水下电缆和水下电缆操作方法与流程

本发明涉及水下电缆领域。具体地说，本发明涉及通过水下电缆传输交流(AC)电能和直流(DC)电能。

背景技术：

水下电缆在多种情况下使用，诸如在离岸风电场、对岛屿的电力供应、自主电网的连接、海上平台的电力供应、短距离横越(例如，跨河流、水道、海峡、峡湾、海湾或湖泊的电力输送)中。一般所输送的电力处于高电压(HV)，例如处于大于30kV的电压。

已知的交流水下电力输送系统通常包括电缆，该电缆包括三条在共有的铠装层中受独立屏蔽和包封的电绝缘的导体或芯线。

已知的直流水下电力输送系统通常包括两条单芯线水下电缆，在该电缆中每条绝缘导体或芯线被铠装层适当地屏蔽和包围。在一些实例中，两条绝缘并被屏蔽的导体绞合并被共有铠装层包封，形成扁平直流电缆。扁平双芯线电缆可在仅一个方向上轻易地弯曲。这个性质使得制造、装载和安装较困难且需要相当大的对设备的投资。结果是，提供各自单独铠装的两条独立的单芯线水下直流电缆对直流水下电力输送系统来说更普遍。

水下电缆在安装期间受到机械力而铠装层提供必要的承受能力和一些对于来自外部的损伤的机械保护。

在一些实际应用中，以直流电和交流电沿同样的线路同时或不同时传输电能都是必要的。

“风能转化技术的优势”，187-188页，ISBN978-3-540-88257-2，Springer 2011涉及离岸风电场的电网融合。对于装备有交流-直流-交流转换器的风力涡轮机，解决方法是将高压交流电和高压直流电系统结合。该文件图7中例示的方案包括200MW高压交流电缆线路和分离的800MW高压直流电缆对。

Granadino等人发表的“400kV 700MW Fluid Filled Submarine Cables for the Spain-Morocco Interconnection”,，2000年会议，21-301涉及包括水下连接的电力网络。该连接传输的电力是交流电，然而，电缆和配件被设计和测试以能够在将来以直流电操作。因此，电缆应适用于交流和直流电传输。对于此类电缆，提出“流体填充”设计。

技术实现要素：

本发明处理的技术问题是简化需要交流电力和直流电力输送的水下电力连接，由此降低其制造和安装成本。

申请人已发现两条直流电力芯线和交流三相电缆可被连接以形成具有基本呈圆形的截面的单一水下电缆系统，其中所有芯线都被共有的铠装层包围。

所设想的水下电缆系统允许部署两条用于传输直流电的芯线和用于以单体传输交流电的三相电缆，并且降低成本。进一步降低成本通过提供单个铠装层代替三个铠装层(一层用于三相交流电缆，两层用于两条单芯线直流电缆)的可能性实现。其他的向部署地点的运送、铺设、保护预计将更廉价。

根据第一方面，本发明涉及一种水下电缆系统，该水下电缆系统具有大体呈圆形的截面，该系统包括：

第一绝缘芯线和第二绝缘芯线；

三相电缆，包括三条绞合绝缘芯线，三相电缆与第一绝缘芯线和第二绝缘芯线绞合；

铠装层，包围第一绝缘芯线、第二绝缘芯线和三相电缆。

在本说明书和权利要求书中，“绝缘芯线”意味着具有圆形截面并依次被内部半导体层、绝缘层、外部半导体层和金属屏障包围的电导体。在三相电缆的情况中，作为用于三条绝缘芯线中的每一条的金属屏障的替代，提供单一金属屏障以包围全部三条绝缘芯线。

本发明提出的电缆系统的第一和第二绝缘芯线适用于直流传输。三相电缆的三条绞合的绝缘芯线适用于交流传输。“适用于”意味着电缆系统部分被设计用于计划的电流输送，例如，绝缘层应选择为使交流损失最小化或避免本领域技术人员已知的直流传输的空间电荷积累并根据特定应用的需求进行选择。

根据实施例，所述三相电缆包括包围三条绞合绝缘芯线的第一护套，和在此情况下，围绕三条绞合绝缘芯线的金属屏障。在第一护套和三条绞合绝缘芯线之间提供填充物。

三相电缆的三条绝缘芯线沿第一倾角和第一扭绞方向以单向扭绞绞合，或以S-Z扭绞绞合。第一芯线、第二芯线和三相电缆沿第二倾角和第二扭绞方向以单向扭绞绞合，或以S-Z扭绞绞合。

