含軟接頭的220 kV光纖復(fù)合海底電纜的研制

周厚強(qiáng)

(江蘇亨通高壓電纜有限公司，江蘇常熟215537)

0 引言

隨著新能源的開發(fā)利用，沿海風(fēng)電的開發(fā)將會(huì)越來(lái)越受到重視，中國(guó)是世界海上風(fēng)力發(fā)電最具潛力的國(guó)家之一。2009年初，國(guó)家能源局制定了海上風(fēng)電場(chǎng)工程規(guī)劃大綱，海上風(fēng)電重點(diǎn)在山東、江蘇、浙江、福建等沿海地區(qū)。沿海風(fēng)電的發(fā)展必然帶動(dòng)海底電纜相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)際上幾個(gè)著名的的海纜制造企業(yè)都在研制220 kV光纖復(fù)合海底電纜。在未來(lái)幾年，220 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣光纖復(fù)合海底電纜必將在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用，沿海風(fēng)電設(shè)計(jì)部門已經(jīng)多次邀請(qǐng)海纜制造企業(yè)設(shè)計(jì)220 kV的海纜。

圍繞超高壓、大長(zhǎng)度、軟接頭等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，我公司專門成立了220 kV光纖復(fù)合海底電纜研發(fā)課題組，經(jīng)過(guò)課題組的攻關(guān)，順利完成產(chǎn)品試制并取得了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的型式試驗(yàn)報(bào)告。

1 電纜設(shè)計(jì)方案

220 kV光纖復(fù)合海底電纜是在110 kV光纖復(fù)合海底電纜的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)是根據(jù)220 kV光纖復(fù)合海底電纜的特點(diǎn)，主要考慮導(dǎo)體的阻水特性、金屬護(hù)套承受短路電流能力以及軟接頭等諸因素而提出來(lái)的。

1.1 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)除重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)電性能之外，最重要的就是導(dǎo)體的阻水性能了，根據(jù)ELECTRA No.171.1997－CIGRE的規(guī)定，海纜的導(dǎo)體阻水試驗(yàn)?zāi)M水深最深區(qū)段電纜故障情況，試樣浸入對(duì)應(yīng)敷設(shè)水深壓力的水中，一般至少試驗(yàn)持續(xù)10天，水溫和環(huán)境溫度相同，對(duì)導(dǎo)體切開處作目測(cè)檢驗(yàn)，這些部位應(yīng)無(wú)水。

目前國(guó)內(nèi)超高壓電纜截面一般都超過(guò)800 mm2，由于集膚效應(yīng)，一般采用分割導(dǎo)體。但由于海底電纜的特殊使用環(huán)境，要求導(dǎo)體阻水性能良好，分割導(dǎo)體較難保證阻水性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)大長(zhǎng)度海纜一般都有軟接頭，分割導(dǎo)體的接頭怎么實(shí)現(xiàn)也是技術(shù)難點(diǎn)。根據(jù)國(guó)外海纜實(shí)際工程運(yùn)用情況，海纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)采用圓形緊壓比較普遍，Nexans公司設(shè)計(jì)制作了單絲直徑為4.77 mm、根數(shù)91根的245 kV 1600 mm2圓形緊壓導(dǎo)體海纜。

下面以1000 mm2鉛套粗鋼絲鎧裝110 kV海底電纜為例，計(jì)算圓形緊壓導(dǎo)體與分割導(dǎo)體在相同海況下兩端接地時(shí)的載流量。

根據(jù)JB/T 10181.1，集膚效應(yīng)因數(shù)Ys為:

式中，R'為最高溫度下的單位長(zhǎng)度的直流電阻;f為電源頻率50 Hz;ks為JB/T 10181.1給出的系數(shù)，圓形緊壓導(dǎo)體取1，分割導(dǎo)體取0.435。

經(jīng)計(jì)算，緊壓圓形導(dǎo)體的集膚效應(yīng)因數(shù)為0.144，分割導(dǎo)體為0.063。

海纜敷設(shè)距離一般在50 m左右，根據(jù)JB/T 10181.1給出的鄰近效應(yīng)因數(shù)Yp的計(jì)算公式計(jì)算，Yp=4.591×10－10。由此可以看出鄰近效應(yīng)較小，對(duì)交流電阻的影響較小。

