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)娜诤厦劫|(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

前言

風(fēng)能的開(kāi)發(fā)、利用主要有兩種形式，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(kāi)發(fā)主要集中在陸地，海上風(fēng)電資源開(kāi)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(jiàn)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(xiàn)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(xún)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(chēng)，中國(guó)沿海-20m水深以?xún)?nèi)風(fēng)電可開(kāi)發(fā)量約7.5億kW，為我國(guó)陸上風(fēng)電可 開(kāi)發(fā)量的3倍，因此,海上風(fēng)電資源將成為我國(guó)開(kāi)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)容量有望突破3×107kW。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。”

2009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)肟燔?chē)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)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(xiàn)路接入電網(wǎng)。圖1為近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)典型布局 圖。

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)升壓方式 也可采用三級(jí)升壓方式。如果風(fēng)電場(chǎng)較小（100MW以?xún)?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

3  、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(mǎn)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

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(xún)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)

3.2  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(xiàn)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(xiàn)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，光纖芯數(shù)有12、18、24、36、48芯不等，常用的為24～48芯。光單元個(gè)數(shù)可選擇 1～3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。

3.3  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(jiàn)結(jié)構(gòu)描述。其中金屬防水屏蔽層作為動(dòng)力線(xiàn)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?xún)?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。

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(kāi)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(lèi)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)社會(huì)的不斷進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：

張建民（1974－），男，河南鄭州人，高級(jí)工程師。從事多年電力電纜和海底光電纜的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。e- mail：zhangjm@chinaztt.com。

謝書(shū)鴻 (1970－)，男，四川廣安人，高級(jí)工程師。從事多年電力架空輸電線(xiàn)和電力特種光纜電纜的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。e-mail：xiesh@chinaztt.com。