高壓海底電力電纜鎧裝的設(shè)計和選型

龔永超， 何旭濤， 孫建生， 徐曉峰， 李春剛， 夏俊峰

(1.舟山啟明電力設(shè)計院有限公司，浙江舟山316021;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

從19世紀(jì)開始，海底電力電纜的使用已經(jīng)有一百多年的歷史，而且在最近的幾十年得到更廣泛的應(yīng)用。早期海底電力電纜主要用于向孤立的近海設(shè)備如燈塔、醫(yī)療船等供電。隨后，向近岸的海島供電成為海底電力電纜的主要應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了采用海底電纜的獨立電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。現(xiàn)今，近海設(shè)備間的聯(lián)結(jié)問題又重新成為高壓海底電纜的新應(yīng)用。例如，將海上風(fēng)電場的綠色電能送至岸上電網(wǎng)，向石油和天然氣等海上生產(chǎn)平臺供電［1］。

1 鎧裝結(jié)構(gòu)

海底電纜的結(jié)構(gòu)一般分為導(dǎo)體、絕緣、金屬護層(通常為鉛套)、塑料內(nèi)護層、鎧裝和外被層。

海底電力電纜的鎧裝由金屬線沿電纜按一定的絞合節(jié)距絞制而成。

高壓海底電纜的鎧裝絲一般有:粗圓鋼絲、扁銅線、扁鋼線、雙粗圓鋼絲和雙扁銅線。圓鎧裝鋼絲直徑一般為 4.0、5.0、6.0、8.0 mm，扁銅線或扁鋼線厚度一般為 2.0、2.5、3.0 mm，也可以采用其它直徑和厚度［2］。

對于單芯電纜，推薦采用扁銅線鎧裝［2］。金屬線鎧裝應(yīng)很緊密，必要時，可在扁金屬線鎧裝和圓金屬絲鎧裝外疏繞金屬帶。

美國標(biāo)準(zhǔn)ICEA No.S-57-401規(guī)定了紙絕緣海纜鎧裝單線的直徑要求［3］，見表1。

表1 鎧裝單線的直徑

2 鎧裝設(shè)計

鎧裝是海底電纜至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)元件，主要提供了機械保護和張力的穩(wěn)定性，同時還要考慮鎧裝損耗及對電纜載流量的要求。

海纜在安裝過程中經(jīng)受張力的作用，張力不僅來自懸掛海纜的重量，還包括敷設(shè)船垂直運動產(chǎn)生的附加動態(tài)力。安裝過程中的合力常常遠(yuǎn)大于海纜垂至海底的靜態(tài)受力。鎧裝還須提供足夠的機械保護，防止安裝機具、漁具和錨具帶來的外部威脅。

此外，重要的是，對于高壓海底電力電纜，一般是單芯結(jié)構(gòu)。在海纜運行時，除了兩端直接接地的環(huán)流損耗外，如果采用了磁性金屬作為鎧裝材料，還會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，數(shù)量級與導(dǎo)體電流產(chǎn)生的損耗相當(dāng)，甚至超過。電纜損耗也是海纜鎧裝設(shè)計的重要考慮方面。

對于每個海纜工程，應(yīng)根據(jù)海纜規(guī)劃路由中每個區(qū)域的張力、外部危害形式以及電纜的輸送容量要求進行鎧裝設(shè)計。

3 選型要求

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)材料

海纜鎧裝的主要材料有粗圓鋼線和扁銅線。不過，銅線的成本很高。

與圓線相比，扁線在電纜外徑較小的情況下有相同的鎧裝截面，節(jié)省了材料以及敷設(shè)船的空間，但成本高于圓單線。早期的鎧裝還采用相互緊扣的開槽異形型線。

對于張力要求不高的淺水敷設(shè)情況，可采用疏繞的單絲鎧裝。鋼絲的間隙可以是敞開的，也可以用塑料、麻繩或類似的填充繩填充。這種鎧裝不僅可以減輕重量，對于交流電纜來說，還可以減少磁滯損耗。