在海水常年水溫為25℃、海灘土壤熱阻系數(shù)0.7 K·m/W、導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度90℃、水下敷設(shè)間距為50 m、敷設(shè)深度為2.5 m的情況下計(jì)算電纜的載流量，圓形緊壓導(dǎo)體為967.025 A，分割導(dǎo)體為980.019 A。

由此可以看出載流量相差非常小，海纜采用圓形緊壓導(dǎo)體是可行的。

1.2 絕緣設(shè)計(jì)

GB/Z 18890.2—2002中規(guī)定的220 kV交聯(lián)電纜的絕緣厚度富裕度較大，作為220 kV光纖復(fù)合海底電纜的絕緣厚度完全可以滿足要求。

1.3 屏蔽層和徑向阻水層設(shè)計(jì)

目前海纜的徑向阻水層普遍采用合金鉛套，因?yàn)橹旅艿暮辖疸U套能夠完全阻擋水分的入侵和潮氣的滲透，同時(shí)鉛套又可以作為高壓電纜的屏敝層，如果不能滿足系統(tǒng)短路容量的要求，應(yīng)考慮增加鉛套厚度或采取增加銅絲和銅帶的方法解決。

合金鉛套應(yīng)采用擠出的無(wú)縫鉛管。由于鉛比較柔軟，為了避免鉛套在海纜后道工序加工過(guò)程中損壞以及受海水腐蝕，需在鉛套外擠包一層半導(dǎo)電聚乙烯(PE)護(hù)套，這層PE護(hù)套可以保證鉛套與鎧裝層的等電位連接，確保了金屬套和鎧裝層共同承受感應(yīng)電流和短路電流。這層PE護(hù)套同時(shí)具有一定的阻水效果。

由于部分海域存在一種貝類蛀船蟲，不僅侵蝕沉船還會(huì)損壞電纜，因此在PE護(hù)套外繞包兩層0.1 mm厚的黃銅帶，黃銅帶不僅能防止蛀船蟲損壞海纜而且可以與鉛套共同承擔(dān)短路電流。

1.4 光纖單元的設(shè)計(jì)

將光纖單元復(fù)合到海底電纜系統(tǒng)中，主要起到以下作用:分布式溫度測(cè)量;數(shù)據(jù)傳輸;電纜應(yīng)變或振動(dòng)測(cè)量;故障探測(cè)與定位;監(jiān)控電纜路由變化(如電纜周圍環(huán)境改變)等。

由于海底光纜與陸上光纜對(duì)光纖單元的要求有差異，故不能簡(jiǎn)單地把陸上光纜中的光纖單元用在海底光纜上，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、水密性能、滲水性能和抗海水腐蝕性能。光纖單元必須具有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵擋在電纜制造過(guò)程中遭受的彎曲壓力，也要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)承受電纜在盤繞和敷設(shè)時(shí)所發(fā)生的扭轉(zhuǎn)。

綜合考慮，將光纜單元放置在繞包的墊層中，在光纖的兩側(cè)放置兩根同直徑的金屬絲，金屬絲與光纖同時(shí)成纜。當(dāng)電纜受到外界的擠壓時(shí)，光纖單元受金屬絲的保護(hù)而不會(huì)被壓扁，繞包結(jié)構(gòu)保證了彎曲時(shí)有一定的位移，從而保證了光纖的傳輸性能。光纖單元放置位置見圖1。

圖1 220kV光纖復(fù)合海底電纜結(jié)構(gòu)圖

1.5 鎧裝層的設(shè)計(jì)

鎧裝層是海底電纜中非常重要的保護(hù)層，保護(hù)電纜在施工、敷設(shè)、運(yùn)行以及維護(hù)中不受損壞，需要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又要兼顧對(duì)電纜載流量的影響。

單芯電纜中導(dǎo)體電流會(huì)使鎧裝中產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致?lián)p耗，因此鎧裝層金屬材料的磁性與非磁性必須全面考慮。在單芯金屬套電纜兩端接地的情況下，損耗系數(shù)與金屬層和鎧裝層的并聯(lián)電阻值關(guān)系密切。由于銅絲電阻值較小又是非磁性材料，因此是鎧裝層的最佳材料，但價(jià)格昂貴;不銹鋼絲雖然磁滯損耗較小，但導(dǎo)體電阻大，影響海纜的載流量;目前大部分的海纜選擇鍍鋅鋼絲作為鎧裝層。

