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摘要：本文针对国内海上风电能输送及监控的需求，分析海底光电复合缆的分类及选择，重点研究海底光电复合缆的关键技术及故障监测技术。
关键字：海底光电复合缆，关键技术，光纤传感，故障监测
中图分类号：O472+.8文献标识码：A文章编号：
Submarine Optic/Electric Composite Cable in the Application of Offshore Wind Power
WU Zhong-bo
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou, China, 510663)
Abstract：This paper aimed at the domestic offshore wind power transmission and monitoring requirements, analysis, classification and selection of submarine photoelectric composite cable, key technology research of submarine photoelectric composite cable and fault monitoring technology.
Keywords：Optic/Electric Composite Cable，key technology，Optical fiber sensor；Fault monitoring
引言
2011 年底，全球风电装机容量约238000MW，年增长21%。我国风力资源居世界第三位，风电技术发展迅速，2011 年新增装机容量17630MW，累计装机容量62364MW，居世界第一。全球海上风电2011 年总装机约3980MW，约占总装机的1.67%；我国海上风电总装机209.9MW，2011 年新增107.9MW，约占全球海上风电新增装机470MW 的22.96%。我国海上风电产业进入了示范性向快速发展、规模化开发过渡阶段，将是我国风电产业发展的“方向中的方向”。
1 海上风电电能输送及监控方式
目前，我国海上风电场升高电压通常采用二级升压方式（少数采用三级）[1]，即风机
发电经箱变升压至35 kV 后，分别通过35 kV海底电缆汇流至110 kV 或220 kV 升压站， 最终通过110 kV 或220 kV 线路接入电网。近海风力发电场典型布局见图1。
图1 近海海上风电场典型布局图
国内，海上风电的风机、海上升压站主要按照“无人值班”的原则，采用计算机监控系统进行一体化的集中监控，其原理结构见图2。
图2 一体化监控系统原理结构图
海上风电场采用光纤与工控交换机组网方式，实现每台风机、海上升压站的监控信息上传至一体化监控系统。
海底光电复合缆作为一种新兴的特种电力光缆，将若干光纤单元复合到海底电力电缆中，使其具备了电力传输和通信传输的双重功能[1]，可充分满足海上风电电力输送及通信组网的需求。
2 海底光电复合缆分类及选择
由于海底应用的特殊环境，110kV海底光电复合缆应具备海底电缆的类似的性能，不仅要求具有防水、耐腐蚀、抗机械牵拉及外力碰撞等特殊性能，还要求较高的电气绝缘性能和很高的安全可靠性。图3为国内常用的海底光电复合缆典型结构示意图。
图3 海底光电复合缆典型结构示意图
110kV海底电缆按绝缘介质主要分为充油式海底电缆和交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆[2]。其中，充油式海底电缆包括牛皮纸绝缘电缆和聚丙烯-牛皮纸复合纸绝缘电缆。充油电缆电缆与交联聚乙烯电缆的综合对比详见表1。
表1 充油海底电缆与XLPE海底电缆综合对比
2.软接头技术瓶颈
由上表可见，相比充油电缆，交联电缆具有电气性能好、机械强度高、安装敷设和运行维护方便以及环保等优点，交联聚乙烯电缆将成为未来主流的发展方向。
另外，海底光电复合缆按结构可分成三芯海缆和单芯海缆[3]两种典型结构，两者综合对比见表2。
表2 单芯电缆与三芯电缆综合对比
3 海底光电复合海缆关键技术
3.1光单元
海底光电复合缆中，缆体的敷设、打捞等各种状态下都必须受到很大的拉伸形变。光纤的物理特性决定它本身只能承受暂时短期微弱拉伸形变，或完全不允许形变，因此对海底光电复合缆的整体结构强度提出了严格要求。
（1）结构强度
常规的光缆设计，会为光纤设计出一定量的多余缆长的余长，一般这个长度在0.2%～0.3%左右对于不同的松套管材料，这个值是相对稳定的。海底光电复合缆在制造以及设计结构上对光纤实现了余长值，再加之光纤周围填充了触变型阻水纤膏，可以在一定程度上保证光纤在松套管结构发生一定的拉伸時，仍能保持不受到任何外力。
（2）阻水能力
光缆部件采用激光焊接不锈钢松套管，内部填充防止氢损的触变型油膏，外层使用热熔性溶胶粘合剂，可完好地解决高密度外护套与不锈钢管间粘合通路的阻水问题，满足了海缆用光单元的制造需求。
3.2大长度生产技术
