引言近年来，我国逐渐加大海上油气田勘探开发力度，海上油气田数量日益增加。开采一个完整的海上油气田需建造若干个海上结构物，如固定平台或浮式生产储卸油装置(FPSO)。电缆作为海上油气田开发工程电力系统的重要组成，发挥着输送电能、传递信号、连接设备、衔接平台的重要作用[1-2]。随着海上油气田规模不断扩大，电缆工程用量逐渐加大，电缆状况直接影响生产效率。海洋环境比陆地环境更加恶劣，电缆经常处于潮湿、盐雾、油雾的环境中，维持电缆安全可靠面临挑战。为了确保电缆长期稳定运行，电缆选型符合经济适用原则，结合海上油气田开发工程，从电缆规格选型、电缆截面积选择、电缆电压降计算共3个方面展开电缆选型设计相关工作。1电缆规格选型1.1电缆结构电缆主要由一根或多根带有绝缘层的导体以及防护套组成，典型电缆结构截面如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.014.F001图1典型电缆结构截面导体是电缆的核心构件，承担载流和传输信号的重任，海洋工程广泛采用铜导体电缆，因为铜具备较好的导电性、耐腐蚀性及机械强度；绝缘层是隔绝导体与外界环境的绝缘材料，海上平台多选择乙丙橡胶(EPR)和交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆；屏蔽层是避免导体与绝缘层、绝缘层与铜带之间不良好接触造成局部放电的半导体材料，铜带充当金属屏蔽层，起接地保护和抑制内外电磁干扰的作用[3]；铠装是编织在内护套外围的网状合金，以防电缆在敷设过程中被外力损伤，如带有镀锌钢丝铠装的海底电缆；内外护套是电缆的保护层，有效延长了电缆使用寿命，海洋油气田开发领域一般使用聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)护套电缆。1.2电缆类型海上油气田开发工程中，电缆类型众多。按照导体数量，电缆可分为单芯电缆、双芯电缆、三芯电缆、多芯电缆；按照用途，电缆可分为动力电缆、控制电缆、复合电缆，复合电缆内部包含动力电缆和控制电缆；按照电压等级，电缆可分为高压电缆、中压电缆、低压电缆；按照燃烧特性，电缆可分为阻燃(HOFR)电缆、耐火(FS)电缆，通常情况下，HOFR电缆适用于中高压系统，FS电缆适用于消防和应急系统，低烟、无卤型HOFR或FS电缆适用于海上平台生活区。电缆规格选型作为电缆选型设计的前期环节，应充分考虑电缆用途、电压等级、燃烧特性、电缆构造、敷设位置、环境条件等要求。2电缆截面积选择电缆选型设计的关键是电缆截面积选择，会直接影响电缆的实际运行和工程经济成本。电缆截面积指电缆内部导体的截面积，并非整个电缆结构的截面积。电缆截面积选用偏小，会导致电缆载流量不足以承担线路最大负载电流；电缆截面积选用偏大，会造成浪费，不符合经济适用原则。电缆截面积选择的方法是通过计算线路中用电设备的额定电流，将得到的额定电流与电缆载流量进行比较，不小于并最接近额定电流的载流量所对应的截面积为目标截面积。单个三相交流用电设备的额定电流I为：I=KP/3Ucosφη (1)式中：I——额定电流，A；K——负载系数，估算最大负载电流，K取1；P——额定功率，kW；U——额定电压，kV；cosφ为功率因数；η——额定效率。针对以电动机为主的用电回路，根据《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613—2020）和《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》（GB 30254—2013）中关于电动机能效限定值及能效等级相关内容[4-5]，结合常用电动机功率因数，电动机功率因数和效率取值如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.014.T001表1电动机功率因数和效率取值额定功率/kW效率功率因数额定功率/kW效率功率因数0.750.8250.7955.000.9460.881.100.8410.8175.000.9500.881.500.8530.8190.000.9520.882.200.8670.82110.000.9540.883.000.8770.82132.000.9560.884.000.8860.83160.000.9580.885.500.8960.84200.000.9600.887.500.9040.84250.000.9600.8811.000.9140.85400.000.9400.8615.000.9210.86450.000.9440.8718.500.9260.86500.000.9450.8722.000.9300.86560.000.9470.8730.000.9360.87630.000.9490.8737.000.9390.87710.000.9540.8745.000.9420.87800.000.9550.87对于其他用电回路，如电加热器回路、馈线回路、电潜泵(ESP)回路等，cosφ和η可以根据实际经验取值。