“单向扭绞”意味着以沿电缆长度的连续螺旋绞合。“S-Z扭绞”意味着螺旋方向沿电缆长度周期性反转的绞合。

有利的是，当三条绝缘芯线的绞合以及第一芯线与第二芯线和三相电缆的绞合均形成为单向扭绞时，第二扭绞方向与第一扭绞方向相反。

优选地，三相电缆的三条绝缘芯线沿第一倾角和第一扭绞方向以单向扭绞绞合，而第一芯线、第二芯线和三相电缆以S-Z扭绞绞合。

本发明中的电缆系统的铠装层可包括以单铠装层或双铠装层(内铠装层和外铠装层)布置的多个铠装线。每层的铠装线围绕与第一芯线和第二芯线绞合的三相电缆缠绕。铠装线的缠绕扭绞优选地为单向的。特别地，单铠装层或内铠装层的铠装线可以沿第三倾角和第三扭绞方向以单向扭绞缠绕。

有利的是，第三扭绞方向与第一扭绞方向相同。这一扭绞方向构造使由交流输送引起的磁场造成的铠装层损失能够减小，如WO2013/174399和WO2013/174455所公开的。

有利的是，第三倾角是第一倾角的0.4到2.5倍。优选地，第三倾角大体等于第一倾角，最多与第一倾角相差1％。这一倾角配置减小了交流输送引起的铠装层损失。当第三扭绞方向与第一扭绞方向相同且第三倾角基本等于第一倾角时，铠装层损失可被基本减小至零。

优选地，第一芯线、第二芯线和三条绞合芯线的绝缘层由可挤出聚合物材料制成。适用于本发明的电缆系统的绝缘层的挤出聚合物材料是热塑性的，例如聚乙烯、聚丙烯，或热固性的，例如交联聚丙烯、乙丙橡胶。

根据本发明的操作性实施例，第一芯线和第二芯线被配置为以最大600kV的电压，优选地以最小80kV的电压传递直流电流。特别地，第一芯线和第二芯线被配置为以300-400kV的电压传送直流电流。

根据操作性实施例，三相电缆被配置为以最大170kV的电压，优选地以最小30kV的电压传送交流电流。

根据实施例，第一芯线和第二芯线被配置为以包含在500-1500MW的范围内的第一功率值进行直流功率传递，三相电缆被配置为以包含在5至200MW，优选地为5至80MW的范围内的第二功率值进行交流功率传递。举例来说，水下电缆系统具有小于400km的长度。

本发明中的电缆系统的第一和第二绝缘芯线与三相电缆具有基本相同的直径。具体地说，第一和第二绝缘芯线与三相电缆的直径优选地相差至多2％，更优选地相差至多1％，以提供满意的圆形截面的电缆系统。

本发明中的电缆系统的构造可从根据直流传输所需的功率选择第一和第二绝缘芯线的直径开始。作为第二步，算出三相电缆以给定长度可能传递的交流传输功率并相应地设计三相电缆。如果三相电缆的直径小于第一和第二绝缘芯线的直径的2％以上，可以更适合于特定的应用的方式增大三相电缆的尺寸，例如为三条绞合绝缘芯线选择不同的导体，增大围绕诸如金属屏障、护套和/或绝缘层的导体的层的厚度。增大绝缘层的厚度可能造成一些成本增加，但提供在更大的电力传输长度方面的优势，如将被进一步详述的那样。如果三相电缆的直径大于第一和第二绝缘芯线的直径2％以上，优选地通过增大聚合物护套的厚度增大第一和第二绝缘芯线的直径。

根据第二方面，本发明涉及水下电缆系统操作方法，包括：

提供水下电缆系统，包括：

第一绝缘和第二绝缘芯线；

包括三条绞合绝缘芯线的三相电缆，三相电缆与第一绝缘芯线和第二绝缘芯线绞合；

包围第一绝缘芯线、第二绝缘芯线和三相电缆的铠装层；

通过所述第一绝缘芯线和第二绝缘芯线传输直流电能；

通过所述三相电缆传输交流电能。

直流电能的传输可与交流电能的传输同步或替代交流电能的传输。

根据第一实施例，传输直流电能包括从岸上变电站向风电场发电系统供应所述直流电能，传输直流电能包括从风电场发电系统向岸上变电站供应所述直流电能。根据第二实施例，传输交流电能包括向相应的岸上变电站供应风电场系统产生的直流电能。

根据第三实施例，该方法进一步包括：停止所述交流电能的传输，停止所述直流电能通过所述第一芯线的传输，通过作为前进导体的所述第二芯线和作为返回导体的三相电缆传输所述直流电能。

本发明的电缆系统尤其适用于发电厂，例如离岸风电场，在发电厂中可使用第一绝缘芯线和第二绝缘芯线以传输涡轮发电机获得的直流电能，使用三相电缆以向发电厂的辅助系统供应交流电。

