0 引言

隨著海洋工程技術的發展,海底電纜越來越多的用于海島輸送電、跨區域輸電。海底電纜溫度在線監測是目前極少能夠對海底電纜本體進行在線監測的手段之一。一般來說,高壓電力電纜溫度發生變化或異常,主要是由本體或絕緣故障引起^[1-2],但是海底電纜所處環境復雜多變,運行中的海底電纜溫度發生變化是由于電纜本體發生故障,抑或是由外部環境條件發生改變而造成,需要充分研究后方可確定。

本文對影響海底電纜導體溫度的影響因素進行理論分析,為了結合實際情況,以國內首個長距離、超高壓、大容量跨海聯網—海南聯網500 kV海底電纜為例^[3-6],連續8天每隔2 h記錄海底電纜的運行溫度,并進行分析與統計,以期得出最準確的結論。

 1 海底電纜導體溫度與電流關系

按照IEC 60287標準海底電纜熱傳導模型,可以計算得到海底電纜導體溫度為^[6-9]：

Tab.1 Parameters of the submarine cable thermal model in Hainan interconnection system " style="box-sizing: border-box; color: rgb(43, 43, 43); text-decoration-line: none;">表1 海南聯網系統海底電纜熱阻模型參數Tab.1 Parameters of the submarine cable thermal model in Hainan interconnection system

對于海底電纜表皮溫度,其最高溫度統計情況^[10]見表2所列。

表2 海南聯網系統海底電纜表皮最高溫度Tab.2 The maximum skin temperature of the submarine cable

若以海底電纜通過電流大小為自變量,以海纜導體溫度為自變量,海纜表面溫度同樣按照上述溫度考慮,則可作出不同環境下導體溫度與導體電流變化關系曲線（見圖1）。

圖1 海底電纜導體溫度隨電流變化曲線Fig.1 Temperature curve of the submarine cable with current change

由圖1可知,在海底電纜通過電流不大（小于約510 A）時,從理論上分析,海底電纜導體溫度從大到小依次為登陸段、空氣裸露部分、潮間帶、海床段;在約510~690 A范圍內,潮間帶海底電纜導體溫度則要高于空氣裸露部分,其他區段相對趨勢不變;通過較大電流（大于690 A）時,海底電纜導體溫度從大到小依次為登陸段、潮間帶、海床段、空氣裸露部分。海南聯網系統海底電纜導體溫度最高值不能超過
90 ℃,由圖1可以得出各區段海底電纜允許通過的最大載流量大小（見表3）,可知,限制海底電纜載流量的主要瓶頸在登陸段,海底電纜允許通過的最大載流量為814.9 A,與廠家提供的815 A基本一致。

表3 海南聯網系統海底電纜允許載流量Tab.3 The permitted ampacity of submarine cables in Hainan interconnection system

圖2 海底電纜最高溫度隨時間變化曲線Fig.2 The maximum temperature curve of the submarine cable with time

圖3 海底電纜電流波動情況Fig.3 Current fluctuation about the submarine cable

圖4 10月11日A相海底電纜最高溫度隨時間變化曲線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,現場人員每2 h通過海底電纜溫度在線監測系統記錄了海南聯網系統三相海底電纜導體溫度的情況（見圖2、3）。

10日—17日之間,電流變化范圍不太大,均值約為90 A,因此從理論上講,三相海纜導體溫度最高點溫度變化應該也不大,從圖中A、B、C三相海纜最高點溫度隨時間變化曲線可知,除去10月11日外,其余幾天三相海纜最高溫度基本穩定在40 ℃左右,上下波動幅值不大。

為了進一步分析海底電纜最高溫度的變化情況,單獨提取10月11日A相海纜的數據,變化曲線如圖4、圖5所示,海底電纜最高溫度主要靠近徐聞側,同時查詢徐聞當日天氣多云,最高氣溫31 ℃,最低氣溫26 ℃。

由圖4、5得知,在當日10點溫度增加較多,對比當日電流情況,可知,10時負荷高,電流最大,故電纜發熱量較多,也是當天溫度最高的點。12時雖然負荷降低,但由于中午氣溫較高,海纜環境溫度較高,溫度降低不明顯,隨著天氣逐漸轉晚,海纜溫度逐漸降低。在22時,海纜負荷增加,但由于時處深夜,氣溫較低,環境溫度較低,海纜散熱效果較好,故溫度略有上升,并不明顯。10月11日當天,B、C相變化趨勢與A相完全一致,不再另作分析。

圖5 10月11日海底電纜最高溫度隨時間變化曲線Fig.5 The maximum temperature curve of the submarine cable with time on Oct. 11

 2 海底電纜周圍環境對導體溫度的影響

在海底電纜設計及載流量計算過程中,基于海底電纜外部環境完全不變,相同區段埋深情況一致等理想條件進行,但是實際情況下,由于海底地質條件不同,埋深情況不可能一致;隨著潮汐的變化,部分潮間帶可能會轉化為登陸段,因此,理想的情況不可能存在。海底電纜周圍環境變化直接影響外部熱阻T₄的大小,空氣裸露段及登陸段變化情況不大,本節主要考慮潮間帶及海床部分的海底電纜,T₄的計算公式為

