高壓直流海底電纜軟接頭的研發(fā)

祁登權(quán) 楊甫軍 席菲菲

重慶泰山電纜有限公司

近年來我國海底電纜蓬勃發(fā)展，220kV 及以下的XLPE 絕緣交流海底電纜已取代進(jìn)口。但高壓直流海纜仍是一片空白，具有廣闊的市場前景。高壓直流海底電纜從結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳輸功率和經(jīng)濟(jì)效益來看，比高壓交流海底電纜較為有優(yōu)勢。因此在取得交流海底電纜研究經(jīng)驗積累和成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行高壓直流海纜的研究，有利于推動和促進(jìn)海纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

軟接頭制作流程

軟接頭電纜結(jié)構(gòu)

圖1 軟接頭結(jié)構(gòu)圖

軟接頭各道工序制作的研究

絕緣線芯矯直

絕緣線芯矯直軟接頭制作是首道工序，其目的是使電纜導(dǎo)體焊接、絕緣注塑處于同一水平線，方便擠出模具操作。線芯矯直程序為剝開PE 護(hù)套、用稀釋劑清除鉛套表面的瀝青，剝開鉛套，然后采用硅橡膠加熱帶進(jìn)行線芯加熱，加熱溫度75°左右，加熱時間（以150kV 1×800mm2直流海底為例）4～6h，絕緣線芯可根據(jù)不同電壓等級延長或縮短加熱時間。直到線芯達(dá)到一定的柔軟度時固定線芯，最后冷卻線芯，達(dá)到線芯矯直目的。

導(dǎo)體焊接

導(dǎo)體焊接是軟接頭制作中關(guān)鍵難點和重要工序之一。通常采用氧氣和乙炔、含15%的銀釬焊條作為導(dǎo)體焊接的主要材料，在控制導(dǎo)體焊接外徑保證的同時，即能導(dǎo)達(dá)到導(dǎo)體電阻要求，又能滿足導(dǎo)體焊接后的抗拉強(qiáng)度。導(dǎo)體焊接關(guān)鍵點：①導(dǎo)體焊接處熔點溫度控制，溫度過高易使導(dǎo)體嚴(yán)重退火，從而降低導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度；②溫度過低會導(dǎo)致導(dǎo)體未熔接、未焊透、夾渣現(xiàn)象；③導(dǎo)體焊接兩端通入冷卻循環(huán)水，避免導(dǎo)體焊接處溫度過高或火焰?zhèn)^緣。

內(nèi)屏蔽恢復(fù)

內(nèi)屏蔽制作前首先清除導(dǎo)體表面毛刺或氧化物，然后用酒精濕布擦去導(dǎo)體表面的雜質(zhì)。內(nèi)屏蔽恢復(fù)通常有兩種方式，一種是繞包式。在導(dǎo)體上處繞包專用半導(dǎo)電屏蔽帶，其優(yōu)點是攜帶方便、操作簡單、快捷，制作時間短。缺點是需要專業(yè)人員制作，由于手工操作時難免用力不均，造成邊角擠壓形成氣隙現(xiàn)象，在做試驗局部放電時容易產(chǎn)生放電量過大。這種現(xiàn)象是影響電纜局部放電的最大致命缺陷；另一種是擠包式。擠包與本體相同的半導(dǎo)體屏蔽材料，國內(nèi)外通常采用的形式。但是過程比較繁瑣，需對擠礎(chǔ)機(jī)和銅模加熱進(jìn)行注塑，延長了海纜在搶修時間，而且室外制作時攜帶設(shè)備很不方便。

絕緣注塑恢復(fù)

圖2 導(dǎo)體焊接示意圖

絕緣注塑是通過自主研發(fā)注塑模具、加熱瓦塊、橡皮模具以及一套加熱和冷卻循環(huán)系統(tǒng)。絕緣注塑前先預(yù)熱精削的鉛筆頭，同時加溫可移動式雙螺桿專用擠出機(jī)，待鉛筆筆頭預(yù)熱溫度與擠出溫度相同時，將塑化好的絕緣向絕緣模具腔體內(nèi)注塑，直到腔體注滿為止。移動式擠出機(jī)的優(yōu)異特點較為突出，操作方便、排膠量大，擠出速度快，適用于室內(nèi)外現(xiàn)場操作。絕緣注塑要求凈化程度很高，絕緣注塑后電氣性能和機(jī)械性能等項目檢測應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)TICW.7.1-2012 技術(shù)規(guī)范要求。

