摘要：介绍了国内外电网互联海底电缆输电工程的现状，对各区域跨海联网工程发展趋势，以及典型工程的海底电缆保护方式进行了归纳总结。基于海底电缆工程采用输电电压方式，提出了直流输电用于海缆工程的优点与固有缺陷，以及VSC HVDC应用于海缆工程的优势。
关键词：国内外电网；海底电缆输电；跨海工程；柔性直流输电
海底电缆输电工程是跨海域联网工程建设的重要组成部分。在实现电网国际化、区域电网互联进程中，具有重要意义。近年来，随着国内外输变电技术的发展，在经济一体化、能源优化配置、减少环境影响等因素的推动下，跨海域输电技术、海底电缆制造技术、海底电缆工程技术不断向前发展。
海底电缆工程的建设，受地域建设、海洋工程、施工设备等条件的限制，工程建设涉及技术领域广泛，投资规模较大，施工技术复杂。工程建设期间分为两个阶段，施工前期工作主要涉及工程设计、海缆路由选择、海缆制造及运输，工程施工期间则主要包含海缆路由定位、海缆敷设、海缆保护、陆地设备安装、检测与调试、工程验收。
海底电缆输电工程的应用领域主要有区域电网跨海域互联、向海洋孤岛及石油钻探平台供电、输送海上再生能源的发电并网。随着国内外能源资源优化利用、提高供电可靠性、区域电量交换等趋势的影响，海底电缆工程建设将进一步得到发展。
一、国内外海底电缆输电工程现状
1.欧洲地区
欧洲电网主要由欧洲大陆电网及欧洲输电联盟（UCTE）、北欧电网及北欧输电协会（NORDEL）组成。欧洲电网所覆盖的国家国土面积普遍较小，工业高度发达，用电负荷密度大，电网结构密集[1]。因而，欧洲各国电网迫切需要实施电能结构的优化配置，以实现电源结构的互补和电量交换。目前欧洲地区是世界上海底电缆工程建设项目最多、建设规模最大的区域，海缆总长度约为10173km，设计交换容量约为22430MW。
（1）北欧地区。北欧电网由于发电量构成不均衡，如挪威的总装机容量中，水电占95.73%[2]，而丹麦则是以火电为主。为此，各国电网通过海底电缆工程联网，实现了能源优化配置、降低发电成本、减少备用容量的目的，同时获得了联网运行的经济效益。
北欧电网，自上世纪90年代以来，各国家电网互联的海底电缆工程项目主要有挪威至丹麦、丹麦至瑞典、丹麦至德国、芬兰至瑞典1.2期，瑞典至波兰、挪威至荷兰等。工程均采用直流电压±400kV-±500kV联网，海缆总长度约2140km，设计容量5670MW。海缆跨越的海域有：波罗的海、斯卡克拉克海峡、卡特加特海峡、波的尼亚湾和北海。2008年9月，费达（挪威）至伊姆斯劳（荷兰），直流±450kV海底电缆工程投入商业运行，该工程海缆跨越北海长度580km，海缆路由最大水深410m。
（2）波罗的海沿岸地区。波罗的海沿岸地区电网，由北欧输电协会（NORDEL）成员国组成。发电量构成情况为：水电54%、核电21.8%、火电21.7%、风电7.4%[2]，各国已实现通过海底电缆输电进行电量交换。
主要的海底电缆输电工程项目有：瑞典至德国、芬兰至爱沙尼亚1.2期、丹麦本土至西兰岛、瑞典至立陶宛。工程均采用直流电压±300kV-±450kV联网，海缆总长度约为958km，设计容量2900MW。海缆跨越波罗的海、芬兰湾、大贝尔特海峡。正在建设中的瑞典至立陶宛海底电缆输电工程，设计输送容量700MW，采用直流电压±500kV联网，海缆跨越波罗的海长度为400km，工程将于2015年投入商业运行。
（3）欧洲大陆地区。欧洲大陆电网及欧洲输电联盟（VCTE），包括24个国家和地区的29个电网运营商，供电人口约5亿。各成员国交换电量约3041亿kw?h[3]。
欧洲大陆电网的海底电缆输电工程，主要由VCTE成员国之间跨海联网，并跨越北海与北欧电网互联。其中主要海底电缆工程项目有：英法连线通过8回直流电压±270kV互联、英国至荷兰、爱尔兰至英国、挪威至德国。
挪威至夏萨克森（德国）海底电缆输电工程，已完成可行性研究和设计，进入工程实质性的海缆制造阶段，工程将于2015年投入运行。挪威至斯比尔特（德国）海底电缆输电工程，采用高压直流输电技术（HVDC）联网，计划将于2017年投入运行。这两项工程设计容量均为1400MW。海缆均跨越北海600km，海缆路由最大水深410m。