附图说明

通过以举例的方式，参照公开的附图做出的优选实施例及其替代性实施例的下列描述，更多的特点和优势将更加明了，附图中：

图1显示水下电缆的实施例的透视图；

图2显示水下电缆的截面视图；

图3涉及用于交流电能传输的所述水下电缆的性能的软件模拟。

具体实施方式

在下列描述中，当在不同的附图中画出同一典型元件时，使用相同的字母数字编号。水下电缆系统100的实施例将参照图1和图2作描述。水下电缆系统100可被用于在水面下传送电力。如随后将被阐明的，水下电缆系统100可作为双向HVDC(高电压直流电)电缆和HVAC(高电压交流电)电缆操作。

图1和图2中所示的水下电缆系统100包括：用于传送直流电流的第一绝缘芯线1，用于传送直流电流的第二绝缘芯线2和用于传送交流电流的三相电缆3。还设置有包围第一绝缘芯线1、第二绝缘芯线2和三相电缆3的铠装层(单层)。第一绝缘芯线1、第二绝缘芯线2和三相电缆3以S-Z扭绞。

第一芯线1和第二芯线2均包括第一电导体5和包围第一电导体5并包括第一内半导体层6a、第一绝缘层6b和第一外半导体层6c(见图2)的第一电保护组件6。每个第一芯线1和第二芯线2还设置有包围第一电保护组件6的第一金属屏障7。

第一电导体5可由导电金属诸如铜、铝或铜和铝制成，呈例如杆、绞合线、异形线或分段导体的形式。优选地，第一电导体5由铝制成。

优选地，第一内半导体层6a、第一绝缘层6b和第一外半导体层6c由诸如聚丙烯、交联聚乙烯(XLPE)或乙丙橡胶(EPR)的可挤出聚合物材料制成，半导体层6a、6c的材料添加了导电填料，诸如碳黑。内半导体层6a、绝缘层6b和外半导体层6c通过在第一电导体5上的挤出聚合材料制造。

可替换地，第一绝缘层6b由浸渍有适当粘度的油的纸或纸-聚丙烯条带制成，例如GB2,196,781、US5,850,055和WO2011/073709中公开的。

第一金属屏障7可由铅合金、铜或铝以带、线或编织物的形式制成。适当地围绕第一金属屏障7设置由例如聚乙烯制成的并选择性性地为半导体的聚合物护套14(见图2)。

应注意到第一绝缘芯线1和第二绝缘芯线2举例来说可以介于80kV与600kV之间的电压操作。例如，当第一绝缘层6b由类似XLPE的可挤出聚合物材料制成时，可以70-90℃的最大可允许导体工作温度达到高达350-400kV的额定电压。当第一绝缘层6b由纸或纸-聚丙烯条带制成时，可以90℃的最大可允许导体工作温度达到高达600kV的额定电压。

根据标示的电压值，可采用第一和第二芯线1和2传递的最大稳态直流电力，举例来说，包含在500-1500MW的范围内；优选值为1000MW。应注意到最大稳态直流电力的传递还取决于环境参数，诸如温度和土壤热阻率。

三相电缆3包括三条绞合的绝缘芯线8。在这种情况下，三条绝缘芯线8沿第一倾角和第一扭绞方向以单向扭绞绞合。每条绞合绝缘芯线8包括：第二电导体9和包围第二电导体9并包括第二内半导体层10c(见图2)的第二电保护组件10。提供第二金属屏障11以包围每个第二电保护组件10。

优选地，内半导体层10a、绝缘层10b和外半导体层10c由可挤出聚合物材料制成，诸如聚丙烯、交联聚丙烯(XLPE)、乙丙橡胶(EPR)或(尤其是在绝缘层10b的情况中)例如WO02/03398、WO02/27731、WO04/066317、WO04/066318、WO07/048422和WO08/058572中公开的丙烯基混合物。半导体层6a、6c的材料添加了导电填料，诸如碳黑。内半导体层10a、绝缘层10b和外半导体层10c通过在第二电导体9上挤出聚合物材料而制成。

第一护套12包围三条绞合绝缘芯线8以及第一基层或间隙填充物材料13。第一基层13可由可挤出聚合物材料、纤维状材料或三个预制的具有大体呈三角形的形状的框架制成。

三相电缆3被配置为以20至170kV的电压传送交流电，且当绝缘层由诸如XLPE的聚合物材料制成时，以90℃的最大许可持续导体工作温度传送，或当绝缘层由EPR或诸如丙烯基混合物的热塑性塑料制成时，以100℃或130-140℃的最大许可持续导体工作温度传送。

