海底異種電纜接頭的制備及其電力學(xué)特性分析

國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽(yáng)供電分公司 潘雄文 陳 輝 張 磊 姚 瓊 曾燦林

軟電纜也叫軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)體電纜，通常為多股導(dǎo)體，股數(shù)越多狀態(tài)越軟，相應(yīng)的制造成本也就越高，擠制絕緣時(shí)工藝難度也較高。硬電纜施工相對(duì)方便，但其接觸面偏小且時(shí)間久了較易松動(dòng)。軟電纜接觸面大但施工相對(duì)繁雜。硬電纜散熱差、過(guò)載率不好，但接線(xiàn)可靠；軟芯銅電纜散熱好，過(guò)載率高于單芯線(xiàn)但很容易發(fā)生虛接的狀況。硬電纜價(jià)格相對(duì)更加便宜。

1 熱塑彈性體的化學(xué)成分以及特性

塑性橡膠彈性體(tpe)，因其材料可直接通過(guò)采用傳統(tǒng)塑料耐熱成型的加工方法對(duì)使用原材料內(nèi)部進(jìn)行橡膠加工，不僅加工能耗低，原材料也可被重復(fù)使用，因此其加工技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速，迄今其使用原材料的產(chǎn)品能耗利用量約占到所有可使用傳統(tǒng)橡膠材料的20%。因眾多tpe 為一種物理交聯(lián)或離子交聯(lián)，與目前市場(chǎng)上其他傳統(tǒng)熱固性成型橡膠加工技術(shù)產(chǎn)品相比，存在空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性能差、耐熱固化溫度低、使用永久性橡膠變形大等問(wèn)題。因此需要尋找一種方法，既有別于傳統(tǒng)的熱固性加工橡膠中的C—C，C—S 或—S—S—共價(jià)交聯(lián)鍵，又可以直接進(jìn)行熱塑性加工的共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)技術(shù)，這種方法對(duì)于制備動(dòng)力學(xué)性能良好的tpe 至關(guān)重要[1]。

目前解決該問(wèn)題的有效途徑之一就是通過(guò)利用環(huán)戊二烯(cpd)和環(huán)戊二烯(dcpd)之間的熱可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)，將dcpd 環(huán)引入到線(xiàn)型聚合物的共價(jià)交聯(lián)鍵，制取到與—C—C—共價(jià)交聯(lián)的聚合物以便于改善其不可熱塑化的性能，并可以充分利用到由dcpd在溫度≥170℃下的水解二烯三聚體所形成的一個(gè)帶環(huán)的cpd 側(cè)基線(xiàn)型塑料分子的復(fù)合動(dòng)力學(xué)功能性質(zhì)，賦予其熱可逆塑性和直接加工的基本特征。目前熱塑性彈性體的材料種類(lèi)正在逐漸增加，根據(jù)它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成，常見(jiàn)的主要有以下四種類(lèi)型。

熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)。按其產(chǎn)品生產(chǎn)和原料合成中所使用的同類(lèi)聚合物第一醇又大致相同可以將其細(xì)分為三甲基乙二聚醚和聚第二醇；苯乙烯嵌段類(lèi)熱塑性彈性(TPS)。典型品種為熱塑性SBS 彈性體(苯乙烯丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)和熱塑性SIS 彈性體(苯乙烯一異戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)。此外，還有苯乙烯丁二烯的星形嵌段共聚物；新型聚酯纖維彈性體(tpee)。該類(lèi)型的彈性共聚體一般都認(rèn)為是由對(duì)鄰二元羧酸和其他彈性衍生物，聚醚二醇(它的分子結(jié)構(gòu)容積范圍為600～6000)和低密度分子二醇及其混合物經(jīng)過(guò)熱熔融酯交換后的聚合反應(yīng)液體表面所連接組成的無(wú)規(guī)嵌段彈性共聚物。

熱塑性聚烯烴彈性體(tpo)。這一類(lèi)的新型彈性聚合體一般都主要是經(jīng)過(guò)共用或混合的方法加工制備的。例如它還可將一種橡膠材料中一些具有部分橡膠結(jié)晶注塑性質(zhì)的材料epm 或epdm 與熱熔注塑性質(zhì)的橡膠復(fù)合樹(shù)脂(例如聚乙烯、聚丙烯等)共同預(yù)混，或在共混的同時(shí)采用動(dòng)態(tài)硫化法使橡膠部分得到交聯(lián)，甚至在橡膠鏈上接枝聚乙烯或聚丙烯。此外還有丁基橡膠接枝聚乙烯而得到的熱塑性聚烯烴彈性體。