下面通過(guò)在相同敷設(shè)條件下海纜的載流量計(jì)算來(lái)說(shuō)明采用鍍鋅鋼絲作為鎧裝層的可行性。220 kV 1600 mm2海底電纜，海纜敷設(shè)間距50 m，敷設(shè)深度2 m，環(huán)境溫度28℃，海床溫度系數(shù)0.7 K·m/W，扁銅絲、不銹鋼絲、鋼絲電阻率分別為3.0×10－8、70×10－8、13.8 ×10－8Ω·mm2/m，鎧裝層下所有的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)均相同。

已知導(dǎo)體電阻為 0.0113 Ω/km，直徑為 50.9 mm，鉛套厚度取3.8 mm，鎧裝扁銅絲為二層，一層44根，一層47根，尺寸為8.5 mm×3.5 mm，鍍鋅鋼絲和不銹鋼絲均為72根，直徑6 mm，不含光纜。

經(jīng)計(jì)算，載流量分別為扁銅絲1568 A，不銹鋼絲858 A，鍍鋅鋼絲1251 A。由此可以看出，在單芯220 kV海纜中，相對(duì)不銹鋼絲而言，鍍鋅鋼絲電阻值較小，載流量較大，又非常經(jīng)濟(jì)，因此一般采用鍍鋅鋼絲作為海纜的鎧裝保護(hù)層。

1.6 防腐和外被層設(shè)計(jì)

海底電纜設(shè)計(jì)中必須重視防腐設(shè)計(jì)，因?yàn)楹Ｋ械拇罅葵}分以及其它化學(xué)成分形成了嚴(yán)重的腐蝕性環(huán)境。要對(duì)金屬套及以外的結(jié)構(gòu)單元提供有效的防腐措施，才能確保海纜長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。從成本和性能分析，瀝青成本低，性能優(yōu)良，是最佳的防腐材料，因此每層需要涂敷瀝青。

為了避免瀝青在加工和運(yùn)輸敷設(shè)過(guò)程中被擦掉而降低防腐性能，需要設(shè)計(jì)外被層。外被層采用聚丙烯繩繞包以及瀝青涂敷結(jié)構(gòu)，二者是最佳組合。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析，確定試制產(chǎn)品的型號(hào)規(guī)格為HYJQ41－F 127/2201×1000+2×12D1，產(chǎn)品名稱為銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鉛套粗圓鋼絲鎧裝聚丙烯纖維外被層光纖復(fù)合海底電纜(含軟接頭)，簡(jiǎn)稱光纖復(fù)合海底電纜。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 產(chǎn)品性能指標(biāo)

光纖復(fù)合海底電纜主要技術(shù)指標(biāo)(含軟接頭)見表1。

表1 光纖復(fù)合海底電纜主要技術(shù)性能指標(biāo)(含軟接頭)

3 關(guān)鍵技術(shù)與解決方案

3.1 導(dǎo)體阻水

導(dǎo)體采用分層緊壓結(jié)構(gòu)，在每層銅絲之間添加阻水材料，導(dǎo)體經(jīng)過(guò)緊壓拉拔模后使阻水材料進(jìn)入到銅絲縫隙中，確保了導(dǎo)體的阻水性能。經(jīng)檢測(cè)，在施加1 MPa水壓24 h后，剪斷解剖，導(dǎo)體透水長(zhǎng)度為7 m，優(yōu)于10 m的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 絕緣的同心度和除氣

采用三層共擠機(jī)頭、雙旋轉(zhuǎn)技術(shù)和TROSS圓度穩(wěn)定系統(tǒng)，使得線芯在導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠過(guò)程中按一定的速度均勻旋轉(zhuǎn)，保證了絕緣的同心度，經(jīng)測(cè)試同心度達(dá)到3%。

為確保大長(zhǎng)度海底電纜線芯除氣要求，我公司自主設(shè)計(jì)了托盤去氣室，去氣室采用圓形設(shè)計(jì)，內(nèi)托盤直徑超過(guò)5 m，擠出后的纜芯直接牽引至去氣室的托盤內(nèi)除氣，無(wú)需周轉(zhuǎn)，既節(jié)省時(shí)間又可避免絕緣線芯的損傷。

3.3 軟接頭

大長(zhǎng)度海底電纜需要由軟接頭進(jìn)行連接，軟接頭核心技術(shù)顯得尤為重要，我公司自主研發(fā)了軟接頭技術(shù)，研發(fā)的海纜產(chǎn)品含有兩個(gè)軟接頭，其制作過(guò)程介紹如下。

