海底电缆的分类与对比：交流海底电缆与直流海底电缆

交流海底电缆与直流海底电缆在电力系统中都获得了广泛应用，直流海底电缆在发展中吸取了交流海底电缆的成熟经验，在结构上与交流海底电缆有很多相同之处，但是二者还是存在显著差异，主要体现在以下三个方面。

（1）柔性直流海底电缆输电过程。以海上风力发电系统为例，风力发电机发出电能，并经集电系统与升压站二次抬升后进行汇集，然后接入海上柔直换流站。海上柔直换流站将交流电转变为直流电后，再通过高压直流海底电缆将电能输送至陆上换流站，最后陆上换流站将直流电重新转变为交流电以后接入交流电网。

（2）高压交流海底电缆输电过程。以海上风力发电场景为例，风力发电机借助风能驱动发电机转动发出电能，在机舱或基座内通过变压器将电压抬升，然后经集电系统和海上升压站将电压二次抬升，再将电能通过高压交流海底电缆输送至陆上变电站。

高压交流电缆可传输有功功率随距离的增加而减少，因此高压交流电缆输送方式不适合大规模、长距离的海上风电送出；而柔性直流输电不存在电容充电电流的问题，输送能力基本不受线路长度的限制，对于远距离、大容量海上风电场送出，采用柔性直流海底电缆输电是更优的方案。

交流海底电缆与直流海底电缆绝缘材料的差异主要体现在三个方面：

（1）空间电荷积累。交流电缆在运行时由于绝缘层两端的电压极性不断发生改变，因此并不会出现空间电荷的积累问题；而直流电缆绝缘层主要承受直流电压，电缆在运行时由于电压极性不变，因此可能存在空间电荷的积累。电缆绝缘层中的空间电荷积累会造成介质内局部电场的畸变，进而引起局部放电和介质击穿，特别在强电场作用下空间电荷的积聚会加速聚合物电介质的老化过程。

（2）电场分布不同。当电缆的绝缘材料承受工频交流电压时，它的电场强度根据介电常数成反比分配；而当绝缘材料承受直流电压时，它的电场强度根据绝缘电阻率成正比分配。以油浸纸绝缘材料为例，在交流作用下，具有较低击穿强度的油膜需要承受较高的场强；而在直流电压作用下，具有较低击穿强度的油膜则只承受较低的场强。

在交流电压作用下，电缆绝缘层中的电场分布几乎不受温度的影响；而在直流电压作用下，绝缘电阻率一般随温度呈指数式变化，温度的改变，将使电场分布相应改变，这就使得直流电缆绝缘层中的电场分布比交流电缆要复杂得多。交、直流海底电缆电场分布对比如下图所示。

（3）击穿强度不同。在长期工频交流电压作用下，由于绝缘材料内部发生局部放电，绝缘击穿强度随电压作用时间增长而显著下降；而在直流电压作用下，局部放电问题相对较小，故电缆绝缘的直流击穿强度较高，绝缘击穿强度随电压作用时间增加而下降的趋势不如在工频交流电压作用下那样显著。

不同绝缘类型的电缆在交、直流电压下运行时允许的平均电场强度可参照表1-1。

从表1-1可知，对于聚合物绝缘电缆、充油电缆，直流工作电压大致是交流有效工作电压的2倍；而对于油浸纸绝缘电缆，直流工作电压大致是交流有效工作电压的2.5倍。

总的来说，直流电缆的前期投入更大，但相比于交流电缆，直流电缆为正负两极，结构简单，所以安装、维护简单，费用较低；交流电缆一般为三芯，绝缘安全要求高，结构较复杂，所以安装、维护费用很高，因此交流电缆安装和维护成本是直流电缆的3倍多。据估算，当输电线路长度大于80km时，直流输电成本将低于交流输电成本。

以1GW容量、100km长度输电项目为例，采用直流海底电缆方案，仅需两根±535kV、1200mm²的直流海底电缆，采用交流方案，需三根 500kV、1800mm²交流海底电缆；直流海底电缆质量低于交流海底电缆，100km单根相差2000t，相同载重量的船能够敷设更长的直流海底电缆。而且直流海底电缆比交流海底电缆少一根，以120万元/km计算敷设费用，100km能够节省1.2亿元的敷设费用。

在运行过程中，直流输电线路损耗更小。交流输电线路存在感抗和容抗，这些会引起线路中的无功损耗；另外，交流输电线路存在集肤效应，而直流输电线路不存在集肤效应，导线截面积利用率更高。

虽然在同等容量下，目前换流站等柔直输电设备的造价还是高于交流变压设备，但是未来随着技术的不断进步，柔直设备造价有望持续降低，交、直流输电的等价距离将逐渐缩短。随着海上风电向深远海发展，柔性直流输电送出则是更优选择。