2 研究?jī)?nèi)容的理論或者實(shí)踐依據(jù)

我國(guó)內(nèi)陸湖泊亟需從現(xiàn)在比較低效、粗放、污染的柴油機(jī)供電體系逐步轉(zhuǎn)變成潔凈、高效、節(jié)約、多元、安全的現(xiàn)代化錨地岸電供電體系。相較之于目前傳統(tǒng)的大型柴油機(jī)和風(fēng)力發(fā)電?？磕Ｊ?，錨地供水岸電不僅能有效地幫助緩解內(nèi)陸地和湖泊下游水體的大氣污染，減少大型船舶在使用錨地岸電?？科陂g的有機(jī)氮氧化物和有機(jī)硫化物等的排放，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳減排也可起著積極有效的推動(dòng)作用。

錨地岸電系統(tǒng)高壓電纜自動(dòng)收放控制技術(shù)。電纜自適應(yīng)水位收放裝置安裝于高壓岸電船舶上，基于水位感應(yīng)及拉力檢測(cè)，根據(jù)水位自動(dòng)調(diào)整電纜收放，在水位變化時(shí)能自動(dòng)收放高壓軟電纜，確保電纜達(dá)到恒張力的控制。首先，高壓岸電船用電纜絞車(chē)將岸船連接電纜整齊的收儲(chǔ)在電纜絞車(chē)上，并將另一段電纜連接到箱變進(jìn)線(xiàn)位置，通過(guò)該設(shè)備的大容量滑環(huán)組件將電能輸送到船上用電設(shè)備，然后在水底預(yù)留數(shù)米長(zhǎng)的高壓軟電纜，當(dāng)箱變躉船位置水位高低變化時(shí)，船用電纜絞車(chē)實(shí)行線(xiàn)性張力控制，自動(dòng)管理岸船連接電纜收放，確保高壓電纜張力恒定實(shí)現(xiàn)恒張力控制[2]。而之所以要用軟電纜，主要是因?yàn)橛搽娎|曲率不能太大，軟電纜是船上用的、硬電纜是鋪設(shè)在湖底的。

錨地岸電集中監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)。為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控該岸電項(xiàng)目中各用電設(shè)備的工作狀態(tài)，并及時(shí)響應(yīng)故障，確保所有岸電設(shè)備安全可靠運(yùn)行，因此需要一套適用于錨地岸電的集中監(jiān)控方案。首先，每條船舶需配置工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、監(jiān)控管理系統(tǒng)，用于傳遞電氣信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控；在監(jiān)控室內(nèi)配置一套通訊管理單元，從交換機(jī)采集所有船舶的電氣信息數(shù)據(jù)，并上傳至岸電云平臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)我國(guó)港口岸電的推廣和發(fā)展具有重要意義。

3 海底電纜異種接頭各類(lèi)解決

高壓電纜接口盒（電纜接頭及接口箱）的研發(fā)依據(jù)湖南省岳陽(yáng)市洞庭湖水下10kV 錨地岸電項(xiàng)目，主要為實(shí)現(xiàn)高壓電纜卷盤(pán)的軟電纜在水下與鎧裝水底電纜通過(guò)高壓電纜防水接口盒對(duì)接，為躉船高壓電纜提供了一種根據(jù)水位自動(dòng)調(diào)整電纜收放的解決方式，實(shí)現(xiàn)電力供給。主要解決特種橡膠軟電纜與湖底鎧裝電纜密封連接問(wèn)題。

目前來(lái)說(shuō)，有的水下電纜的接頭技術(shù)達(dá)不到內(nèi)陸湖泊供電的需求。而內(nèi)陸湖泊錨地岸電系統(tǒng)的技術(shù)難題主要集中在水下電纜接頭的制備及檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)水下電纜接頭制備與監(jiān)測(cè)的研究主要集中于軟纜與軟纜、硬纜與硬纜之間的接頭制備與監(jiān)測(cè)，因此海底鎧裝電纜與特種橡膠軟電纜的研發(fā)具有重要價(jià)值[3]。而異種10kV 電纜水下接頭制備與監(jiān)測(cè)仍存在諸多科學(xué)技術(shù)難題，亟待突破與解決，其研發(fā)過(guò)程更是歷經(jīng)了諸多難題：