軟接頭也稱為工廠接頭，是在未鎧裝的電纜中間，在工廠可控條件下制作的接頭。接頭包括導(dǎo)體接頭、內(nèi)外屏蔽及絕緣接頭、金屬鉛套接頭等。軟接頭處外徑不能超過(guò)電纜本體相同結(jié)構(gòu)單元的10%，成品電纜外徑基本相同，以方便海纜施工敷設(shè)船布纜，圖2是軟接頭幾個(gè)關(guān)鍵位置示意圖。

圖2 軟接頭關(guān)鍵位置示意圖

(1)導(dǎo)體接頭

軟接頭的制作是從導(dǎo)體開始的，導(dǎo)體接頭的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)海底電纜的安裝至關(guān)重要，同時(shí)焊接處的導(dǎo)電率應(yīng)與電纜本體基本一致，具體接頭方法為:把兩根需要連接的電纜頭剝切到絕緣內(nèi)屏蔽層，露出導(dǎo)電線芯，焊接位置見圖2中導(dǎo)體焊接處。焊接時(shí)采用銀焊焊接方式，導(dǎo)體的每層需要錯(cuò)開焊接，焊接后直徑修復(fù)至與電纜本體導(dǎo)體相同尺寸，本試制樣品焊接后的拉斷力經(jīng)測(cè)試為181.5 kN，完成接頭的實(shí)際位置和效果見圖3。

(2)絕緣與內(nèi)外屏蔽接頭

絕緣與內(nèi)外屏蔽的接頭恢復(fù)需要充分考慮接頭的材料與電纜本體各部分的相融性。軟接頭需要在潔凈的環(huán)境下操作，又要考慮工藝性。具體操作方法為:把導(dǎo)體接頭處兩側(cè)的XLPE絕緣切削成鉛筆頭形狀，鉛筆頭位置見圖2中絕緣鉛筆頭處，在鉛筆頭頂部預(yù)留一段導(dǎo)體屏蔽層，然后采用與電纜本體相同的半導(dǎo)電內(nèi)屏蔽料，通過(guò)金屬模加熱緊壓成型，內(nèi)屏蔽層結(jié)合緊密，表層圓整平滑，與導(dǎo)體層之間融合緊密、無(wú)氣隙。完成內(nèi)屏蔽接頭的實(shí)際位置和效果見圖3。

圖3 軟接頭導(dǎo)體及內(nèi)屏敝實(shí)物解剖圖

完成內(nèi)屏蔽后如何恢復(fù)XLPE絕緣層，是整個(gè)軟接頭是否成功的關(guān)鍵。我們用特制的絕緣成型模擠出并在硫化管中加壓、高溫硫化成型，效果達(dá)到預(yù)期值，確保注塑的XLPE電纜料和電纜本體融接在一起。具體操作步驟如下:對(duì)完成導(dǎo)體接頭及導(dǎo)體屏蔽接頭的位置進(jìn)行清潔處理，然后放置到絕緣成型模中，預(yù)熱到105℃;用擠出機(jī)將XLPE電纜料擠壓到絕緣成型模中，等成型模兩端有電纜料溢出時(shí)停止擠出。電纜接頭處冷卻至室溫。移走成型模，換成硫化管，排出空氣沖入氮?dú)?，?00℃和1.2 MPa條件下硫化，完成絕緣層接頭。完成接頭效果見圖4。

圖4 軟接頭絕緣實(shí)物解剖圖

最后，對(duì)絕緣層表面進(jìn)行干燥處理后用半導(dǎo)電漆均勻涂抹并烘干，繞包半導(dǎo)電自粘帶與電纜本體絕緣屏蔽層搭接，繞包半導(dǎo)電阻水帶與電纜本體半導(dǎo)電阻水帶搭接，完成絕緣屏蔽修復(fù)。

(3)鉛套接頭

在完成絕緣屏蔽修復(fù)后，進(jìn)行鉛套接頭，這里需要注意:鉛套接頭的鉛套管是在導(dǎo)體接頭時(shí)套在一側(cè)，將鉛套管移到需要恢復(fù)處，修整到合適尺寸，然后將鉛套管與電纜本體鉛護(hù)套進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接面進(jìn)行整形處理，形成斜坡連接，至此完成鉛套接頭。鉛套的恢復(fù)工藝中鉛管焊接質(zhì)量是關(guān)鍵，應(yīng)在確保焊縫牢固的同時(shí)不燙傷電纜。

