三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)與制造之一
——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳建寧， 鄭運(yùn)焱， 吳 弘

(宜昌聯(lián)邦電纜有限公司，湖北宜昌443007)

三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)與制造之一
——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳建寧， 鄭運(yùn)焱， 吳 弘

(宜昌聯(lián)邦電纜有限公司，湖北宜昌443007)

詳述了大長(zhǎng)度交聯(lián)聚乙烯絕緣三芯光電復(fù)合海底電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

三芯光電復(fù)合海底電力電纜；交聯(lián)聚乙烯絕緣；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；制造

duction

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家電力事業(yè)突飛猛進(jìn)。從沿海島嶼到內(nèi)陸江湖沼澤地區(qū)，從海洋石油勘探平臺(tái)到海岸風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)，各種電壓等級(jí)的大長(zhǎng)度海底、水下交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜需求量猛增。尤其是國(guó)家石油能源的短缺，隨著石油的開(kāi)發(fā)勘采向深海遠(yuǎn)洋轉(zhuǎn)移，深海石油及可燃冰的開(kāi)發(fā)都提到了議事日程，國(guó)家急需高質(zhì)量大長(zhǎng)度的石油勘采平臺(tái)用海底電纜。在海上風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)招標(biāo)建設(shè)中，35～220 kV級(jí)海底電力電纜的訂單達(dá)數(shù)千公里;220 kV交流三芯光電復(fù)合海底電纜需求量超過(guò)千公里，最長(zhǎng)的單根交貨長(zhǎng)度達(dá)36 km。這些都給國(guó)內(nèi)海底電纜制造廠家?guī)?lái)新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

三芯海底電力電纜的設(shè)計(jì)及工藝與陸地電力電纜有許多不同，本文以某電纜公司出口南美洲的110 kV 3×630＋24B1 XLPE絕緣光電復(fù)合海底電力電纜為例，對(duì)三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)原理與工藝，做較詳細(xì)的解析和介紹。

1 三芯光電復(fù)合海纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品規(guī)格為64/110 kV 3×630＋24B1，XLPE絕緣、分相鉛套、粗圓鋼絲鎧裝光電復(fù)合海底電纜。圖1是三芯XLPE絕緣光電復(fù)合海底電力電纜結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

圖1 三芯光電復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)圖

1.1 阻水導(dǎo)體的設(shè)計(jì)

(1)銅導(dǎo)體采用正規(guī)絞合，分層嵌入阻水帶，分層緊壓。正規(guī)絞合是為了方便內(nèi)層線芯做阻水處理，以及在制作工廠軟接頭時(shí)，焊接銅導(dǎo)體較方便，且有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

110 kV 630 mm2海纜導(dǎo)體可采用58根φ3.86 mm軟銅線分層絞合緊壓結(jié)構(gòu)，絞線層數(shù)為5層，每層根數(shù)為1＋6＋12＋17＋22。

表1 三芯光電復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)尺寸

(2)導(dǎo)體的阻水處理國(guó)外采用阻水膨脹粉或阻水膠隔斷工藝，國(guó)內(nèi)常采用嵌入阻水帶工藝。

XLPE絕緣海底電纜的導(dǎo)體每一層都要嵌入阻水帶。2006年，某地的一根海底電纜因錨害損壞，由于該電纜導(dǎo)電線芯1＋6的層間未放置阻水材料，導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽層之間也沒(méi)有繞包半導(dǎo)電阻水帶，造成整根電纜浸在海水中的部分綿延十多公里，給后期的電纜修復(fù)帶來(lái)很大的困難。最后由于“水樹(shù)”的原因多次修復(fù)又擊穿損壞，該海底電纜才使用了五年，最后不得不大段報(bào)廢。

(3)大截面海底電纜的導(dǎo)電線芯，由于嵌入了阻水帶，有效地削弱了大截面導(dǎo)體的集膚效應(yīng)，不需要再做分裂導(dǎo)體。同時(shí)分裂導(dǎo)體各扇形模塊之間空隙較大，做阻水結(jié)構(gòu)較為困難。

采用阻水膠隔斷工藝的導(dǎo)體，截面在1 000 mm2以上的，單線可采用表面鈍化處理，同樣能有效削弱集膚效應(yīng)。這種大截面導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，歐洲耐克森公司的海底電纜設(shè)計(jì)應(yīng)用較多。

1.2 導(dǎo)體屏蔽層的設(shè)計(jì)

GB/T 12706中規(guī)定，標(biāo)稱(chēng)截面500 mm2及以上電纜的導(dǎo)體屏蔽應(yīng)由半導(dǎo)電帶和擠包半導(dǎo)電層復(fù)合組成。XLPE絕緣海底電纜則不同，為了增強(qiáng)導(dǎo)體的縱向阻水性能，其導(dǎo)體屏蔽一般均設(shè)計(jì)成重疊繞包一層高強(qiáng)度半導(dǎo)電阻水帶和擠包導(dǎo)電聚烯烴屏蔽層結(jié)構(gòu)。

