用数据说话，两芯高压直流海缆的经济性到底如何？
海上风电凭借风力资源丰富、不占用土地和无噪声扰民等优势，已成为各国降低碳排放的关键措施之一。海上风电场主要有交流输电和直流输电两种联网方式，目前一般采用交流输电方式，但长距离输电时，一般采用直流输电方式。深远海风电场及洲际互联等大容量、远距离海洋输电工程建设规模日趋增长，促使高压直流海缆需求量增长，与此同时紧张的海洋路由资源、漫长的施工周期，及昂贵的施工成本也成为行业的关注重点。单芯海缆存在路由资源占用多、施工周期长和成本高的问题，开发两芯高压直流海缆可以节约海底路由资源及敷设成本。
精读
两芯高压直流海缆方案设计
若直流海缆工程仅为2根极性缆，没有回流缆或备用缆，考虑生产和敷设的实际情况，两芯直流海缆设计可分为成品海缆捆绑敷设(以下简称海捆型海缆)和半成品护套线芯成缆绞合（以下简称护绞型海缆）两种，结构示意图分别见图1和图2。
图1 海捆型海缆结构示意图
图2 护绞型海缆结构示意图
若直流海缆工程配备回流缆或备用缆，则三芯直流海缆的设计可分为2根极性缆+1根回流缆的真双极系统和2根极性缆+1根备用缆的伪双极系统两种。目前，国内直流海缆工程均为2根极性缆，没有回流缆或备用缆。
高压直流海缆设计一般采用解析法，本工作为更加精准地确定两芯高压直流海缆的结构尺寸，采用有限元仿真分析法进行设计，并结合产品实际结构确定两芯高压直流海缆的结构尺寸。
1.南澳±160kV两芯直流海缆方案分析
该示范工程所采用的光纤复合直流海缆为铜芯XLPE绝缘铅套粗圆钢丝铠装PP纤维外被层结构，导体截面为500mm²，复合36芯光纤单元。通过有限元仿真分析得出，导体最高运行温度为70℃时满足载流量要求的海捆型海缆和护绞型海缆的导体截面分别为630mm²和800mm²，其有限元仿真结果分别见图3和图4。
图3 ±160kV海捆型海缆仿真图
图4 ±160kV护绞型海缆仿真图
2.舟山±200kV两芯直流海缆方案分析
该示范工程采用的光纤复合直流海缆为铜芯XLPE绝缘铅套粗圆钢丝铠装PP纤维外被结构，导体截面为1000mm² ，复合2×10B1+2×2B4芯光纤单元。通过有限元仿真分析得到，导体运行温度为70℃时满足载流量要求的海捆型海缆和护绞型海缆的导体截面分别为1400mm²和1800mm²，其有限元仿真结果分别见图5和图6。
图5 ±200kV海捆型海缆仿真图
图6 ±200kV护绞型海缆仿真图
3.如东±400kV两芯直流海缆方案分析
江苏如东1100MW海上风电柔直输电工程采用的±400kV 1600mm²光纤复合直流海缆。通过有限元仿真分析得出，导体最高运行温度为70℃时满足载流量要求的海捆型海缆和护绞型海缆的导体截面分别为2000mm²和2500mm²，其有限元仿真结果分别见图7和图8。
图7 ±400kV海捆型电缆仿真图
图8 ±400kV护绞型电缆仿真图
两芯高压直流海缆经济性分析
两芯直流海缆线路成本主要受原材料成本和敷设成本影响，其中敷设成本与线路长度、施工条件和海缆结构尺寸及质量有关。
1.材料成本分析
原材料成本为材料单价乘以材料用量，上述3个工程的直流海缆均采用Borealis生产的XLPE绝缘材料及半导电屏蔽材料，其余材料采用型号相同的国产材料，即原材料型号规格及单价相差无几，故以材料消耗作为评估经济性的指标。根据上述3个工程选用的直流电缆产品结构及工程额定输送容量，计算两芯直流海缆对比单芯的单位输送容量下的耗材占比，得到±160kV，±200kV和±400kV直流海缆单位长度导体、绝缘、铅套、护套、铠装等材料的用量占比见表1。
表1 两芯对比单芯直流海缆材料的用量占比
由表1可知，3种规格的两芯直流护绞型海缆的导体截面均大于海捆型海缆，同时因护绞型海缆导体和铠装材料用量较大，使其整体材料用量大于海捆型海缆，增加了海缆敷设的难度。
2.敷设成本分析
敷设成本与海缆直径、质量、长度、水深、海床地质、敷设要求，及施工难度等有关，根据3个项目的直流海缆主要参数，两芯海缆单位长度材料成本对比和敷设成本对比分别见表2和表3。
表2 两芯对比单芯直流海缆材料成本占比
表3 两芯对比单芯直流海缆敷设成本占比
由表2和表3可知，两芯直流海缆对比单芯直流海缆材料成本增加，敷设成本降低。
针对国内已建的直流海缆工程及其对应的两芯高压直流海缆设计方案，通过有限元仿真和理论分析与单芯直流海底电缆进行对比：成本方面，采用两芯直流海缆会增加原材料成本，减少敷设施工成本，提高敷设效率；工程造价方面，随着电压等级和敷设距离的增加，两芯直流海缆经济性逐渐提高。