海底電力電纜徑向擋水層

王國(guó)忠，游靖華

(1.江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇 海門(mén)226100;2.樂(lè)星紅旗電纜(湖北)有限公司，湖北 宜昌443004)

0 引言

海底電纜采用縱向阻水和徑向阻水設(shè)計(jì)。為避免在海底電纜受到機(jī)械損傷后，海水從損傷部位向電纜內(nèi)部滲透過(guò)長(zhǎng)，給電纜搶修造成困難，電纜應(yīng)采用縱向阻水型設(shè)計(jì)。縱向阻水設(shè)計(jì)是將電纜內(nèi)各層結(jié)構(gòu)間存在的間隙里填充阻水紗、阻水粉或阻水帶等材料，使電纜在進(jìn)水時(shí)，阻水材料遇水迅速膨脹，阻止水分沿電纜縱向進(jìn)一步擴(kuò)散。同時(shí)，海底電纜長(zhǎng)期工作在水下，徑向阻水功能也十分重要。徑向擋水層應(yīng)設(shè)計(jì)得既實(shí)用，又經(jīng)濟(jì)。海底電力電纜常用的徑向擋水層有聚合物護(hù)套、綜合護(hù)層、金屬套等。

1 聚合物護(hù)套

聚合物護(hù)套，尤其是高密度聚乙烯(HDPE)護(hù)套，可作為中低壓水下或海底電纜的徑向阻水層。文獻(xiàn)［1］中指出:“塑料護(hù)套并不是絕對(duì)防水的，水分能夠滲透塑料。例如，一條聚乙烯(PE)護(hù)套紙絕緣電纜，在安裝后的一至二年，紙絕緣電阻下降到原來(lái)的十分之一左右。這也說(shuō)明為什么塑料護(hù)套是不允許用作紙絕緣電纜的防水密封層?！痹谖墨I(xiàn)［2］中介紹，如果沒(méi)有金屬套，聚合物能夠作為徑向阻水層。聚合物材料不透水，但水蒸汽能夠滲透它們。對(duì)于中壓海纜，由于電纜的電場(chǎng)強(qiáng)度不高，能夠接受少量水蒸汽滲透過(guò)聚合物護(hù)套。最常見(jiàn)的電纜護(hù)套聚合物材料——HDPE，有相當(dāng)?shù)偷乃羝麧B透性［145 gμm/(m2·d)，在38℃和相對(duì)濕度為90%時(shí)］。“由于絕緣的電氣強(qiáng)度要求不高，中壓(海底)電纜經(jīng)常不采用金屬套結(jié)構(gòu)，或采用更為簡(jiǎn)單的護(hù)套設(shè)計(jì)形式。一種方式是在聚合物護(hù)套之下設(shè)置吸水層。聚合物能起到防水作用，但少量水分以蒸汽的形式滲透過(guò)護(hù)套。吸水劑具有足夠的吸水量，能夠在電纜整個(gè)經(jīng)濟(jì)壽命期間(或更長(zhǎng)時(shí)間)保持絕緣足夠干燥?！蔽墨I(xiàn)［1］和［2］的觀點(diǎn)并不矛盾，只是從不同的方面說(shuō)明聚合物護(hù)套的徑向阻水作用?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論:聚合物材料有一定的阻水性能，但水中的各類(lèi)離子能夠穿過(guò)護(hù)套向絕緣中滲透［3］。由于油紙絕緣對(duì)潮氣十分敏感，聚合物護(hù)套不能單獨(dú)地用作紙絕緣電纜的護(hù)套，但可用作電氣強(qiáng)度要求不高的擠包固體絕緣中低壓海底電力電纜的護(hù)套，尤其對(duì)設(shè)計(jì)壽命相對(duì)較短的海底或水下電纜，聚合物護(hù)套更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。雖然水中的離子能夠滲透過(guò)護(hù)套，但遇到吸水膨脹阻水材料的作用，固體絕緣介質(zhì)在經(jīng)濟(jì)壽命期間不會(huì)引發(fā)水樹(shù)，可以正常工作。

有一個(gè)這樣的實(shí)例，2005年9月，武漢天興洲大橋項(xiàng)目建設(shè)單位向筆者原所在公司采購(gòu)一條水下10 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜。在訂貨交談中，筆者建議施工單位采用鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)的電纜，以保證電纜在水下工作的穩(wěn)定性，但施工單位認(rèn)為鉛套結(jié)構(gòu)的電纜成本高，要求使用成本低廉的電纜結(jié)構(gòu)，只要能保證其使用一年左右時(shí)間便可。于是筆者設(shè)計(jì)了一條10 kV的鋁芯XLPE絕緣PE內(nèi)護(hù)套粗鋼絲鎧裝瀝青聚丙烯纖維外被的電力電纜。HDPE內(nèi)護(hù)套的標(biāo)稱厚度為3.0 mm，比當(dāng)時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706.2—2002要求的2.0 mm較厚，鋼絲采用 4.0 mm，電纜的其它結(jié)構(gòu)尺寸均按照國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)。電纜的型號(hào)規(guī)格為YJLY41-8.7/10 3×240。電纜當(dāng)月供貨后立即安裝使用，2年后，筆者同施工單位聯(lián)系，被告知該電纜仍在正常使用中。再后來(lái)聯(lián)系，施工單位已作業(yè)結(jié)束，這條水下電纜完成了它應(yīng)有的歷史任務(wù)。