4 海纜的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目介紹

本次海纜的型式試驗(yàn)委托國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，試驗(yàn)項(xiàng)目和方法主要參考CIGRE－21－02－ELECTRA－189－APRlL 2000和ELECTRA No.171.1997－CIGRE以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/320581GJM 001—2012《額定電壓220 kV(Um=252 kV)XLPE絕緣大長(zhǎng)度交流海底電纜及附件》。

本次試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)尺寸檢查與220 kV電力電纜基本相同，下面主要介紹海纜的幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目。

4.1 盤繞試驗(yàn)和張力彎曲試驗(yàn)

樣品共包含兩個(gè)軟接頭，其它所有測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行前首先須經(jīng)過(guò)盤繞試驗(yàn)和張力彎曲試驗(yàn)。

把樣品從放線裝置放下，放線裝置頂部高12 m，卷繞到外徑5 m的圓柱體上，順時(shí)針和逆時(shí)針各卷繞3次。把經(jīng)過(guò)盤繞試驗(yàn)的樣品放置在卷繞盤徑4.9 m的圓柱上，施加張力70 kN，來(lái)回拉動(dòng)3次。

試驗(yàn)結(jié)束后觀察樣品并解剖一個(gè)軟接頭，電纜絕緣、金屬套和外護(hù)套完整;對(duì)所有光纖逐芯采用紅光源測(cè)量正常;軟接頭處外觀正常。

4.2 電氣性能試驗(yàn)

把經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)后的樣品(含一個(gè)軟接頭)與兩個(gè)污穢等級(jí)Ⅳ終端附件組成了一個(gè)電纜系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。該電纜系統(tǒng)(含軟接頭)進(jìn)行了20次的熱循環(huán)耐壓試驗(yàn)、局放測(cè)試以及隨后的雷電沖擊試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)。

(1)加熱8 h，導(dǎo)體溫度控制在95～100℃之間，冷卻16 h到室溫，同時(shí)對(duì)電纜試樣進(jìn)行2U0試驗(yàn)，共進(jìn)行20次加熱和冷卻循環(huán)，樣品沒(méi)有發(fā)生絕緣擊穿或閃絡(luò)。

(2)熱循環(huán)耐壓試驗(yàn)后進(jìn)行高溫及室溫局放測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果為:局放無(wú)超過(guò)申報(bào)靈敏度的可測(cè)放電。

(3)經(jīng)過(guò)上述測(cè)試的樣品，在導(dǎo)體溫度95～100℃下按GB/T 3048.13方法對(duì)試樣施加雷電沖擊試驗(yàn)電壓，正負(fù)極性1050 kV各10次，樣品沒(méi)有發(fā)生絕緣擊穿或閃絡(luò)。

(4)在雷電沖擊試驗(yàn)后進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)，產(chǎn)品經(jīng)受了254 kV(2U0)、15 min的工頻電壓試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)生絕緣擊穿或閃絡(luò)。

(5)把完成電氣測(cè)試的樣品在軟接頭處逐層解剖觀察，接頭恢復(fù)處正常。

4.3 阻水試驗(yàn)

施加水壓 1.0 MPa，加壓 24 h，經(jīng)解剖觀察，導(dǎo)體中的透水長(zhǎng)度為7 m、鉛套縱向透水長(zhǎng)度只有1 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

公司采用連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的CCV生產(chǎn)線，并成功研發(fā)了軟接頭制造技術(shù)，具備了大長(zhǎng)度220 kV光纖復(fù)合海底電纜生產(chǎn)能力。所試制產(chǎn)品(含軟接頭)通過(guò)了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/320581GJM 001—2012的要求。

［1］ELECTRA No.171.1997—CIGRE.Recommendations for mechanical tests on submarine cables［S］.

［2］JB/T 10181.1 電纜載流量計(jì)算［S］.

［3］特樂(lè)斯特用于高壓海底電纜生產(chǎn)的擠出技術(shù)［C］//中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電線電纜專委會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.福州:2011.66-84.

［4］CIGRE-21-02-ELECTRA-189-APRIL 2000 Recommendations for testing of long AC submarine cables with extruded insulation for system voltage above 30(36)to 150(170)kV［S］.