鎧裝還可以采用更具防腐性的金屬，如銅、青銅和黃銅線。但是，鋁鎧裝不能用在海底電纜。1970年美國長島的海纜采用了成分為鋁-鎂-硅的“Aldrey”合金，結(jié)果遭受了嚴(yán)重的海水腐蝕［4］。

現(xiàn)在還可采用芳綸纖維(Kevlar)來作為鎧裝。自上世紀(jì)70年代以來，輕型的芳綸纖維已經(jīng)用于近海工業(yè)中特殊海纜，但這些纖維制成的繩或線對于側(cè)面碰撞(如錨、漁具的沖擊)的保護作用很小。2000年，這種電纜敷設(shè)在日本沖繩的兩個島嶼之間［5］。由于它的蠕變特性，芳綸纖維不適用于承受持續(xù)載荷的海纜。

(2)節(jié)距

海底電力電纜的鎧裝由金屬線沿電纜按一定的絞合節(jié)距絞制而成。節(jié)距，即鎧裝單線沿電纜旋轉(zhuǎn)一周前進的距離，為鎧裝層下電纜直徑的10～30倍。

要根據(jù)預(yù)計的張力、導(dǎo)體的張力穩(wěn)定性和電纜的抗扭要求及其安裝條件優(yōu)化鎧裝節(jié)距。

(3)結(jié)構(gòu)

在淺水水域，細(xì)鋼絲鎧裝就足以滿足張力要求，能通過CIGRE導(dǎo)則規(guī)定的張力彎曲試驗［6］。

對于深水敷設(shè)的海底電力電纜，應(yīng)設(shè)計雙層反向絞合的鎧裝層。與單層鎧裝比較，雙層鎧裝為抵御外力提供了更強的保護。當(dāng)兩層鎧裝的絞向不同，就能夠阻止錨、埋設(shè)犁、巖石等帶來的銳邊刺入。

在需要防止巖石、墜落物和拖曳設(shè)備(如漁具)的外部傷害時，可以設(shè)計采用一種特殊鎧裝層組合，它包含小節(jié)距單線絞合的外層以及大節(jié)距絞合的內(nèi)層。外層小節(jié)距的鎧裝層并不增加抗張強度，但會顯著提高電纜的抗壓性能。

對于那些沒有必要采用重型鎧裝進行附加防護的情況，可用塑料填充條替代部分鋼絲。這就減小了海纜的重量和磁損耗并節(jié)省了成本。

(4)防腐蝕

鎧裝單線一般采用鍍鋅鋼絲。鍍鋅層的厚度為50 μm或更大，它對鋼絲起主要的防腐保護作用。其次的保護措施是在制造過程中涂覆熱瀝青。在安裝或運行過程中，裸露的海纜會受到含沙水流的沖擊，瀝青層會腐蝕剝落。在瀝青層受損部位，鍍鋅層接替起到防腐保護作用。

還可以選用在鎧裝單絲外擠包聚合物護套作為防腐保護，可以避免單線與海水的直接接觸。這種方法可以省去瀝青層，在海上風(fēng)電場的海纜上已經(jīng)采用過這種設(shè)計。但當(dāng)海纜受損，擠包護套可能會起到有害的作用，在單線中的局部電化學(xué)電流會產(chǎn)生電腐蝕。

3.2 電纜損耗

在多數(shù)情況下，鎧裝單線采用的低碳鋼為磁性材料，使磁場集中在導(dǎo)體總圍，并在交流海纜中產(chǎn)生不必要的損耗和額外熱量。在單芯交流海纜中，鋼絲鎧裝中的損耗導(dǎo)致載流量會有實質(zhì)性的降低。

可以采取一些策略，減少這些損耗:

