皺紋銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保海底電纜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉東 唐文川 劉培鎮(zhèn)

摘要：近幾年來(lái)，XLPE 絕緣海底電纜技術(shù)已經(jīng)很成熟并已廣泛應(yīng)用，海底電纜護(hù)層面臨的問(wèn)題：分相防水采用的是鉛護(hù)套，對(duì)電纜的使用壽命是有效的，鉛對(duì)環(huán)境的污染是很嚴(yán)重的;金屬焊接護(hù)套可徑向防水但沒(méi)有皺紋，電纜的彎曲性能很差;用于通訊的海底電纜有焊接銅套的徑向保護(hù)，但是銅套沒(méi)有皺紋。通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分相銅套和不銹鋼護(hù)套采用皺紋技術(shù)，可以對(duì)電纜進(jìn)行雙層的機(jī)械和防水保護(hù)。皺紋鋼套為密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的阻水性能、機(jī)械性能。皺紋銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保海底電纜同時(shí)具備環(huán)保、利于敷設(shè)、彎曲性能優(yōu)良等特點(diǎn)。通過(guò)工廠試驗(yàn)及用戶反饋，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)海底電纜具有較大的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景。關(guān)鍵詞：皺紋銅套屏蔽;皺紋不銹鋼套及鋼絲鎧裝;雙層阻水;環(huán)保;彎曲性能

中圖分類號(hào)：P756. 1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0216-04

Design and Realization of Corrugated Copper-covered Steel-covered Steel WireArmored Environmental Protection Submarine Cable

Liu Xiaodong，Tang Wenchuan，Liu Peizhen

（ Guangzhou Nanyang Cable Group Co. ，Ltd. ，Gangzhou 511356，China ）

Abstract：In recent years，XLPE insulated submarine cable technology has been very mature and widely used. The problems faced by theprotective layer of submarine cable：the split phase waterproof adopts lead sheath，which is effective for the service life of the cable，and thepollution of lead to the environment is very serious;the metal welding sheath can be radially waterproof without wrinkles，and the bendingperformance of the cable is very poor;submarine cables used for communication have radial protection of welded copper sleeve，but the coppersleeve has no wrinkles. Through the structural optimization design，the wrinkle technology was adopted in the split phase copper sleeve andstainless steel sheath to provide double-layer mechanical and waterproof protection for the cable. Corrugated steel sleeve is a sealing structure， which realizes stronger water resistance and mechanical properties. Corrugated copper sheathed shielded steelsheathed steel wire armoredenvironmental protection submarine cable has the characteristics of environmental protection，easy laying and excellent bending performance. Through factory test and user feedback，it is confirmed that the submarine cable with the structure has great development space and marketprospect.

Key words：corrugated copper screen;corrugated stainlesssteel pipe and wire armoring;double water-blocking;environmentally-friendly;bending property

0 引言

海底電纜是用絕緣材料包裹的導(dǎo)線敷設(shè)在江、河、湖、海底的電纜，用于通訊和電力傳輸。1850年英、法兩國(guó)間成功敷設(shè)人類史上第一條海底電纜，距今已有近170年的歷史傳統(tǒng)。中國(guó)的第一條海底電纜是在1888年完成。海底電纜按絕緣類型主要有浸漬紙絕緣纜、自容式充油電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜、聚乙烯絕緣電纜、乙丙絕緣電纜及充氣電纜，上述海底電纜，除交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜以外，其他幾種電纜在敷設(shè)環(huán)境條件、機(jī)械性能或電氣性能方面具有一定的局限性，而交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜則在各個(gè)方面表現(xiàn)出了一定的綜合優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊[1]。

傳統(tǒng)海底電纜一般采用合金鉛套作為徑向阻水層，以鋼絲作為鎧裝層。人們對(duì)鉛的應(yīng)用可追溯到公元前3000年，鉛具有柔軟、延展性好、容易焊接、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特性，長(zhǎng)此以往，鉛一直被人們作為海底電纜的徑向阻水層使用。但鉛同時(shí)有諸多缺點(diǎn)，如污染環(huán)境、機(jī)械強(qiáng)度低，重量大等。鋼絲鎧裝使電纜具備了一定的抗拉性能，但電纜抗壓性能較差，不適宜復(fù)雜多變的海底環(huán)境[2-3]。

據(jù)了解，各類每座海上石油平臺(tái)上電纜的用量：自升式平臺(tái)150 km，半潛式平臺(tái)180 km，采油平臺(tái)200 km，生產(chǎn)平臺(tái)200 km，生活平臺(tái)100 km。