1.3 阻水緩沖層

在絕緣屏蔽層外重疊繞包層半導(dǎo)電阻水膨脹帶，其作用為：

(1)半導(dǎo)電阻水緩沖層與導(dǎo)體中嵌入的阻水材料共同構(gòu)成了海底電纜的縱向阻水結(jié)構(gòu)。

(2)對(duì)下一道連續(xù)擠鉛工序提供一層必要的防燙傷保護(hù)層。

(3)對(duì)XLPE絕緣層運(yùn)行溫升產(chǎn)生的膨脹起到緩沖作用。

1.4 合金鉛護(hù)套

(1)合金鉛護(hù)套厚度的設(shè)計(jì)

合金鉛護(hù)套作為海底電力電纜的金屬屏蔽層，亦是海纜的徑向阻水層和防腐蝕層，同時(shí)又是瞬態(tài)短路電流的通路。鉛護(hù)套的厚度因客戶(hù)的技術(shù)要求可做適當(dāng)調(diào)整，但應(yīng)避免客戶(hù)套用油浸紙絕緣海纜的鉛套設(shè)計(jì)規(guī)范，使XLPE絕緣海纜的鉛護(hù)層設(shè)計(jì)過(guò)厚。

三芯海底電力電纜鉛套的標(biāo)稱(chēng)厚度設(shè)計(jì)按下式計(jì)算：

式中，T為鉛套標(biāo)稱(chēng)厚度;Dg為鉛套前假設(shè)直徑。

110 kV 630 mm2海纜合金鉛護(hù)套的標(biāo)稱(chēng)厚度選為2.8 mm。

(2)合金鉛料

由于合金鉛的力學(xué)強(qiáng)度和蠕變性能要比純鉛高，因此電纜鉛護(hù)套大多采用合金鉛擠包而成。國(guó)內(nèi)海底電纜常用合金鉛的牌號(hào)及主要成分配比見(jiàn)表2。

大長(zhǎng)度海底電纜一般都采用“E合金鉛”，“E合金鉛”連續(xù)擠制性能好，不易發(fā)生高熔點(diǎn)合金離析，堵塞熔鉛管流道。

表2 海底電纜常用合金鉛牌號(hào)及主要成分

1.5 塑料增強(qiáng)保護(hù)層

鉛和鉛合金比較柔軟，機(jī)械性能較差。為了保護(hù)鉛套在制造、敷設(shè)和使用中不受損傷，通常在合金鉛護(hù)套外，用擠塑機(jī)擠制一層塑料增強(qiáng)保護(hù)層，兩者之間還要涂敷一層粘接劑，使其成為一個(gè)整體，從而提高對(duì)電纜線芯的綜合保護(hù)性能。110 kV 630 mm2海纜塑料增強(qiáng)保護(hù)層的標(biāo)稱(chēng)厚度選為2.6 mm，可采用海底電力電纜專(zhuān)用改性中密度聚乙烯護(hù)套料。

塑料增強(qiáng)保護(hù)層的主要作用為：

(1)一般1.0 mm的改性聚乙烯護(hù)層相當(dāng)于1.5mm的鉛護(hù)層的機(jī)械強(qiáng)度，能部分吸收和分散外部對(duì)鉛護(hù)套的應(yīng)力，可提高電纜鉛套的耐浪涌沖擊及抗疲勞性。

(2)PE護(hù)層與合金鉛護(hù)套共同構(gòu)成了海底電纜的徑向防水屏障。在鉛護(hù)套局部損傷情況下，PE護(hù)套仍可以阻擋海水的侵入。

(3)PE護(hù)層與合金鉛套共同構(gòu)成海底電纜的防腐蝕結(jié)構(gòu)，可有效地隔絕海水中化學(xué)、生物的腐蝕侵害。

海底電纜鉛套外的PE護(hù)層，是海底電纜防水、防腐蝕保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)件。如果客戶(hù)訂購(gòu)的海底電力電纜是敷設(shè)于海岸鹽堿灘涂、陸上的沼澤湖泊等沒(méi)有來(lái)往船只隨意拋錨的淺灘區(qū)域，則可以不采用PE護(hù)層，只繞包一層塑料粘膠帶(SJD帶)做防蝕層即可。SJD帶可采用高強(qiáng)度聚氯乙烯(PVC)粘膠帶，黃、綠、紅彩色粘膠帶可做為電纜線芯相序分色。

1.6 成纜填充條

海底電力電纜成纜填充條的材質(zhì)有多種選擇。

(1)國(guó)內(nèi)目前用的較多的是交聯(lián)電纜回用料發(fā)泡扇形填充條和發(fā)泡PVC扇形填充條。發(fā)泡PVC扇形填充條較柔軟，成纜工藝性能較好，成纜后外形較圓整。