(1)采用非磁性材料作為鎧裝，如青銅、黃銅、銅或鋁。銅是一種昂貴的選擇，鋁更為便宜，但它容易受到海水的腐蝕。由銅絲絞合的鎧裝結(jié)合了低電阻率和高耐腐蝕性，但機械強度低于鋼絲鎧裝。硬拉銅線的機械強度較高，但其導(dǎo)電率低于退火銅。上世紀(jì)80年代，英屬哥倫比亞和溫哥華島之間的500 kV交流海纜上，已經(jīng)采用了雙層反向絞合的扁銅線作為鎧裝。

(2)使用減少磁感應(yīng)的鎧裝結(jié)構(gòu)。單芯交流海纜使用截面很大的銅屏蔽層，且屏蔽層在電纜兩端牢固接地。由此產(chǎn)生了與導(dǎo)體電流相當(dāng)?shù)钠帘坞娏?。在鎧裝層下，兩種電流方向相反，磁場基本抵消，磁損耗幾乎完全消失，但銅屏蔽需要具有與導(dǎo)體同樣的截面積，屏蔽中的損耗會大大增加。對于雙層反向絞合的鎧裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)層可采用銅絲鎧裝，外層采用鋼絲，這樣能夠為單芯交流電纜組成低損耗、高強度的鎧裝。

也有人認(rèn)為，在鋼絲中采用隔磁設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)，即在圓周方向使用幾根銅絲來隔開鎧裝鋼絲的磁回路，就能提高鋼絲鎧裝的交流單芯電纜的載流量。實踐證明［7］，這種結(jié)構(gòu)不能有效降低磁損耗，對載流量的提高幾乎沒有作用。

還有一種設(shè)計是采用昂貴的不銹鋼絲作為鎧裝單絲，認(rèn)為是低損耗的非磁性鎧裝。但是，不銹鋼絲電阻率遠(yuǎn)大于普通鍍鋅鋼絲，用作單芯海纜鎧裝時，由于海纜兩端互聯(lián)接地后產(chǎn)生了巨大環(huán)流，從而引起很大的損耗，因此，采用不銹鋼絲作為海纜鎧裝，不僅增加投資，而且也不能有效提高海纜的輸送容量，是不太可行的。在接下來的算例中，具體對不銹鋼絲鎧裝海纜的損耗進行計算和對比。

4 不銹鋼絲與鎧裝鋼絲鎧裝損耗的算例

選擇額定電壓64/110 kV、單芯、銅導(dǎo)體標(biāo)稱截面積400 mm2、交聯(lián)聚乙烯絕緣、分相鉛套、雙層粗圓鋼絲鎧裝聚丙烯纖維被覆的海底電纜作為計算對象。高壓海底電纜一般是單芯、相距40 mm敷設(shè)，兩端金屬套和鎧裝均接地。

依據(jù)IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)［8］，海纜載流量的計算公式如下:

式中，I為電纜載流量;Δθ為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升;R為工作溫度下導(dǎo)體單位長度的交流電阻;Wd為絕緣介質(zhì)損耗;T1為導(dǎo)體和金屬套之間熱阻;T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層熱阻;T3為電纜外護層熱阻;T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間熱阻;n為電纜根數(shù);λ1為電纜金屬套損耗相對于導(dǎo)體損耗的比率;λ2為電纜鎧裝損耗相對于導(dǎo)體損耗的比率。

對于只有鎧裝材料不同的海纜的載流量，除了鎧裝損耗λ2不同外，其余參數(shù)均相同。因此，主要計算比較λ2。

鎧裝損耗λ2包括環(huán)流損耗(λ'2)和渦流損耗(λ″2)，因此總損耗為:

環(huán)流損耗λ'2與鎧裝層總電阻密切相關(guān)。渦流損耗λ″2不僅與鎧裝材料的電阻率有關(guān)，還與節(jié)距和單線之間的接觸點有關(guān)。鋼絲鎧裝的渦流損耗λ″2特別大，因為磁性材料吸引和集中了磁場感應(yīng)。