海底光电复合缆一般采用整根长度连续、无中间接头的光单元。光单元结构尺寸小，容易做到连续大长度（目前可达10~25千米），而电力绝缘线芯由于受设备规范的限制，其制造长度不可能同光单元一样。因此，只能采用柔性接头（又称“软接头”）接续技术，按周转盘的最大长度容量分段制造电力绝缘线芯，在成缆及挤制护层时在进行工厂接头[5]，达到连续大长度的要求。
3.3软接头技术
海底光电复合缆软接头指的是接头可以弯曲，重量轻、外径小，可以缠绕到缆盘或缆池内并在敷设期间几乎不发生阻碍，适用于在工厂或装船现场时，为达到所需长度的光缆而任意连接，是今后海底光电复合缆接续的发展方向。它采用的先进技术包括：光纤高强度熔接技术、铠装钢丝的无机械柔性连接技术及护层电绝缘及密封技术等。
4 海底光电复合缆故障监测技术
故障监测成为了海底光电复合缆安全可靠运行一种不可缺少的技术手段。目前，海底光电复合缆故障监测技术主要包括直流成分法、接地线电流法、在线tanδ法和分布式光纤测量法等。分布式光纤监测基于分布式光纤传感技术[4]，通过复合在海底光电复合缆内的光纤实现分布式温度、应变、振动测量，以及故障探测与定位等功能，是海底光电复合缆故障监测最行之有效的方法，是海缆故障监测的主要发展方向。
结束语
我国漫长的海岸线，大大小小的岛屿星罗棋布，有着极为丰富的海洋资源，是我国可持续发展的重要物资基础。随着我国综合国力不断增强和海洋开发的大力推进以的需要，同时沿海人民为了改善环境，提高生产、生活质量，对电力的需求不断增强，特别是我国海上风电的快速发展，为开发研究生产大长度高压及超高压海底光电复合缆，提供量广阔市场前景。随着海底光电复合缆的设计、产品和工程技术的不断成熟，相信海底光电复合缆将会在海上风电的发展和在智能电网建设中中发挥重要的作用，推动我国的新能源战略和低碳经济社会的不断进步。
参考文献
[1]张建民，谢书鸿．海上风电场电力传输与海底电缆的选择．电气制造,2011(11) : 32-35．
[2]陈凌云，朱熙樵，李泰军，等．海南联网工程海底电缆的选择[J]．高电压技术，2006，32(7)：39-42．
[3]吴飞龙,杨力帆．光电复合技术在我国110kV海底电缆中的首次应用 [J]. 中国电力,2011 44(02)：27-30 ．
[4]陈军，李永丽．应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术．电力系统及其自动化学报，17(3)：48-51．
[5]王国忠．海底光电复合缆的研制.光纤与电缆及其应用技术[J]. 2009 (1)：11-12．
作者简介：
吴钟博（1979-） 男，广东广州人，从事电力系统通信规划设计工作。
关键字：海底光电复合缆，关键技术，光纤传感，故障监测
中图分类号：O472+.8文献标识码：A文章编号：
Submarine Optic/Electric Composite Cable in the Application of Offshore Wind Power
WU Zhong-bo
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou, China, 510663)
Abstract：This paper aimed at the domestic offshore wind power transmission and monitoring requirements, analysis, classification and selection of submarine photoelectric composite cable, key technology research of submarine photoelectric composite cable and fault monitoring technology.
Keywords：Optic/Electric Composite Cable，key technology，Optical fiber sensor；Fault monitoring
引言
2011 年底，全球风电装机容量约238000MW，年增长21%。我国风力资源居世界第三位，风电技术发展迅速，2011 年新增装机容量17630MW，累计装机容量62364MW，居世界第一。全球海上风电2011 年总装机约3980MW，约占总装机的1.67%；我国海上风电总装机209.9MW，2011 年新增107.9MW，约占全球海上风电新增装机470MW 的22.96%。我国海上风电产业进入了示范性向快速发展、规模化开发过渡阶段，将是我国风电产业发展的“方向中的方向”。
1 海上风电电能输送及监控方式
目前，我国海上风电场升高电压通常采用二级升压方式（少数采用三级）[1]，即风机
发电经箱变升压至35 kV 后，分别通过35 kV海底电缆汇流至110 kV 或220 kV 升压站， 最终通过110 kV 或220 kV 线路接入电网。近海风力发电场典型布局见图1。
图1 近海海上风电场典型布局图