参考文献[6]的电力负荷计算方法，多个交流用电设备总负载电流I'为：I'=∑Ic+max[Ki∑Ii,maxIi]+max[Kb∑Ib,maxIb] (2)式中：Ic——连续负载的额定电流，A；Ki——间断负载的同时工作系数；Ii——间断负载的额定电流，A；Kb——备用负载的同时工作系数；Ib——备用负载的额定电流，A。同时工作系数在设计阶段无法精确计算，按照工程用电设备实况，Ki一般取0.4，Kb一般取0.1。不同芯数、截面积、绝缘材料对应的电缆载流量不同。参考文献[7]的电缆载流量计算方法，对电缆载流量进行修正计算，设备连续工作（连续负载）条件下，电缆载流量I0为：I0=KcαS0.625×Kt×Kl (3)式中：I0——电缆载流量，A；Kc——芯数修正系数，单芯时Kc取1.00，双芯时Kc取0.85，三芯时Kc取0.70；α——绝缘材料系数，导体最高工作温度为85 ℃的EPR或XLPE绝缘电缆的α取16；S——电缆截面积，mm2；Kt——环境温度修正系数，其取值与绝缘材料和环境温度有关，按照《Electrical installations in ships-Part 352: Choice and installation of electrical cables》（IEC 60092—352—2005）规定，环境温度为45 ℃时，Kt取1；Kl——电缆成束敷设修正系数，海上油气田采用多根（6根以上）电缆成束敷设于托架方式，按照CCS相关规定，Kl取0.85。设备非连续工作（间断负载）条件下，电缆载流量的计算应在上述基础上进行修正，文中不深入探讨。根据式(3)计算，导体最高工作温度为85 ℃的EPR或XLPE绝缘电缆连续工作时的载流量（环境温度45 ℃）如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.014.T002表2导体最高工作温度为85 ℃的EPR或XLPE绝缘电缆连续工作时的载流量（环境温度45℃）电缆规格（芯数×S）敷设系数温度系数载流量/A电缆规格（芯数×S）敷设系数温度系数载流量/A3C×1.50.851123C×150.00.8512183C×2.50.851173C×185.00.8512473C×4.00.851232（3C×70.0）0.8512693C×6.00.851292（3C×95.0）0.8513283C×10.00.851402（3C×120.0）0.8513813C×16.00.851542（3C×150.0）0.8514353C×25.00.851713（3C×95.0）0.8514923C×35.00.851873（3C×120.0）0.8515713C×50.00.8511073（3C×150.0）0.8516533C×70.00.8511344（3C×120.0）0.8517623C×95.00.8511644（3C×150.0）0.8518703C×120.00.8511905（3C×150.0）0.8511 0883电缆电压降计算经过电缆规格选型和电缆截面积选择，电缆选型设计已完成大部分工作，但设计后期还应进行电缆电压降计算。由于电缆线路存在阻抗，电流通过线路时，线路两端势必产生电压差，被称为电缆电压降[8]。电缆电压降过大，使电力系统供电质量变差，电压额度难以满足用电设备需求。根据CCS相关规定，汇流排到用电设备点的电压降不得超过额定电压的6%，工程实际线路的电压损失一般按不超过5%为原则。三相交流三线制回路的线电压损失∆u为：∆u=3I1 000Ul(R0cosφ+X0sinφ)×100% (4)式中：I——负载电流，A；U——线电压，kV；l——电缆线路长度，km；R0、X0 ——线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km；cosφ——功率因数。若忽略电缆电抗，并且R0未知，线电压损失∆u为：∆u=3I1 000U×lSγcosφ×100% (5)式中：S——导体截面积，mm2；γ——导体电导率，S/m，与导体材料和温度有关。电缆电压降计算主要针对长距离、大容量用电设备，通过分析式(5)可知，如果线路的电压损失超过允许范围，可以采取提高线路电压等级或增大电缆截面积的方式。4结语从电缆规格选型、电缆截面积选择、电缆电压降计算共3个方面进行海上油气田开发工程电缆选型设计。针对电缆规格选型，着重讨论工程中常见的电缆结构及类型，此部分设计应充分考虑用途、防火、敷设等要求；针对电缆截面积选择，明确与额定电流相匹配的载流量对应的截面积为目标截面积，借鉴设计文件和相关规范，概括推导单个设备额定电流、多个设备总负载电流以及电缆载流量的计算方法；针对电缆电压降计算，理论分析电缆线路的电压降超过允许范围时需采取的措施。电缆选型设计过程中，仅考虑电缆的正常工况，并未考虑电缆的短路容量，后续将结合电力系统的短路电流计算，进一步完善设计工作。