表2為常用金屬的電阻率和溫度系數(shù)［9］。從表2可知，不銹鋼的電阻率達(dá)到了鋼電阻率的5倍。通過計算可知，會大大增加環(huán)流損耗。

表2 常用金屬20℃電阻率和溫度系數(shù)

4.1 不銹鋼絲鎧裝

不銹鋼絲鎧裝損耗λ2的計算如下:

環(huán)流損耗λ'2:鎧裝的損耗和金屬套損耗合并在一起計算。用金屬套和加強層的并聯(lián)電阻Re代替單一金屬套電阻Rs。用金屬套和加強層直徑的方均根值代替金屬套的平均直徑d。

渦流損耗忽略不計，即λ″2=0。

式中，RA為電纜鎧裝電阻;Rs為電纜金屬套電阻。

式中，ρs為金屬套所用材質(zhì)的導(dǎo)電率;As金屬套的截面積;αs電阻溫度系數(shù);θ導(dǎo)體工作溫度;η金屬套的溫度相對于導(dǎo)體溫度的比率(一般取0.8)。

式中，X為電纜電抗;f為頻率;s為導(dǎo)體間距離;d為平均直徑。

通過計算，鎧裝電阻 RA為0.000563 Ω/m，金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻Re為0.000376 Ω/m。

不銹鋼絲鎧裝的損耗 λ2=λ'2+λ″2=λ'2=2.048，損耗為 27.6 W/m。

4.2 鍍鋅鋼絲鎧裝

對于鍍鋅鋼絲鎧裝，損耗 λ2包括環(huán)流損耗(λ'2)和渦流損耗(λ″2)，并且渦流損耗 λ″2是主要的損耗，不能忽略。

海纜鍍鋅鋼絲鎧裝的計算公式見文獻［9］中的第4.6 節(jié)。

通過計算，鎧裝電阻 RA為0.000132 Ω/m，金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻Re為0.000119 Ω/m。

鍍鋅鋼絲鎧裝時，鎧裝損耗 λ2=1.155，為31.3 W/m。

4.3 結(jié)果對比

表3為計算結(jié)果的對比，由于不銹鋼鎧裝的電阻達(dá)到了鍍鋅鋼絲鎧裝電阻的5倍，造成金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻也超過了鍍鋅鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)等效電阻的2倍。

鎧裝損耗比值λ2以及損耗值的計算結(jié)果都表明，不銹鋼鎧裝結(jié)構(gòu)海纜的載流量明顯小于采用鍍鋅鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)海纜。

表3 計算結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文對高壓海底電力電纜鎧裝的選型從機械性能和電氣要求上進行了介紹，特別是對不銹鋼絲作為鎧裝進行了分析計算，認(rèn)為不銹鋼絲不宜作為高壓海底電力電纜的鎧裝。對于具體的工程，必要時還須通過試驗驗證來確定具體的海纜鎧裝型式。

［1］Thomas Worzyk.Submarine power cables-design，installation，repair，environmental aspects［M］.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2009.

［2］額定電壓10 kV(Um=12 kV)至110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件(標(biāo)準(zhǔn)報批稿)［S］.

［3］ICEA No.S-57-401 Steel armor＆ associated coverings for impregnated paper insulated cables［S］.

［4］Methods to prevent mechanical damage to submarine cables［C］//presented by Cigre Working Group 21 as Session Paper 12-21 at the 1986 Cigre Session，Paris，F(xiàn)rance.

［5］Furugen M，et al.Completion of submarine cable lines combining low environmental impact with low cost［J］.Furukawa Review，2002(21):44-49.

［6］Cigre Electra No.171 Recommendations for mechanical tests on submarine cables［S］.

［7］GB/T 12706.2—2002 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第2部分 額定電壓6 kV到30 kV電纜［S］.

［8］IEC 60287 Electric cables-calculation of the current rating［S］.

［9］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京:中國電力出版社，2002.