国内，海上风电的风机、海上升压站主要按照“无人值班”的原则，采用计算机监控系统进行一体化的集中监控，其原理结构见图2。
图2 一体化监控系统原理结构图
海上风电场采用光纤与工控交换机组网方式，实现每台风机、海上升压站的监控信息上传至一体化监控系统。
海底光电复合缆作为一种新兴的特种电力光缆，将若干光纤单元复合到海底电力电缆中，使其具备了电力传输和通信传输的双重功能[1]，可充分满足海上风电电力输送及通信组网的需求。
2 海底光电复合缆分类及选择
由于海底应用的特殊环境，110kV海底光电复合缆应具备海底电缆的类似的性能，不仅要求具有防水、耐腐蚀、抗机械牵拉及外力碰撞等特殊性能，还要求较高的电气绝缘性能和很高的安全可靠性。图3为国内常用的海底光电复合缆典型结构示意图。
图3 海底光电复合缆典型结构示意图
110kV海底电缆按绝缘介质主要分为充油式海底电缆和交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆[2]。其中，充油式海底电缆包括牛皮纸绝缘电缆和聚丙烯-牛皮纸复合纸绝缘电缆。充油电缆电缆与交联聚乙烯电缆的综合对比详见表1。
表1 充油海底电缆与XLPE海底电缆综合对比
2.软接头技术瓶颈
由上表可见，相比充油电缆，交联电缆具有电气性能好、机械强度高、安装敷设和运行维护方便以及环保等优点，交联聚乙烯电缆将成为未来主流的发展方向。
另外，海底光电复合缆按结构可分成三芯海缆和单芯海缆[3]两种典型结构，两者综合对比见表2。
表2 单芯电缆与三芯电缆综合对比
3 海底光电复合海缆关键技术
3.1光单元
海底光电复合缆中，缆体的敷设、打捞等各种状态下都必须受到很大的拉伸形变。光纤的物理特性决定它本身只能承受暂时短期微弱拉伸形变，或完全不允许形变，因此对海底光电复合缆的整体结构强度提出了严格要求。
（1）结构强度
常规的光缆设计，会为光纤设计出一定量的多余缆长的余长，一般这个长度在0.2%～0.3%左右对于不同的松套管材料，这个值是相对稳定的。海底光电复合缆在制造以及设计结构上对光纤实现了余长值，再加之光纤周围填充了触变型阻水纤膏，可以在一定程度上保证光纤在松套管结构发生一定的拉伸時，仍能保持不受到任何外力。
（2）阻水能力
光缆部件采用激光焊接不锈钢松套管，内部填充防止氢损的触变型油膏，外层使用热熔性溶胶粘合剂，可完好地解决高密度外护套与不锈钢管间粘合通路的阻水问题，满足了海缆用光单元的制造需求。
3.2大长度生产技术
海底光电复合缆一般采用整根长度连续、无中间接头的光单元。光单元结构尺寸小，容易做到连续大长度（目前可达10~25千米），而电力绝缘线芯由于受设备规范的限制，其制造长度不可能同光单元一样。因此，只能采用柔性接头（又称“软接头”）接续技术，按周转盘的最大长度容量分段制造电力绝缘线芯，在成缆及挤制护层时在进行工厂接头[5]，达到连续大长度的要求。
3.3软接头技术
海底光电复合缆软接头指的是接头可以弯曲，重量轻、外径小，可以缠绕到缆盘或缆池内并在敷设期间几乎不发生阻碍，适用于在工厂或装船现场时，为达到所需长度的光缆而任意连接，是今后海底光电复合缆接续的发展方向。它采用的先进技术包括：光纤高强度熔接技术、铠装钢丝的无机械柔性连接技术及护层电绝缘及密封技术等。
4 海底光电复合缆故障监测技术
故障监测成为了海底光电复合缆安全可靠运行一种不可缺少的技术手段。目前，海底光电复合缆故障监测技术主要包括直流成分法、接地线电流法、在线tanδ法和分布式光纤测量法等。分布式光纤监测基于分布式光纤传感技术[4]，通过复合在海底光电复合缆内的光纤实现分布式温度、应变、振动测量，以及故障探测与定位等功能，是海底光电复合缆故障监测最行之有效的方法，是海缆故障监测的主要发展方向。
结束语
我国漫长的海岸线，大大小小的岛屿星罗棋布，有着极为丰富的海洋资源，是我国可持续发展的重要物资基础。随着我国综合国力不断增强和海洋开发的大力推进以的需要，同时沿海人民为了改善环境，提高生产、生活质量，对电力的需求不断增强，特别是我国海上风电的快速发展，为开发研究生产大长度高压及超高压海底光电复合缆，提供量广阔市场前景。随着海底光电复合缆的设计、产品和工程技术的不断成熟，相信海底光电复合缆将会在海上风电的发展和在智能电网建设中中发挥重要的作用，推动我国的新能源战略和低碳经济社会的不断进步。
参考文献
[1]张建民，谢书鸿．海上风电场电力传输与海底电缆的选择．电气制造,2011(11) : 32-35．
[2]陈凌云，朱熙樵，李泰军，等．海南联网工程海底电缆的选择[J]．高电压技术，2006，32(7)：39-42．
[3]吴飞龙,杨力帆．光电复合技术在我国110kV海底电缆中的首次应用 [J]. 中国电力,2011 44(02)：27-30 ．
[4]陈军，李永丽．应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术．电力系统及其自动化学报，17(3)：48-51．
[5]王国忠．海底光电复合缆的研制.光纤与电缆及其应用技术[J]. 2009 (1)：11-12．
作者简介：
吴钟博（1979-） 男，广东广州人，从事电力系统通信规划设计工作。