 ,D為海底電纜直徑。

可見,海底電纜外部熱阻T₄與海底電纜埋深直接相關,同時,T₄還與土壤熱阻成正相關,考慮到潮汐作用,當海水退潮后,該區域將變為登陸段,若該區域埋深比登陸段低,該區域海底電纜導體溫度降比登陸段的要高,這部分電纜將在該時間段內成為整個系統載流量新的瓶頸。下面就這2方面的因素分別進行說明。

2.1 海底電纜溫度與埋深的關系

結合式（1）、（2）,在不考慮潮汐作用,認為土壤熱阻率不變的情況下,作出海底電纜導體溫度隨埋深的變化曲線（見圖6）。

圖6 海底電纜最高溫度隨埋深變化曲線Fig.6 The maximum temperature curve of the submarine cable with the buried depth

可見,從理論上來說海底電纜導體溫度基本上隨埋深的增加而增加,這是因為海底電纜埋得越深,散熱效果越差。由圖中還可以發現,在海底電纜埋深變化不大的情況下,海底電纜導體溫度隨埋深近似呈線性變化。

統計10月10日—11日海底電纜溫度監控信息,從圖2可知10月11日10時,三相海底電纜溫度最高值為記錄幾天中的最大值,查詢此時三相海纜最熱點的基本信息見表4所列。

表4 海底電纜最熱點信息情況Tab.4 Information about the hottest pot

為了更好的分析海底電纜溫度情況,將最熱點海底電纜埋深情況提取出來進行分析（見表5）。

表5 海底電纜最熱點及鄰近點埋深情況Tab.5 The buried depth near the hottest pot

可知,三相海纜最高溫度點附近整體埋深情況相差并不大,但是最熱點的埋深較附近點相比基本上都要處于較低水平,其中B相埋深相對略高,因此最高溫度值也較A、C相略低。考慮到檢測及海纜在監測距離誤差,可以認為在埋深較低時,溫度值較高。

2.2 海底電纜溫度與潮汐關系

在海底電纜設計及參數計算過程中,經常未考慮到退漲潮的作用,一旦埋在海底的海纜退潮變成陸纜,工作環境發生較大轉變,以海南聯網系統海底電纜為例,登陸段埋深2 m,實際上部分淺灘埋深尚未達到2 m,若淺灘部分退潮,直接暴露在陽光直射下,原來的濕潤土壤將會變成干燥土壤,土壤熱阻發生變化,同時陽光直射,埋深淺的地方土壤溫度也較高,也即海底電纜周圍環境溫度也會偏高,此時,此段海底電纜導體溫度區域可能會超過登陸段的溫度而成為限制整個系統輸送容量的瓶頸。

每間隔2 h記錄一次海底電纜導體溫度監控的數據信息,以C相為例進行分析,C相海纜2016年10月10日—11日海底電纜導體溫度最高溫度點隨時間變化關系如圖7所示。

圖7 C相海底電纜最熱點位置變化Fig.7 The change about the hottest pot position

理想情況下海底電纜最熱點位置變化應該不是太大,為了更好的分析效果,選取10月15日,溫度最高點變化較大的曲線進行分析。查看該日C相海底電纜的沿線最高溫度大小（見圖8）,發現最高溫度數值基本穩定,變化不大,考慮監測誤差,可認為未發生變化。

圖8 2016年10月15日C相海底電纜最熱點溫度變化Fig.8 The maximum temperature curve of phase C of the submarine cable with time on Oct. 15, 2016

查詢當日海纜登陸段最近港口潮汐情況如圖9所示,對比分析同一時刻的最熱點位置情況,可見隨著潮位下降,海纜最熱點位置有向遠處偏移趨勢,分析其原因為潮位下降,部分淺海區域由于退潮變為登錄段,受到陽光直射,導致溫度增高,溫度在線監測裝置監控到此點增高較為劇烈,將此點選為最熱點顯示。10月15日,C相海纜最熱點位置變化趨勢與之類似。

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

圖10 2016年10月15日C相海底電纜最熱點位置變化Fig.10 The change of the hottest pot position of phase C about submarine cable on Oct. 15, 2016

 3 結語

本文通過理論計算分析,結合海底電纜溫度在線監測系統實際

數據對海底電纜運行溫度的變化規律進行了分析探討。

海底電纜溫度與負荷大小直接相關,負荷越大,通過海底電纜導體電流越大,則海底電纜實際溫度也大。但是仍需考慮環境溫度的作用,當前氣溫高時,負荷雖然小,但海底電纜溫度也會相應升高。

理論上,海底電纜埋深保護越淺,在海水作用下散熱效果越好,海底電纜導體溫度也越低。在埋深小范圍內變化,可近似認為溫度與埋深呈線性變化。但是,需要重點考慮海底電纜淺灘（潮間帶）部分,正常情況下該部分埋深淺,散熱效果好;但一旦退潮,該部分漏出水面,受陽光照射影響,特別是