绞合的三相电缆3、第一绝缘芯线1和第二绝缘芯线2被嵌入第二基层或间隙填充物23。第二基层23可由与列出用于第一基层13的材料相类似的材料制成。

类似于第一护套12的第二护套22包围第二基层23、三相电缆3、第一绝缘芯线1和第二绝缘芯线。

缓冲层31(例如由聚丙烯纱线制成的)包围第二护套22。围绕缓冲带31设置包括至少一层线32的铠装层4。线32沿第三倾角值和第三扭绞方向围绕缓冲带31缠绕。

线32可全部由金属(例如，钢或包含钢的复合材料)制成，或某些由诸如芳族聚酰胺的聚合物材料制成。也可设想线32由金属和复合物材料两者制成。外护套33有利地包围铠装层4。外护套33可由聚丙烯纱线或高密度聚乙烯制成。

水下电缆系统100进一步包括位于第二基层23中的光缆35(在图2中示出)。光缆35包括有利地嵌入阻水材料并被聚合物护套36包围的多条光纤34。光缆35适用于数据传输和/或监视水下电缆系统100的状况。

参考本发明的水下电缆系统的应用的实例，应注意到，它可在水下电缆的任何传统应用中使用，诸如离岸风电场、对岛屿的电力供应、自主电网的连接、海上平台的电力供应，短距离横越(例如跨河流、水道、海峡、峡湾、海湾或湖泊的电力传输)

特别地，本发明的水下电缆系统可在任何直流电力和交流电力需要沿连接电力系统的相同路径传输的情形中使用。应注意到，直流电力和交流电力沿水下电缆系统100的传输可不同步进行，例如以交替的方式。然而，直流电力和交流电力沿水下电缆系统100的同步传输也是可能的。

参考本发明的水下电缆系统的可能的长度值，注意到，考虑传送交流电的三相电缆的电力传输性能，有利地选择最大长度。实际上，申请人注意到，可传输的电能随电缆路线的长度减小。举例来说，水下电缆系统的可行长度低于400Km，优选地低于300Km。

如技术人员所知，在水下电缆设计中，绝缘层的最小要求厚度根据将电缆电场保持在所传送的规定的交流电力可接受的值内计算。申请人已注意到，为了使超过一定距离的可传输的交流电力最大化，可优选地增大绝缘厚度而非内部交流电缆的导体截面。特别地，图3显示了通过软件模拟和描绘获得的第一曲线A、第二曲线B和第三曲线C，举例来说，在66kV的电压下和对于三种不同的绝缘厚度值，交流电传送三相电缆的发送端最大可传输活跃电能P_M(以MW表示)与电缆长度L(以Km表示)的关系曲线。第一曲线A表示的交流传送三相电缆具有相应厚度为12.3mm的绝缘层和相应截面为3×300mm²的的电导体(由铜制成)。第二曲线B表述的交流传送三相电缆具有相应厚度为13.4mm的绝缘层和相应截面为3×240mm²的电导体(由铜制成)。第三曲线表示的交流传送三相电缆具有相应厚度为10.8mm的绝缘层和相应截面为3×400mm²的电导体(由铜制成)。

图3显示，以具有曲线A的电缆为参照，具有曲线B的电缆获得了最优长距离性能(超过300km的长度)(具有相对于具有曲线A的电缆的更大的绝缘厚度和更小的导体截面)，而非具有曲线C的电缆(具有相对于具有曲线A的电缆的更小的绝缘厚度和更大的导体截面)。如果三相电缆的直径被制造成适当地类似于第一和第二绝缘导体的直径，根据特定应用所需，增大绝缘厚度比增大导体直径更有利。

根据实例，本发明的水下电缆系统可设计为通常用以传送直流电力而仅在特定情形中传输交流电力。参考在离岸风电场中的应用，第一绝缘芯线和第二绝缘芯线可被用于传输由多个风力涡轮发电机获取的直流电力，并在直流/交流转换后，向海岸变电站传输。在这一特定情形中，三相电缆可用于起始步骤，例如从海岸变电站供应交流电以启动离岸交流/直流转换器和离岸风电场中的所有必要的辅助系统。交流电力的传输可在起始步骤的结尾停止以允许直流电力通过第一绝缘芯线和第二绝缘芯线从风电场向海岸电站传输。

此外，当第一绝缘芯线和第二绝缘芯线断开时，三相电缆可用于以用于直流电力的方向相同的方向传输交流电力，例如从风电场向海岸电站。当从风电场向海岸传输的电力相对小时，这一操作模式会是便利的，由于更优的能量传输效率或转换器技术限制，该模式会使从直流传输向交流传输的转换便利/必要。

根据另一实施例，当第一绝缘芯线或第二绝缘芯线停用时，三相电缆的绞合绝缘芯线中的至少一条可用于传送直流电力。

由于相较已知的解决方法使制造成本和材料、安装成本、复杂性和占用的安装空间能够减少，本发明的水下电缆系统是特别有利的。此外，本发明的水下电缆为交流和直流电力的传输提供高灵活性。