絕緣注塑容易出現(xiàn)的現(xiàn)象：①絕緣線芯嚴(yán)重偏心；②表面有氣孔、竹節(jié)、疙瘩、凸凹不平；③絕緣表面有雜質(zhì)、顆粒、不規(guī)則條紋、裂紋，縫隙等現(xiàn)象。

絕緣硫化

絕緣硫化是軟接頭制作的最關(guān)鍵點和難點，絕緣硫化好壞直接影響到電纜性能。絕緣擠出檢查合格后才能進(jìn)行硫化，絕緣硫化與絕緣擠出模具基本相似，除有硫化模具，橡膠模具、加熱塊、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成之外，多了氮氣裝置。先通入氮氣檢查模具的氣密性，確保無漏氣現(xiàn)象后再加熱。硫化中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題：①絕緣內(nèi)有氣泡或氣孔；②絕緣下垂、嚴(yán)重偏心；③溫度過低絕緣錐形截面和注塑絕緣未完全融合；④硫化溫度過高造成絕緣表面燒焦；⑤絕緣熱延伸不合格。

外屏蔽恢復(fù)

外屏蔽恢復(fù)與內(nèi)屏蔽恢復(fù)是同樣的原理，先預(yù)熱絕緣線芯后將絕緣外屏蔽材料制作好大的帶子繞包在絕緣上，然后加壓、加熱外屏蔽使外屏蔽與絕緣很好的粘接，最后修復(fù)打磨，用酒精擦凈外屏蔽表面，確保外徑同本體基本一致。

軟接頭線芯脫氣

外屏蔽恢復(fù)完畢后對軟接頭處進(jìn)行脫氣，脫氣溫度、時間和本體一致。

鉛套焊接恢復(fù)

鉛護(hù)套恢復(fù)用氫氧焰焊接，用已制作好的鉛管在導(dǎo)體焊接工序時套入電纜上，然后到鉛套恢復(fù)工序時與本體鉛套焊接熔接。鉛套焊接比較特殊，由于鉛的熔點比較低，所以焊接溫度不宜太高，溫度過高易成熔融狀態(tài)，不易粘接在一起。鉛套焊接難以操作部位的是線芯側(cè)面和下方。

PE 護(hù)層恢復(fù)

PE 護(hù)層的恢復(fù)通常有兩種形式、一種是注塑型護(hù)套；另一種是用繞包PE 護(hù)套。

外被層恢復(fù)

海底電纜外被層主要是鋼絲鎧裝（也有銅絲鎧裝，根據(jù)環(huán)境和使用條件），外面由多層瀝青和多層PP 繩交替生產(chǎn)，然后再繞包一層帶子。

機(jī)械性能試驗

軟接頭電纜機(jī)械性能試驗可根據(jù)國際大電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，分為非電氣性能試驗和電氣性能試驗。非電氣性能試驗主要包括直流電阻測試、阻水試驗（導(dǎo)體阻水和金屬下阻水試驗）、絕緣老化前后的機(jī)械性能試驗、盤繞、張力彎曲試驗；電氣性能試驗主要包括負(fù)荷循環(huán)試驗、沖擊電壓試驗、雷電脈沖耐壓試驗和直流耐壓試驗。

導(dǎo)體的縱向透水試驗如圖3

導(dǎo)體縱向透水試驗是海底電纜生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的一個試驗試驗項目，其目的是為了驗證當(dāng)敷設(shè)在不同海域深度下，海纜受損或拉斷時海水沿著線芯方向滲最短米數(shù)，贏得工程最短時間內(nèi)搶修完成。此試驗取了1 根20m 的絕緣線芯，常溫下在線芯中心點開50mm 的小口，安裝高壓密封容器裝置，向密封容器內(nèi)注入1.0～1.2Mpa 個水壓，維持24 小時后，經(jīng)檢查導(dǎo)體滲透情況，水向兩端滲水不超過2m，完全符合JB/T 11167-2011 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。

盤繞試驗

盤繞試驗要求電纜長度至少能盤繞8 圈，電纜中心部位應(yīng)至少含有兩個軟接頭。兩個軟接頭間的最短距離應(yīng)等于兩圈盤繞周長。試驗時電纜兩端各部分（如導(dǎo)體、鉛套、加強(qiáng)層、鎧裝層）都應(yīng)連接在一起。盤繞前應(yīng)沿電纜軸線平行方向做一標(biāo)志線，以檢查電纜盤繞過程中扭轉(zhuǎn)是否均勻。試驗時，試樣最小盤繞直徑和盤繞高度由制造方、裝運(yùn)及敷設(shè)中可能出現(xiàn)的數(shù)值決定。而現(xiàn)行國際大電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中暫定最小盤繞直徑為4.6m，最小盤繞高度為8m。盤繞試驗其主要目的檢查盤繞試驗后電纜導(dǎo)體、絕緣、金屬套、鋼絲，以及外被層不受變形或損壞。盤繞試驗如圖4 所示。