（4）地中海沿岸地区。欧洲大陆地中海沿岸地区，海底电缆输电工程建设项目有：意大利至法国、意大利至希腊、意大利本土至撒丁岛、西班牙本土至马略卡岛的电网互联。工程均采用直流电压±250kV-±500kV联网，设计输送容量2100MW。海缆跨越伊特鲁利亚海、亚得里亚海、巴利阿里海峡。
意大利本土至撒丁岛，为2回直流电压±500kV，采用背靠背型式互联，输送容量1000MW。海缆跨越伊特鲁利亚海，长度为420km，海缆路由最大水深1600m。
（5）欧洲与北非地区。欧洲与北非电网的海缆工程建设项目有：西班牙至摩洛哥1.2期、埃及至约旦1期、西班牙至阿尔及利亚、意大利至阿尔及利亚、意大利至突尼斯电网互联。其中，西班牙至阿尔及利亚联网工程，采用直流电压±400kV联网，其他工程均采用交流电压400kV-500kV联网。海缆跨越直布罗佗海峡、红海阿尔斯湾、地中海。
2011年投入运行的意大利至突尼斯联网工程，采用交流电压500kV，设计输送容量600MW。海缆跨越地中海长度为200km，海缆路由最大水深670m。
2.海湾阿拉伯地区
海湾阿拉伯地区的电网互联，以海湾合作委员会（GCC）成员国组成。海湾合作委员会互联电网管理局（GCCIA），由七个国家电网互联。
海缆工程建设项目有：正在建设的沙特阿拉伯至埃及海底电缆输电工程1期。将于2012年投入运行，2期工程已进入实质性的海缆制造阶段，预计2015年投入运行。工程均采用直流电压±400kV-±500kV联网，设计容量1500MW，海缆跨越红海海峡。
3.亚洲地区
亚洲地区各国电网受地理条件的限制，目前尚未形成各国之间以海底电缆输电工程互联。但是在各国本土向岛屿供电、各国电网区域互联、陆地向石油钻探平台供电，其海底电缆输电工程发展趋势较快。
亚洲地区各国海底电缆工程建设项目有：日本本土北海道至本州，韩国本土南海郡至济洲岛、菲律宾本土华特岛至吕宋岛、日本本州至四国、中国本土广东至海南、台湾陆地至澎湖列岛。亚洲地区各国海缆工程设计输送容量为4640MW。海缆跨越津轻海峡、济洲海峡、圣贝纳迪诺海峡、纪伊海峡、琼州海峡、台湾海峡。
日本本州至四国联网工程，以4回直流电压±500kV背靠背型式联网，设计输送容量2800MW。中国广东至海南交流500kV联网工程，设计输送容量600MW。均属亚洲海底电缆输电工程首创项目。
4.北美地区
北美联合电网，由美国东部、西部电网和德克萨斯电网、加拿大魁北克电网组成。北美联合电网与墨西哥电网互联。美国本土东部、西部电网通过直流背靠背联网运行。美国东部电网与加拿大魁北克电网互联。
北美联合电网各区域，跨海域联网工程均为国家本土区域电网的互联。其中，1984年投入运行的加拿大本土与温哥华岛，以2回交流电压525kV联网。美国本土纽黑文至长岛、美国本土塞尔维尔至莱维顿（美国海王星工程）、美国本土圣佛?西斯克至匹兹堡。正在建设中的加拿大温哥华维多利亚岛至美国安吉利斯、加拿大蒙特利尔至美国纽约，均采用电压±230kV-±550kV联网。北美联合电网海底电缆输电工程共有14个项目分别跨越佐治亚海峡、马拉斯皮纳海峡、长岛海峡、大西洋、胡安德富卡海峡、张伯伦湖与哈德逊河。设计输送容量5762MW，海缆长度1718km。其中美国海王星工程采用直流电压±500kV联网，海缆路由最大水深2600m。
5.澳洲地区
澳洲地区海底电缆输电工程，均为国家本土区域电网互联。其中新西兰本土南岛与北岛电网互联工程、澳大利亚本土与塔斯马尼亚岛联网工程，均采用直流电压±250kV-±400kV联网，设计输送容量1600MW。海缆跨越库克海峡、巴斯海峡。
新西兰本土北岛黑瓦兹至南岛班摩尔，采用柔性直流输电技术（HVDC）联网，输送容量500MW。
二、海底电缆输电工程发展趋势及典型工程保护方式
在各区域海底电缆输电工程中，据不完全统计，以交流电压输电方式的工程有13个项目，其中电压等级500kV及以上工程有5个项目。资料显示，在近年来投入运行的500kV交流海底电缆输电工程仅2个项目，其他交流输电方式工程项目，均为上世纪九十年代前投运工程。以直流电压输电方式的工程有63项，其中高压直流输电（HVDC）8个项目（包括正在建设和规划项目）[4]。