2 綜合護(hù)層

高聚物能起到徑向防水作用，但長(zhǎng)期在一定的水壓下，水分或離子對(duì)其仍具有滲透性，對(duì)工作場(chǎng)強(qiáng)較高的電纜，單純采用高聚物護(hù)套并不十分妥當(dāng)，在海底電纜中添加金屬擋水層就顯得更為必要。金屬的阻水性是公認(rèn)的，只要金屬層不破損，即使金屬層再薄，也能完全阻止水或離子的滲入。這樣，就出現(xiàn)了綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)。

綜合護(hù)層由鉛塑復(fù)合帶、鋁塑復(fù)合帶或銅塑復(fù)合帶等金屬?gòu)?fù)合帶粘結(jié)到外面的塑料護(hù)套上構(gòu)成。通常，復(fù)合帶是和膨脹阻水的無(wú)紡帶一起使用，兩者均放在金屬屏蔽的外面和(或)里面，以全面保護(hù)電纜免于潮氣從徑向或縱向侵入［3］。阻水帶是由無(wú)紡布帶和占重量為60%以上的阻水粉即膨脹粉組成。無(wú)紡布帶是耐高溫的聚酯纖維帶，膨脹粉是一種高吸水的聚丙烯鹽樹(shù)脂，吸水量可達(dá)自重的200倍，國(guó)外最高達(dá)300倍。金屬塑料復(fù)合帶是兩層厚度約0.05 mm的PE或乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)、丙烯酸酯共聚物(EMAA)薄膜和中間一層0.1～0.15 mm的金屬(鉛、鋁或銅)帶粘合在一起，縱包到電纜上，搭蓋約5～10 mm，用熱風(fēng)吹一下，使兩層搭蓋粘合(注:許多復(fù)合帶已不需要熱風(fēng)槍焊接，靠擠出機(jī)機(jī)頭溫度和擠出的護(hù)套溫度便能自粘接)，外擠一層PE層，使PE層和金屬塑料復(fù)合帶緊密地粘在一起，電纜結(jié)構(gòu)緊密，易于彎曲［4］。

國(guó)內(nèi)用戶由于對(duì)綜合護(hù)層在搭接處金屬間存在一條沒(méi)有完全密封的縫隙的擔(dān)憂和縱包金屬帶結(jié)構(gòu)的綜合護(hù)層只用在地下電纜結(jié)構(gòu)中的誤解，在海底電纜結(jié)構(gòu)中較少采用，而更多地傾向使用金屬套結(jié)構(gòu)。綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)到底能不能擔(dān)當(dāng)電纜長(zhǎng)期在海水中徑向阻水的重任呢?答案是肯定的。隨便翻翻國(guó)外一些著名的海底電纜制造廠家的產(chǎn)品樣本，就有綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)的海纜介紹;打開(kāi)一些廠家的網(wǎng)站，也有綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)的海纜產(chǎn)品。文獻(xiàn)［5］介紹，歐洲各國(guó)已廣泛地采用鋁塑綜合防水層，使用在110 kV高壓電纜上已經(jīng)成熟。早在上個(gè)世紀(jì)80年代，上海電纜研究所在電力電纜的負(fù)荷循環(huán)條件下進(jìn)行了透潮試驗(yàn)的研究工作。在水溫為40℃時(shí)測(cè)得電力電纜用綜合防水層徑向透潮量為4.6PPM。PPM為透潮量單位，1PPM相當(dāng)于1.23×10－9g/(m·s)。按透潮公式計(jì)算，每米電纜在30年中的電纜含水量為:

每米110 kV電纜膨脹粉含量45 g，吸水倍數(shù)為200倍，幾百年內(nèi)電纜絕緣也不會(huì)受潮［5］。

文獻(xiàn)［5］主要介紹的是陸上使用的防潮高壓電纜。對(duì)于海底電纜，綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)同樣適用。幾年前，筆者在山東東營(yíng)解剖了一條法國(guó)某公司的海底電纜和一條日本某公司的海底電纜樣品，兩條海底電纜的結(jié)構(gòu)均采用綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)海纜的絕緣厚度都為11.2 mm，比陸上電纜標(biāo)準(zhǔn)要求的10.5 mm厚了6.7%，這樣，電纜的工作場(chǎng)強(qiáng)比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓等級(jí)的電纜低。這一點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)海底電力電纜絕緣時(shí)應(yīng)予以借鑒。海纜絕緣厚度較厚也說(shuō)明，海底或水下電纜結(jié)構(gòu)要求不應(yīng)按陸上電纜的標(biāo)準(zhǔn)生搬硬套。從表1還可看出，金屬屏蔽和金屬擋潮層在結(jié)構(gòu)上分開(kāi)，法國(guó)電纜的金屬屏蔽截面為25 mm2。按照電纜采購(gòu)時(shí)有效的GB 12706.3—1991中5.3.3.1條規(guī)定，額定電壓U0為1 kV及以上電纜應(yīng)有金屬屏蔽層，金屬屏蔽有銅絲屏蔽和銅帶屏蔽兩種型式，額定電壓為21 kV及以上，同時(shí)標(biāo)稱截面為500 mm2及以上電纜的金屬屏蔽應(yīng)采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)。在5.3.3.2中規(guī)定，銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面應(yīng)用反向銅絲或銅帶扎緊。銅絲屏蔽的標(biāo)稱截面分16、25、35及50 mm2四種，可根據(jù)故障電流容量要求選用。這樣，兩種結(jié)構(gòu)海纜的屏蔽型式均滿足陸上電力電纜標(biāo)準(zhǔn)的金屬屏蔽形式和尺寸要求。圖1是法國(guó)公司海底電纜的結(jié)構(gòu)。

表1 國(guó)外XLPE－26/35 3×185海纜結(jié)構(gòu) (單位:mm)

圖1 XLPE-26/35 3×185海纜結(jié)構(gòu)

3 金屬套

金屬套一般有鉛套(或合金鉛套)、鋁套等結(jié)構(gòu)。在金屬套結(jié)構(gòu)中，由于鉛比鋁的機(jī)械強(qiáng)度低，加工制造更方便，并且，用作電纜的護(hù)套后，彎曲性能較好，在海水中鉛比鋁的化學(xué)性能更穩(wěn)定，故較多地采用鉛套結(jié)構(gòu)。近來(lái)，一些用戶在招標(biāo)文件中對(duì)鉛層的厚度要求越來(lái)越厚，筆者認(rèn)為這并不妥當(dāng)。鉛套厚度太厚，不僅制造成本高，不利于環(huán)保，還由于鉛套的密度大，使得制造的電纜重量重，給施工敷設(shè)造成諸多不便。對(duì)于中壓電纜，鉛套厚度的選擇可更多地從機(jī)械性能考慮，應(yīng)以薄層為宜。當(dāng)然，如果鉛層厚度太薄，給擠(壓)鉛工序造成困難，出現(xiàn)砂眼的概率就高。

筆者原所在的公司，在2003年供給浙江某電力公司的35 kV 3×150 XLPE海底電力電纜，按照陸上電纜的國(guó)標(biāo)，鉛層的標(biāo)稱厚度應(yīng)為1.8 mm，最薄厚度為1.61 mm，實(shí)際生產(chǎn)按供需雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議要求，鉛層的標(biāo)稱厚度只有1.5 mm，最薄厚度為1.2 mm，電纜經(jīng)多年使用，并未因鉛層厚度薄而引起質(zhì)量問(wèn)題。

電纜采用金屬套后，應(yīng)在金屬套外涂敷一層電纜改性瀝青防腐。如果是鋁套，還必須在外面擠包聚合物護(hù)套，以防海水與鋁套的直接作用，對(duì)鋁套造成腐蝕。

4 徑向擋水層的性能比較

中壓海底電纜常用的幾種徑向擋水層的性能比較見(jiàn)表2。

表2 徑向擋水層性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

海底電力電纜常用的徑向擋水層有聚合物護(hù)套、綜合護(hù)層、金屬套等。對(duì)于設(shè)計(jì)壽命相對(duì)較短的水下或海底擠包固體絕緣電力電纜，徑向擋水層可使用聚合物護(hù)套，在多種聚合材料中，應(yīng)優(yōu)先采用HDPE;一般中壓海底電力電纜可以使用綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)作為徑向擋水層;高壓或超高壓海底電力電纜宜以金屬套結(jié)構(gòu)作為徑向擋水層，金屬套應(yīng)作防腐處理。

［1］鄭肇驥，王琨明.高壓電纜線路［M］.北京:水利電力出版社，1983.48-48.

［2］Thonas Worzyk著，應(yīng)啟良、徐曉峰、孫建生譯.海底電力電纜——設(shè)計(jì)、安裝、修復(fù)和環(huán)境影響［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.22-25.

［3］Kenneth E Bow著，王國(guó)忠譯.中壓電纜的防水綜合護(hù)層［J］.電線電纜，1996(6):9-13.

［4］蔣佩南.國(guó)產(chǎn)110 kV高壓交聯(lián)電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型［C］//交聯(lián)電纜論文集.上海電纜研究所信息中心，2006.118-123.

［5］蔣佩南.高壓超高壓交聯(lián)電纜的綜述分析［C］//交聯(lián)電纜論文集.上海電纜研究所信息中心，2006.139-169.