圖4 盤繞試驗

張力彎曲試驗

從經(jīng)過做盤繞試驗的電纜取樣進(jìn)行彎曲試驗，試樣至少應(yīng)含一個軟接頭。試樣長度至少30m，軟接頭距離電纜端頭不小于10m 試樣兩端盤繞在圓筒體上，圓筒體的直徑不小于3m，試樣與彎曲通體接觸長度不小于圓筒體周長的一半。采用適合的設(shè)備，包含可能有的接頭的電纜試樣應(yīng)在圓盤上連續(xù)地盤繞和退出盤繞三次，而不改變彎曲方。

試驗期間，電纜應(yīng)承受的機(jī)械應(yīng)力 單位 N。

電纜敷設(shè)水深為（0～500）m

用下述公式計算試驗電纜段受到的試驗張力

式中：

W ——1m 電纜水中重量（電纜自重減去排開的同體積水重），N/m；

d ——最大敷設(shè)水深，m；

H ——最大允許水底接觸點對電纜的張力，N。

其中d 最小值規(guī)定為200m。

電纜敷設(shè)水深大于500m

此方法特別用于電纜敷設(shè)深度大于500m 場合，但是如果敷設(shè)設(shè)備和敷設(shè)條件已知，可用于特定的水深小于500m 的工程。

用以下公式計算試驗張力：

式中：

W ——1m 電纜水中重量，N/m；

d ——最大敷設(shè)水深，m；

H ——最大允許張力，N；

1.2——動態(tài)力安全系數(shù)。

用式（2）計算H。

按簡化模式，忽略縱向彈性和實際的電纜水中懸垂線形狀，用下式計算動態(tài)張力D

式中：

bn ——敷設(shè)滑輪峰對峰垂直運(yùn)動量，m；

m ——電纜質(zhì)量，kg/m；

ω——2π/t，敷設(shè)滑輪轉(zhuǎn)動的角頻率，1/s；

t ——運(yùn)動時間，s。

軟接頭的應(yīng)用

軟接頭技術(shù)是生產(chǎn)大長度海底電纜的關(guān)鍵和核心技術(shù)，目前國內(nèi)有部分廠家已獲得220kV 及以下的交聯(lián)海底電纜軟接頭型式試驗報告，而且軟接頭制作已成功應(yīng)用于海纜項目工程中，至今還沒出現(xiàn)質(zhì)量問題。然而國內(nèi)外直流海底電纜的軟接頭仍是一片空白，需要通過自主創(chuàng)新、研發(fā)、試驗等一系列工作來不斷完善，填補(bǔ)這一空白還需要一段時間。由于直流電纜絕緣材料與交流電纜絕緣材料不同，直流電纜絕緣材料在電場的作用下，形成分布不均的空間電荷。隨著電壓的升高，絕緣截面空間電荷的聚集增加，軟接頭處電場畸變效應(yīng)尤為顯著。

結(jié)語

通過對直流海底電纜軟接頭的研發(fā)、設(shè)計、制作、試驗以及應(yīng)用，提出了直流海底電纜軟接頭的技術(shù)、制作方法以及應(yīng)用。得到以下結(jié)論：

雖然直流海底電纜軟接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但大多工序?qū)儆谑止ぶ谱?，工藝?fù)雜。尤其是制作過程中每道工序的控制，如導(dǎo)體焊接、擠出溫度、硫化溫度以及硫化時間，機(jī)械性能試驗，耐壓試驗皆是關(guān)鍵步驟，也是軟接頭合格與否的重要因素。

直流海底電纜軟接頭與普通的搶修接頭不一樣，制作成本低，制作工期短，穩(wěn)固性好。

成功地解決了直流海底電纜大長度的生產(chǎn)，可實現(xiàn)直流海底電纜拉斷或故障時作為接頭處理，確保海纜的正常運(yùn)行。

直流海底電纜軟接頭不僅在工廠可以制作也可以施工現(xiàn)場制作，制作和施工方便，不受限制。