(2)國(guó)外常采用并股的PP填充繩及圓形的發(fā)泡PE填充條，這對(duì)位于成纜填充區(qū)中的復(fù)合光纜單元能起到很好的保護(hù)作用。

1.7 海底電纜的外護(hù)層

海底電力電纜的外護(hù)層一般由內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝層和外被層三部分組成。三芯XLPE絕緣海底電力電纜一般采用單層粗圓鋼絲鎧裝。對(duì)敷設(shè)條件及使用環(huán)境特殊的海底電纜，可采用雙層粗圓鋼絲鎧裝。如敷設(shè)于淺海礁盤(pán)上的海底電纜，由于受到潮流的沖擊，海底電纜在堅(jiān)硬的礁石上磨擦，一年多鎧裝鋼絲層就會(huì)磨耗損毀。因此有必要采用雙層粗圓鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)采取水下固定，或做梯形壩拋石埋設(shè)保護(hù)。否則海底電纜壽命不長(zhǎng)，最多3～5年就得更換維修。

(1)鎧裝鋼絲一般采用鍍鋅低碳鋼絲，應(yīng)符合GB/T 3082—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)鎧裝鋼絲的規(guī)格尺寸和機(jī)械性能要求，應(yīng)根據(jù)海底電纜規(guī)格及客戶(hù)要求的敷設(shè)、地理?xiàng)l件選定。110 kV 630 mm2海纜鎧裝鋼絲直徑為6 mm，抗拉強(qiáng)度350～420 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率大于10%。

(3)內(nèi)襯層和外被層一般可采用“聚丙烯(PP)繩纏繞＋瀝青浸漬”混合防腐結(jié)構(gòu)，制造加工較為方便，又能滿(mǎn)足海底電力電纜特殊的電性能及加工性能要求。

1.8 光纜單元

在三芯海底電力電纜成纜時(shí)，在填充區(qū)中加入一根或二根海底光纜單元。

(1)圖2是中心鋼絲增強(qiáng)、合金鉛護(hù)套的光纜單元結(jié)構(gòu)圖，稱(chēng)為鉛護(hù)套53型光纜單元。

圖2 鉛護(hù)套53型光纜單元結(jié)構(gòu)圖

(2)圖3是雙層細(xì)鋼絲鎧裝、不銹鋼復(fù)合松套管的光纜單元結(jié)構(gòu)圖，稱(chēng)為不銹鋼復(fù)合松套管型光纜單元。

圖3 不銹鋼復(fù)合松套管型光纜單元結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)、外兩層高強(qiáng)度磷化鋼絲的絞合方向相反，構(gòu)成了無(wú)旋轉(zhuǎn)扭矩的平衡鎧裝，提高了不銹鋼復(fù)合松套管光纜單元的抗張力破壞性能。

(3)光纜單元選型。上述兩種光纜單元筆者首選鉛護(hù)套53型光纜單元，該光纜單元性能可靠，不易斷芯，且可放置更多的光纖。海上石油勘探移動(dòng)平臺(tái)用海底電纜、水下臨時(shí)工程敷設(shè)用海底電纜以及陸上潮濕環(huán)境敷設(shè)的光電復(fù)合電力電纜，由于對(duì)光纜單元的防腐蝕要求并不高，可采用涂塑鋼帶縱包、PE外護(hù)套的GYTA53型光纜單元。

2 結(jié)束語(yǔ)

在處理多起海底電纜工程事故中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)的還是進(jìn)口的海底電力電纜，往往存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，造成電纜早期損壞或報(bào)廢，給國(guó)家和用戶(hù)帶來(lái)很大的損失。本文細(xì)述了大長(zhǎng)度三芯光電復(fù)合海底電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望對(duì)相關(guān)海纜工程技術(shù)人員有所幫助。

[1] CIGRE-21-02-Electra-189 擠塑絕緣型大長(zhǎng)度交流海底電纜試驗(yàn)推薦標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] IEC 60840：2004 額定電壓30 kV(Um=36 kV)至150 kV (Um=170 kV)擠包絕緣電力電纜及其附件——試驗(yàn)方法和要求[S].

[3] GB/T 12706.3—2002 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件[S].

[4] JB/T 11167.1—2011 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(zhǎng)度交流海底電纜及附件[S] .

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Part I：Structure Design

WU Jian-ning，ZHENG Yun-yan，WU Hong
(Yichang Union cable Co.，Ltd.，Yichang 443007，China)

This paper presents systematically the structure design ofa long ACXLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable;XLPE insulation;structure design;pro-

TM247.9;TN818

A

1672-6901(2012)03-0020-04

2011-12-01

吳建寧(1952-)，男，高級(jí)工程師.

作者地址：湖北宜昌市猇亭區(qū)民主路1號(hào)[443007].