表2 海南联网系统海底电缆表皮最高温度 Tab.2 The maximum skin temperature of the submarine cable

若以海底电缆通过电流大小为自变量,以海缆导体温度为自变量,海缆表面温度同样按照上述温度考虑,则可作出不同环境下导体温度与导体电流变化关系曲线（见图1）。

图1 海底电缆导体温度随电流变化曲线 Fig.1 Temperature curve of the submarine cable with current change

由图1可知,在海底电缆通过电流不大（小于约510 A）时,从理论上分析,海底电缆导体温度从大到小依次为登陆段、空气裸露部分、潮间带、海床段;在约510~690 A范围内,潮间带海底电缆导体温度则要高于空气裸露部分,其他区段相对趋势不变;通过较大电流（大于690 A）时,海底电缆导体温度从大到小依次为登陆段、潮间带、海床段、空气裸露部分。海南联网系统海底电缆导体温度最高值不能超过
90 ℃,由图1可以得出各区段海底电缆允许通过的最大载流量大小（见表3）,可知,限制海底电缆载流量的主要瓶颈在登陆段,海底电缆允许通过的最大载流量为814.9 A,与厂家提供的815 A基本一致。

表3 海南联网系统海底电缆允许载流量 Tab.3 The permitted ampacity of submarine cables in Hainan interconnection system

图2 海底电缆最高温度随时间变化曲线 Fig.2 The maximum temperature curve of the submarine cable with time

图3 海底电缆电流波动情况 Fig.3 Current fluctuation about the submarine cable

图4 10月11日A相海底电缆最高温度随时间变化曲线 Fig.4 The maximum temperature curve of phase A of the submarine cable with time on Oct. 11

2016年10月10日—17日,现场人员每2 h通过海底电缆温度在线监测系统记录了海南联网系统三相海底电缆导体温度的情况（见图2、3）。

10日—17日之间,电流变化范围不太大,均值约为90 A,因此从理论上讲,三相海缆导体温度最高点温度变化应该也不大,从图中A、B、C三相海缆最高点温度随时间变化曲线可知,除去10月11日外,其余几天三相海缆最高温度基本稳定在40 ℃左右,上下波动幅值不大。

为了进一步分析海底电缆最高温度的变化情况,单独提取10月11日A相海缆的数据,变化曲线如图4、图5所示,海底电缆最高温度主要靠近徐闻侧,同时查询徐闻当日天气多云,最高气温31 ℃,最低气温26 ℃。

由图4、5得知,在当日10点温度增加较多,对比当日电流情况,可知,10时负荷高,电流最大,故电缆发热量较多,也是当天温度最高的点。12时虽然负荷降低,但由于中午气温较高,海缆环境温度较高,温度降低不明显,随着天气逐渐转晚,海缆温度逐渐降低。在22时,海缆负荷增加,但由于时处深夜,气温较低,环境温度较低,海缆散热效果较好,故温度略有上升,并不明显。10月11日当天,B、C相变化趋势与A相完全一致,不再另作分析。

图5 10月11日海底电缆最高温度随时间变化曲线 Fig.5 The maximum temperature curve of the submarine cable with time on Oct. 11

2 海底电缆周围环境对导体温度的影响

在海底电缆设计及载流量计算过程中,基于海底电缆外部环境完全不变,相同区段埋深情况一致等理想条件进行,但是实际情况下,由于海底地质条件不同,埋深情况不可能一致;随着潮汐的变化,部分潮间带可能会转化为登陆段,因此,理想的情况不可能存在。海底电缆周围环境变化直接影响外部热阻T₄的大小,空气裸露段及登陆段变化情况不大,本节主要考虑潮间带及海床部分的海底电缆,T₄的计算公式为

（2）

式中ρ_soil为海底电缆周围海床土壤热阻,陆地土壤与海水中土壤热阻大小不一样;L为海底电缆埋深,S为海底电缆间距,海底电缆敷设完毕可认为保持不变; ,D为海底电缆直径。

可见,海底电缆外部热阻T₄与海底电缆埋深直接相关,同时,T₄还与土壤热阻成正相关,考虑到潮汐作用,当海水退潮后,该区域将变为登陆段,若该区域埋深比登陆段低,该区域海底电缆导体温度降比登陆段的要高,这部分电缆将在该时间段内成为整个系统载流量新的瓶颈。下面就这2方面的因素分别进行说明。

2.1 海底电缆温度与埋深的关系

结合式（1）、（2）,在不考虑潮汐作用,认为土壤热阻率不变的情况下,作出海底电缆导体温度随埋深的变化曲线（见图6）。

图6 海底电缆最高温度随埋深变化曲线 Fig.6 The maximum temperature curve of the submarine cable with the buried depth