建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)是國(guó)際新能源發(fā)展的重要方向，也將是我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“方向中的方向”。中國(guó)已有近百家陸上風(fēng)電場(chǎng)，但海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)才剛剛起步。對(duì)于海底電纜來(lái)說(shuō)，其在海上風(fēng)力發(fā)電及輸電上的應(yīng)用擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

本文主要介紹了一種新型的海底電纜—銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保交流海底電纜。

1 設(shè)計(jì)理念

海底電纜多敷設(shè)于大江、大河或海底，水下環(huán)境完全不同于陸地環(huán)境，敷設(shè)于水下的電纜需防范海洋暗流、生物侵襲等潛在隱患，且一旦出現(xiàn)事故，海底電纜的維護(hù)造價(jià)十分昂貴。這就要求海底電纜應(yīng)具備較為優(yōu)秀的機(jī)械性能和電氣運(yùn)行可靠性。傳統(tǒng)海底電纜與新型海底電纜結(jié)構(gòu)差異如圖1～2所示[4]。

1. 1分相屏蔽阻水金屬套

作為人類使用較早的一種金屬，鉛具有較好的密封性能，較為柔軟，延展性好，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被大多數(shù)物質(zhì)腐蝕，最為主要的是，相對(duì)于大多數(shù)金屬，鉛熔點(diǎn)很低，327. 5℃時(shí)即可液化，這使鉛具備了較好的擠出性能。在金屬套加工藝不是特別先進(jìn)的時(shí)期，鉛套作為海底電纜的徑向阻水層是最好的選擇。但與皺紋銅套比較，鉛套存在諸多弊端。

（1）鉛套機(jī)械強(qiáng)度比銅差

鉛的密封性能好，但質(zhì)地軟，無(wú)法在海底復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中有效保護(hù)內(nèi)部的絕緣線芯，特別是在深海，電纜外部水壓較大，鉛套不具備保護(hù)電纜線芯的機(jī)械強(qiáng)度，且在電纜在運(yùn)行時(shí)自身震動(dòng)或外部機(jī)械震動(dòng)會(huì)使鉛晶格間產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致鉛套的阻水性能降低，水分侵入電纜線芯，在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生“水樹”，進(jìn)而擊穿，或在電纜接頭處發(fā)生運(yùn)行事故。

首先，從表1所示的對(duì)比數(shù)據(jù)可明顯看出。銅的硬度、楊氏模量、剛性模量遠(yuǎn)高于鉛，說(shuō)明銅的機(jī)械強(qiáng)度更好。銅套表面通過(guò)皺紋處理，進(jìn)一步增加了銅套的抗壓能力，且皺紋工藝使銅套具備了較優(yōu)秀的彎曲性能，可減小電纜彎曲半徑，利于電纜安裝敷設(shè)。其次，由于組成鉛與銅晶格結(jié)構(gòu)的差異，銅晶格間庫(kù)侖力更大，不會(huì)因外界震動(dòng)在晶格間產(chǎn)生裂縫，保證了銅套的阻水性能[5-8]。

（2）鉛電阻率大，承載短路電流能力差

一般來(lái)說(shuō)，電纜的金屬套除了作為電纜的保護(hù)層和防水層外，還充當(dāng)故障電流的載體，當(dāng)線路系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能將短路電流順利。鉛電阻率為，銅電阻率為，金屬套能承受最大的非絕熱故障電流計(jì)算公式如下。

式中：ρ20為載流體20 ℃時(shí)的電阻率;S為載流體截面積。

式（1）表明，載流體能承受的故障電流大小與載流體電阻率成反比。通過(guò)計(jì)算，新舊兩種結(jié)構(gòu)的同等電壓等級(jí)、同等導(dǎo)體截面海底電纜，其金屬套允許最大短路電流如表2所示。

（3）鉛密度大，不利于電纜安裝敷

眾所周知，與銅相比，鉛的密度較大。同等電壓等級(jí)、同等導(dǎo)體截面的海底電纜，以鉛套作為電纜徑向防水層大大增加了電纜重量，不利于電纜的安裝敷設(shè)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)海底電纜每千米質(zhì)量如表3所示。