3.1 解決異種電纜導(dǎo)體連接（二類(lèi)與五類(lèi)導(dǎo)體連接）

導(dǎo)體連接類(lèi)型是屬于異種導(dǎo)體的連接，是交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛包粗鋼絲鎧裝電纜與橡皮絕緣分相編織屏蔽鋼絲編織鎧裝電纜的連接。由于兩種類(lèi)型的電纜工作種類(lèi)不同，一種是交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛包粗鋼絲鎧裝電纜，另一種為橡皮絕緣分相編織屏蔽鋼絲編織鎧裝電纜。若采用傳統(tǒng)壓接方式則很容易出現(xiàn)機(jī)械和電氣連接的不可靠，當(dāng)水下接頭長(zhǎng)時(shí)間隨著漲潮潮落的移動(dòng)就有極大可能導(dǎo)致接頭處連接松動(dòng)。最后經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)決定采用放熱焊的方式進(jìn)行導(dǎo)體連接。

其原理為：金屬氧化物+鋁(粉)→氧化鋁+金屬+熱能（MO+AL →M+ALO+高溫，M 為需要的可用金屬）。放熱焊接技術(shù)的特點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)明顯：焊接點(diǎn)是分子結(jié)構(gòu)、永久不老化。它的焊接特征就像銅一樣，比其他金屬材料更加強(qiáng)壯和牢固，并且不會(huì)被腐蝕性的產(chǎn)物所干擾。焊接接頭是具有永久性的，不會(huì)由于松動(dòng)或者銹蝕而造成很高的電阻。

3.2 解決2類(lèi)與5類(lèi)導(dǎo)體的絕緣連接問(wèn)題

兩種電纜的絕緣是完全不同的材料，一種為交聯(lián)聚乙烯絕緣、屬于2類(lèi)導(dǎo)體，另一種為乙丙橡皮絕緣、屬于5類(lèi)導(dǎo)體。要想絕緣連接好同時(shí)承受運(yùn)行電壓，采用過(guò)渡性材料的選擇就很重要，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)若采用熔接絕緣方式則行不通，無(wú)法真正做到將兩種材料完全融合成整體，甚至可能發(fā)生電氣事故。后面經(jīng)過(guò)多次過(guò)渡性材料選擇和對(duì)比最終決定絕緣連接采用一種熱塑彈性體帶材，以繞包方式進(jìn)行絕緣制作和恢復(fù)。熱塑彈性體是聚合物的共混物。其分散相是硬相即塑料相，在很大程度上決定了材料的剛度、穩(wěn)定性、耐油和耐溶劑性以及耐熱性，其連續(xù)相是彈性相即橡膠相，提供高彈性。同時(shí)熱塑彈性體因其電氣絕緣性能好，在電線(xiàn)電纜及其它絕緣結(jié)構(gòu)中有廣泛應(yīng)用。

3.3 解決海底電纜的鋼絲鎧裝與接口箱的連接問(wèn)題及接口箱密封與耐壓?jiǎn)栴}

海底電纜的鋼絲鎧裝作用就是承受拉力，保護(hù)好電纜不受拉力作用而損壞。如何將海纜的鋼絲與接口箱殼體進(jìn)行硬連接十分重要，只有這樣才能保護(hù)電纜接頭不受拉力。接口箱殼體是根據(jù)接頭的結(jié)構(gòu)尺寸，在滿(mǎn)足接頭電氣性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到機(jī)械保護(hù)的作用，同時(shí)承受水下大壓力高壓強(qiáng)耐腐蝕等等一系列問(wèn)題[4]。

起初通過(guò)法蘭盤(pán)壓接的方法將海纜鋼絲固定到接口箱殼體上，最后通過(guò)螺栓鎖緊，但是由于海纜鋼絲較粗且其硬度足夠，因此，我們通過(guò)法蘭鎖緊的方式就變得非常吃力。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終決定將海纜鋼絲采用316L 不銹鋼絲氬弧焊接方式直接焊接到接口箱殼體上，確保其足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的電氣性能[5]。