可见,从理论上来说海底电缆导体温度基本上随埋深的增加而增加,这是因为海底电缆埋得越深,散热效果越差。由图中还可以发现,在海底电缆埋深变化不大的情况下,海底电缆导体温度随埋深近似呈线性变化。

统计10月10日—11日海底电缆温度监控信息,从图2可知10月11日10时,三相海底电缆温度最高值为记录几天中的最大值,查询此时三相海缆最热点的基本信息见表4所列。

表4 海底电缆最热点信息情况 Tab.4 Information about the hottest pot

为了更好的分析海底电缆温度情况,将最热点海底电缆埋深情况提取出来进行分析（见表5）。

表5 海底电缆最热点及邻近点埋深情况 Tab.5 The buried depth near the hottest pot

可知,三相海缆最高温度点附近整体埋深情况相差并不大,但是最热点的埋深较附近点相比基本上都要处于较低水平,其中B相埋深相对略高,因此最高温度值也较A、C相略低。考虑到检测及海缆在监测距离误差,可以认为在埋深较低时,温度值较高。

2.2 海底电缆温度与潮汐关系

在海底电缆设计及参数计算过程中,经常未考虑到退涨潮的作用,一旦埋在海底的海缆退潮变成陆缆,工作环境发生较大转变,以海南联网系统海底电缆为例,登陆段埋深2 m,实际上部分浅滩埋深尚未达到2 m,若浅滩部分退潮,直接暴露在阳光直射下,原来的湿润土壤将会变成干燥土壤,土壤热阻发生变化,同时阳光直射,埋深浅的地方土壤温度也较高,也即海底电缆周围环境温度也会偏高,此时,此段海底电缆导体温度区域可能会超过登陆段的温度而成为限制整个系统输送容量的瓶颈。

每间隔2 h记录一次海底电缆导体温度监控的数据信息,以C相为例进行分析,C相海缆2016年10月10日—11日海底电缆导体温度最高温度点随时间变化关系如图7所示。

图7 C相海底电缆最热点位置变化 Fig.7 The change about the hottest pot position

理想情况下海底电缆最热点位置变化应该不是太大,为了更好的分析效果,选取10月15日,温度最高点变化较大的曲线进行分析。查看该日C相海底电缆的沿线最高温度大小（见图8）,发现最高温度数值基本稳定,变化不大,考虑监测误差,可认为未发生变化。

图8 2016年10月15日C相海底电缆最热点温度变化 Fig.8 The maximum temperature curve of phase C of the submarine cable with time on Oct. 15, 2016

查询当日海缆登陆段最近港口潮汐情况如图9所示,对比分析同一时刻的最热点位置情况,可见随着潮位下降,海缆最热点位置有向远处偏移趋势,分析其原因为潮位下降,部分浅海区域由于退潮变为登录段,受到阳光直射,导致温度增高,温度在线监测装置监控到此点增高较为剧烈,将此点选为最热点显示。10月15日,C相海缆最热点位置变化趋势与之类似。

图9 2016年10月15日潮汐情况 Fig.9 The tide on Oct. 15, 2016

图10 2016年10月15日C相海底电缆最热点位置变化 Fig.10 The change of the hottest pot position of phase C about submarine cable on Oct. 15, 2016

3 结语

本文通过理论计算分析,结合海底电缆温度在线监测系统实际

数据对海底电缆运行温度的变化规律进行了分析探讨。

海底电缆温度与负荷大小直接相关,负荷越大,通过海底电缆导体电流越大,则海底电缆实际温度也大。但是仍需考虑环境温度的作用,当前气温高时,负荷虽然小,但海底电缆温度也会相应升高。

理论上,海底电缆埋深保护越浅,在海水作用下散热效果越好,海底电缆导体温度也越低。在埋深小范围内变化,可近似认为温度与埋深呈线性变化。但是,需要重点考虑海底电缆浅滩（潮间带）部分,正常情况下该部分埋深浅,散热效果好;但一旦退潮,该部分漏出水面,受阳光照射影响,特别是类似海南日照强烈的地方,湿润土壤变得干燥,海底电缆周围环境温度高,该区段的海缆反而有可能成为海底电缆输送容量新的瓶颈,在海底电缆设计阶段,以及运行监控时过负荷能力预测,应综合考虑。海底电缆温度在线监测系统可以考虑每年最新潮汐表发布后,录入当年潮汐预测情况,结合预测的潮汐对海底电缆温度进行在线监测,对海底电缆的过负荷能力进行预测。

运行中海底电缆温度发生变化需要从多角度——海底电缆电流、埋深、潮汐变化等充分分析,不能简单的判断为海底电缆本体存在异常。

(编辑:张京娜)

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