以2007年～2009年瓊州海峽海底電纜敷設(shè)為例，首先，海底電纜電纜敷設(shè)時(shí)，要一次性把一根32 km的海底電纜完全敷設(shè)到海底，通過(guò)控制敷設(shè)船的航行速度、電纜釋放速度來(lái)控制電纜的入水角度以及敷設(shè)張力，避免由于彎曲半徑過(guò)小或張力過(guò)大而損傷電纜，電纜越重，所需的電纜敷設(shè)船噸位越大，船速、電纜釋放速度等指標(biāo)的控制變得困難;其次，敷設(shè)時(shí)，敷設(shè)船在沙地及淤泥區(qū)，進(jìn)行高壓沖水形成一條大約2m 深的溝槽，將電纜埋入其中，隨后用旁邊的沙土將其覆蓋，在珊瑚礁及粘土區(qū)，則使用切割機(jī)切割一條0. 6～1. 2 m 深的溝槽，然后把電纜埋入溝槽，再覆蓋上水泥蓋板等硬質(zhì)物體進(jìn)行保護(hù)，電纜敷設(shè)的方式相當(dāng)于陸纜的直埋和隧道敷設(shè)，敷設(shè)后電纜的穩(wěn)固性與電纜重量無(wú)關(guān)。海底電纜安裝敷設(shè)是國(guó)際公認(rèn)的復(fù)雜的、高難度的系統(tǒng)性工程，電纜的重量增加會(huì)大增加安裝敷設(shè)難度和耗資。

（4）鉛為重金屬，有毒性

鉛是人們熟知的一種有毒重金屬。鉛和其化合物對(duì)人體多個(gè)組織均有毒性，其蒸汽或粉塵可由呼吸道進(jìn)入人體，然后呼吸道中吞噬細(xì)胞將其迅速帶至血液;或經(jīng)消化道吸收，進(jìn)入血循環(huán)而發(fā)生中毒。因此，鉛套電纜的生產(chǎn)加工和安裝敷設(shè)將對(duì)操作人員身體健康產(chǎn)生影響。其次，游離態(tài)的鉛進(jìn)入自然界（海底）將會(huì)對(duì)海洋漁業(yè)等造成一系列的污染。

（5）皺紋結(jié)構(gòu)

銅套的皺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了電纜的彎曲性能和抗壓能力，有利于電纜、安裝敷設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行。焊接的使用和皺紋銅被廣泛用于：線纜的防火性能，超高壓電纜在水電站系統(tǒng)?；诮?jīng)驗(yàn)，一個(gè)焊接皺紋銅屏幕保護(hù)半導(dǎo)電聚乙烯層，是鉛護(hù)套的理想替代品，更容易接頭并具有良好的耐腐蝕性，皺紋銅套如圖3所示。

1. 2 皺紋銅套和皺紋鋼套

皺紋銅套和皺紋鋼套的生產(chǎn)制造均在DAG60/180 型金屬套自動(dòng)連續(xù)氬弧焊生產(chǎn)線上完成。該設(shè)備的核心部分氬弧焊機(jī)為意大利LINCOIN 公司生產(chǎn)。整條生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速并和焊接電流同步控制，確保焊縫的連續(xù)性，同時(shí)配備在線渦流探傷裝置，提高焊縫質(zhì)量。根據(jù)不同材料的焊接特性，配置以合理的焊接電流、牽引速度、氦氣氬氣比例，進(jìn)一步保證焊縫質(zhì)量。為確保焊縫氣密性，此道工序完成后馬上對(duì)半成品進(jìn)行0. 4 MPa/30 min 的氣密性[B ]試驗(yàn)，以保證金屬套的密封性能。

1. 3 鎧裝層

傳統(tǒng)海底電纜鎧裝層一般為鋼絲鎧裝，這使電纜具備了較強(qiáng)的抗拉能力。但海底環(huán)境復(fù)雜多變，深海內(nèi)巨大的水壓、大型海洋生物蝕咬、自然條件惡劣等客觀潛在隱患都對(duì)海底電纜的抗壓能力提出要求。本文介紹的新型海底電纜結(jié)構(gòu)采用皺紋鋼套+鋼絲鎧裝的復(fù)合鎧裝，保證海底電纜的抗拉性能，且大提高了其抗壓性能。

鋼材作為被人類應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，其具備機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好等諸多優(yōu)良性能。新型海底電纜以鋼套作為抗壓結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步提高其抗壓能力，采用皺紋結(jié)構(gòu)，也保證了電纜的彎曲性能，利于生產(chǎn)制造和安裝敷設(shè)。同時(shí)，鋼套也是阻止水分徑向侵入電纜的第一道屏障，進(jìn)一步提高電纜的阻水性能[9-11]。

2 運(yùn)行案例

海底電纜是沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段。我國(guó)海岸線長(zhǎng)，大部分發(fā)達(dá)城市分布在沿海地區(qū)上，與大陸外城市、島嶼之間所需的光電復(fù)合海底電纜和海底交聯(lián)電纜的需求量明顯增加。預(yù)計(jì)未來(lái)5年海底電纜市場(chǎng)年增長(zhǎng)率將超4%，海底電纜總長(zhǎng)將達(dá)16350 km。