同時(shí)，為了保證接口箱水下能夠承受2MPa 的壓力，擬考慮選用316l 高強(qiáng)度材質(zhì)6mm 厚的不銹鋼作為接口箱的外殼。殼體內(nèi)注入密封膠進(jìn)行密封。為了給接頭提供足夠的防水和密封效果，在接口箱內(nèi)部還安裝有一層銅殼體來(lái)對(duì)接頭進(jìn)行雙重保護(hù)，內(nèi)部同樣填充滿(mǎn)防水密封膠，真正做到了密封、防水、絕緣為一體。

4 電纜頭電場(chǎng)分布

高壓無(wú)線(xiàn)電纜每一個(gè)三相線(xiàn)芯外，分別設(shè)置了具有一個(gè)導(dǎo)電接地(鋁或銅)層和屏蔽膜兩層，導(dǎo)電電纜線(xiàn)芯和接地屏蔽膜兩層之間通常會(huì)連接形成一個(gè)較大徑向均勻分布的高壓電場(chǎng)。正常使用情況下銅線(xiàn)電纜的銅芯導(dǎo)線(xiàn)和動(dòng)力電場(chǎng)，只有由(小于銅)銅芯導(dǎo)線(xiàn)兩端沿沿著半徑和軸方向(大于銅)導(dǎo)體屏蔽的外層上方發(fā)出的軸向電力電導(dǎo)線(xiàn)，沒(méi)有由銅芯線(xiàn)沿著半徑軸向的內(nèi)部和半導(dǎo)體屏蔽層方向發(fā)出的動(dòng)力電場(chǎng)(有時(shí)稱(chēng)為軸向電力電導(dǎo)線(xiàn))，其中線(xiàn)和電場(chǎng)的能量分布均勻。但由于不同的異種材料之間電導(dǎo)率相對(duì)差異很大，且其受電場(chǎng)的強(qiáng)度及溫度的影響比較嚴(yán)重，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，感應(yīng)電流就會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生[6]。

所以，當(dāng)通過(guò)交流電周?chē)鷧^(qū)域的磁場(chǎng)的振動(dòng)強(qiáng)度就可能會(huì)有所起伏，方向上下交替，交換的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化將使得它們產(chǎn)生一個(gè)感生的電場(chǎng)，而這個(gè)感生的電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)變性質(zhì)也是由交流電震蕩特征所決定的，也就是感生電場(chǎng)可能為穩(wěn)恒電場(chǎng)，也可能為時(shí)變電場(chǎng)。同樣受交流電的振蕩特性影響，感生電場(chǎng)可能也會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)，如此下去。空間中的電磁場(chǎng)分布就是各階的感生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的疊加。導(dǎo)致電纜接頭處隨著長(zhǎng)時(shí)間受到熱脹冷縮效應(yīng)產(chǎn)生縫隙。

在某個(gè)電場(chǎng)的強(qiáng)度范圍內(nèi)，溫度及其電場(chǎng)強(qiáng)度的變化均可能會(huì)致使電導(dǎo)率產(chǎn)生明顯的變化，該場(chǎng)強(qiáng)度范圍也可能隨著溫度而產(chǎn)生變化，因此高壓交流電纜采用兩種數(shù)值相同的數(shù)設(shè)式工作環(huán)境下，負(fù)荷時(shí)電場(chǎng)的分布應(yīng)當(dāng)均勻；當(dāng)電纜傳遞的電流很大時(shí)，就會(huì)造成電纜絕緣內(nèi)部的溫度梯度加快，電纜絕緣外部表面接觸處的電場(chǎng)強(qiáng)度降低。

5 結(jié)語(yǔ)

要想更好地保證連接器的安裝質(zhì)量，除了從技術(shù)和工藝上把握好關(guān)鍵點(diǎn)以外，每一位操作人員都需有足夠的技術(shù)和責(zé)任心，嚴(yán)格地遵守其制作的工藝和規(guī)程，選擇專(zhuān)用電纜及工具，在進(jìn)行連接器作業(yè)前就要明確對(duì)其安裝的步驟及對(duì)工藝和質(zhì)量的要求，在進(jìn)行連接器作業(yè)的過(guò)程中就要加強(qiáng)監(jiān)督和管理，當(dāng)遇到問(wèn)題要及時(shí)進(jìn)行解決，保障電纜線(xiàn)路安全、可靠地運(yùn)行。