海底电缆输电工程项目中，挪威至荷兰海底电缆输电工程，跨海域长度580km。美国塞尔威尔至莱维顿海底电缆敷设于最大水深2600m。这些目前海缆项目之最的工程，均采用直流输电方式。显示了直流海底电缆输电工程发展的优势与倾向性。
1.各区域海缆工程主要指标
据不完全统计，各区域海底电缆工程指标汇总表，见表1。
2.典型工程海缆保护方式
海底电缆敷设于海床后，为抵御锚害、拖网等外力的冲击破坏，同时为了防止在海流的作用下长期疲劳运动，造成海缆机械性损伤，则必须对海缆进行稳固保护工程。海底电缆工程建设中，对海缆进行保护是重要的工程建设范围之一[5]。
目前，世界各区域电网跨海域互联工程，海底电缆保护最常见的措施主要有：近岸段浅水区采用水泥沙浆袋保护；渔业活动频繁水域，水深20米以内采用少量铁套管保护；水深20米以上，采用水力机械式冲埋保护；海缆悬空段采用抛石保护。
各国典型工程海缆保护方式，见表2。
三、海底电缆输电方式的选择及倾向性
在海底电缆输电工程发展建设中，近10年来，随着直流输电技术的进步，选择直流电压输电方式以实现跨海域电网互联，已逐步被各国电力建设认同。直流电压输电在跨海域电网互联工程建设中，具有明确的优势和固有的缺陷。因此，在海缆工程建设前期应做出明确的可行性分析与技术经济比较。
1.海底电缆直流输电工程的优势与缺陷
基于海底电缆输电工程建设在海洋工程施工中的难度，在各国区域电网互联跨海域工程建设中，尽可能减少海洋施工作业量，已形成海缆工程建设的基本共识。
海缆直流输电方式的优势表现在：1）减少海缆工程施工量1/3，海缆路由占用海底空间少1/2。2）以海水做接地极回路时，节省陆地接地极投资。3）可实现隔离海域两端系统故障，避免互联电网大面积停电。4）海缆输送容量大、损耗小，海水散热快，海缆绝缘热老化损坏程度降低。
海缆直流输电方式固有的缺陷则表现为：1）海域两端换流设备投资大，电能损耗大。2）换流站需40%～60%无功补偿容量。3）产生谐波电流，对海底通讯设备干扰。4）单极运行时，对海底设备产生电腐蚀。
2.海底电缆柔性直流输电技术的应用
随着电力电子器件控制技术的突破，直流换流站IGBI、IGCT等原件构成电压源型换流技术、可控关断器件和脉宽调制技术（PWM）的应用，以及瞬间实现有功和无功的控制，并可向无源网络供电等柔性直流输电的优势。同时，柔性直流输电技术应用于海底电缆输电工程，克服了传统直流输电工程固有的缺陷[6]。使得在海底电缆输电工程项目中，具备了更为广泛的应用空间和优选条件。
基于海底电缆工程，一般跨海域互联相对距离较短。从我国跨海域输电工程地域条件和必要性考虑，预计在中、短期不会出现大规模、长距离跨国电网互联的海底电缆工程建设。但是，从海洋可再生能源开发利用的发电并网、风电分布式发电并网、向近海孤岛供电、内海异步交流电源并网、对石油钻探平台供电、海南联网2期工程等项目发展建设上[6]，柔性直流输电技术应用于海底电缆输电工程将会得到进一步发展。
四、结语
在世界各区域实现电网互联建设中，海底电缆输电工程跨海域联网建设的实施，使得各国在电网互联中获得了能源优化配置、提高供电可靠性，减少备用容量等方面的经济效益。以直流输电技术实现跨海域电网互联，已成为世界各国海底电缆输电工程建设的主流。
随着柔性直流输电技术的发展，在进一步克服了传统直流输电所固有的缺陷同时，使得应用于海底电缆输电工程建设，在海洋可生能源开发利用以及发展智能电网技术，以实现资源大范围优势互补，具备了更为广泛的空间和优势条件。
参考文献：
[1]宋卫东.世界跨国互联电网现状及发展趋势[J].电力技术经济,2009,(5).
[2]王裕霜.世界各国区域电网互联海底电缆工程现状及发展趋势调研报告[R],海缆项目部,2011.
[3]王裕霜.500kV海底电缆浅滩套管保护工程实践与思考[J]. 南方电网技术,2011,(2).
[4]张东辉,冯晓东,孙景强,等.柔性直流输电应用于南方电网的研究[J].南方电网技术,2011,(2).
[5]NORDEL. Nordel Annual report 2007[R].Oslo,2008.
[6]VCTE. Vcte Annual report 2007[R].Oslo,2007.
（责任编辑：熊怡）