由于改造江河、湖泊以及水庫(kù)大壩的需要，水下電纜應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，在中國(guó)，主要分布在長(zhǎng)江、黃河、怒江、錢塘江、珠江等市場(chǎng)。不少中國(guó)相鄰地區(qū)域性海底電纜工程從西歐引進(jìn)光電復(fù)合海底電纜，耗費(fèi)巨大。相對(duì)而言，中國(guó)的海底電纜生產(chǎn)企業(yè)具有成本和地域的優(yōu)勢(shì)。

同陸地光纜相比，海底光纜有很多優(yōu)越性：一是鋪設(shè)不需要挖坑道或用支架支撐，因而投資少，建設(shè)速度快;二是除了登陸地段以外，電纜大多在一定深度的海底，不受風(fēng)浪等自然環(huán)境的破壞和人類生產(chǎn)活動(dòng)的干擾，所以電纜安全穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，保密性能好[12]。本新型結(jié)構(gòu)的海底電纜已于2016年成功應(yīng)用于巴布亞新幾內(nèi)亞的Buka Island Submarine Cable項(xiàng)目和美國(guó)的Aunu，u Island Submarine Cable-AmericanSamoa 項(xiàng)目，據(jù)使用單位反饋，電纜運(yùn)行情況良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

海底電纜作為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)能源優(yōu)化配置的重要工具，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。由于海底電纜運(yùn)行環(huán)境的特殊性，其生產(chǎn)制造、安裝敷設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成為較復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。海底電纜發(fā)生故障后，產(chǎn)生的后果十分嚴(yán)重，故障維護(hù)難度巨大，因此，海底電纜運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要。本文介紹的新型結(jié)構(gòu)海底電纜與傳統(tǒng)的海底電纜相比具有如下特點(diǎn)。

（1）銅電阻率小，以銅套代替鉛套作為電纜的屏蔽層，大提高了電纜承受故障電流的能力。（2）銅套保證阻水性能，且相對(duì)于鉛套機(jī)械性能較好，皺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高機(jī)械抗壓性能和彎曲性能。（3）銅相對(duì)于鉛來(lái)說(shuō)密度較小，能夠減小電纜重量，利于安裝敷設(shè)。（4）沒(méi)有鉛污染，具有環(huán)保意義。（5）皺紋鋼套具備極佳的抗壓性能，鋼絲鎧裝保證電纜的抗拉性能，皺紋不銹鋼套和鋼絲鎧裝的組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)對(duì)海底的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，降低電纜故障率，提高電纜運(yùn)行可靠性。（6）皺紋鋼套為密封結(jié)構(gòu)，與皺紋銅套組成“雙保險(xiǎn)”阻水結(jié)構(gòu)，提高電纜運(yùn)行可靠性。（7）很好的彎曲性能，重量輕，實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度生產(chǎn)。

綜上所述，銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保海底電纜可以取代傳統(tǒng)的鉛護(hù)套海底電纜，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]應(yīng)啟良. 我國(guó)發(fā)展直流海底電力電纜的前景[J]. 電線電纜，2012（3）：1-7

[2]吳建寧，鄭運(yùn)焱，吳弘. 三芯光電復(fù)合海底電纜的設(shè)計(jì)與制造之一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電線電纜，2012（6）：20-26.

[3]劉子玉. 電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理上冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工藝出版社，1981.

[4]趙健康. 高壓電纜及附件[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2020.

[5]劉書全. 220 kV XLPE 絕緣電力電纜的設(shè)計(jì)及試制[J]. 電線電纜，2000（5）：10-14.

[6]邵啟兵. 分相鉛包海底電纜感應(yīng)電勢(shì)及損耗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[7]周自強(qiáng)，劉學(xué)忠，王少華，等. 500 kV XLPE 海底電纜絕緣及護(hù)套暫態(tài)電壓仿真計(jì)算[J ]. 高電壓技術(shù)，2018，44（8）：2725-2731.

[8]芮皓然. 220 kV 高壓?jiǎn)涡倦娎|參數(shù)計(jì)算與瞬態(tài)分析[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2018.

[9]李超，周學(xué)軍，歐陽(yáng)群. 新型海纜船海纜裝載的作業(yè)規(guī)范[J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2009（6）：36-39.

[10] CICRE-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].

[11]鄭新龍，張磊，宣耀偉，等. 降低單芯海底電力電纜鎧裝損耗的試驗(yàn)和簡(jiǎn)易計(jì)算[J]. 電線電纜，2014（2）：32-35.

[12]何旭濤，馬興端，閆循平. 降低高壓海底電纜登陸段電能損耗的措施研究[J]. 浙江電力，2011（11）：29-31.

第一作者簡(jiǎn)介：劉曉東（1963-），男，遼寧沈陽(yáng)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娎|，已發(fā)表論文5篇。

（編輯：刁少華）