王科好，馬 軍，錢子明

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

某沿海潮間帶風(fēng)電場項(xiàng)目工程用光電復(fù)合電力電纜(以下簡稱光電復(fù)合纜)要求:

(1)電纜敷設(shè)于風(fēng)電場區(qū)潮間帶上，電纜直埋于海床下1～2 m，海水深度約2 m;

(2)導(dǎo)體標(biāo)稱截面3×240mm2，額定電壓26/35 kV;

(3)電纜段長要求不低于1000 m;

(4)要求徑向和縱向阻水;

(5)電氣性能符合GB/T 12706—2008要求;

(6)光通信的光單元由8芯低水峰單模光纖(用于信號傳輸)構(gòu)成，傳輸參數(shù)符合ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部)G 652(2000)標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的要求;

(7)必須滿足海岸灘涂光電復(fù)合纜運(yùn)輸、敷設(shè)和海岸灘涂苛刻環(huán)境的要求，使用壽命30年。

我公司與某勘測設(shè)計(jì)研究院合作，根據(jù)某沿海潮間帶風(fēng)電場的特點(diǎn)，組織科技人員，利用亨通集團(tuán)光(電)通信、電力傳輸方面的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，調(diào)動(dòng)相關(guān)資源，對該光電復(fù)合纜的用途、要求、敷設(shè)路徑、運(yùn)行環(huán)境等方面進(jìn)行了深入研究和探討，最終形成了成熟的設(shè)計(jì)方案。

1 海岸灘涂風(fēng)電場光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)

海岸灘涂風(fēng)電場光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)重點(diǎn):一是如何實(shí)現(xiàn)苛刻環(huán)境下復(fù)雜的防水要求;二是必須具備多重耐腐蝕功能;三是光通信的光單元放在復(fù)合纜中的哪個(gè)位置才能得到很好保護(hù)，能經(jīng)受大張力的絞合成纜、運(yùn)輸、敷設(shè)的考驗(yàn)。當(dāng)然，還應(yīng)進(jìn)行復(fù)合纜中的電力電纜和光通信的光單元設(shè)計(jì)。如何滿足復(fù)合纜的段長要求，也是設(shè)計(jì)和制造需要考慮的另一個(gè)方面。

1.1 復(fù)合纜的防水結(jié)構(gòu)

當(dāng)復(fù)合纜長期與水接觸時(shí)，如果本身結(jié)構(gòu)上沒有防水密封，則很容易有水分滲透到復(fù)合纜內(nèi)部。導(dǎo)體遇水長期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致氧化腐蝕，導(dǎo)體電阻偏大;絕緣經(jīng)水侵蝕，在電場的作用下會(huì)產(chǎn)生“水樹枝”，導(dǎo)致絕緣加速老化而造成電纜故障。對于用于沿海灘涂的復(fù)合纜，如果結(jié)構(gòu)上不考慮防水，則一旦進(jìn)水，復(fù)合纜的使用性能勢必急速下降，壽命縮短，因此復(fù)合纜的防水性能是否滿足使用要求至關(guān)重要。

防水性能包括徑向防水和縱向防水兩個(gè)方面，以下分別進(jìn)行闡述。

1.1.1 縱向阻水功能

因?yàn)?6/35 kV海岸灘涂風(fēng)電場光電復(fù)合纜為三芯結(jié)構(gòu)，所以縱向阻水必須考慮導(dǎo)體、絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間的間隙，和成纜后三根絕緣線芯之間的間隙的存在。

通常，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的縱向阻水功能，可以采用兩個(gè)措施:一是采用實(shí)心導(dǎo)體;二是導(dǎo)體采用絞合結(jié)構(gòu)，并在絞合過程中，填入吸水膨脹的阻水材料。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用實(shí)心導(dǎo)體顯然是不合適的，只能采用絞合結(jié)構(gòu)。由于敷設(shè)環(huán)境決定了復(fù)合纜一旦進(jìn)水將以極快的速度蔓延，所以各層導(dǎo)體之間都必須考慮阻水，而且導(dǎo)體絞合結(jié)構(gòu)應(yīng)是正規(guī)絞合，在每層絞線外需繞包適當(dāng)寬度的半導(dǎo)電阻水帶，可保證導(dǎo)體的電性能不受影響。采用這種結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)體絞合緊壓過程中，阻水帶會(huì)局部破裂，但其中的阻水粉仍會(huì)很好地充填于絞線的縫隙中，保持導(dǎo)體的阻水性能。

對于絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間存在的間隙，采用在絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間繞包半導(dǎo)電阻水帶的方式實(shí)現(xiàn)阻水。同時(shí)，通過半導(dǎo)電阻水帶與單面銅塑復(fù)合帶金屬一面的接觸，實(shí)現(xiàn)了絕緣屏蔽與銅塑復(fù)合帶的等電位，起到了均衡電場的作用。

成纜后三根絕緣線芯之間的間隙阻水，常用的有阻水紗、阻水粉及阻水繩。它們的阻水機(jī)理是:當(dāng)水分從復(fù)合纜端頭或是從護(hù)套缺陷中進(jìn)入后，這種含有吸水膨脹粉末的材料就會(huì)迅速膨脹，并阻止了水分沿復(fù)合纜縱向進(jìn)一步擴(kuò)散，從而將水分的影響限制在局部的受損處，實(shí)現(xiàn)了電纜縱向防水的目的。考慮到阻水的實(shí)際功能和成本因素，我們采用了阻水繩實(shí)現(xiàn)線芯間的縱向阻水。

1.1.2 徑向阻水功能

每相線芯采用了“增強(qiáng)銅塑復(fù)合護(hù)層+特種聚乙烯(PE)護(hù)套”阻水防腐層新技術(shù)。該技術(shù)是國際上已成熟應(yīng)用了多年的深海電纜的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。法國的NEXANS公司、意大利的PRYSMIAN公司和世界上最著名的專業(yè)設(shè)計(jì)制造海纜的英國的JDR公司都有類似結(jié)構(gòu)的海纜?？v包時(shí)單面銅塑復(fù)合帶先經(jīng)過特殊的工裝，進(jìn)入擠出機(jī)機(jī)頭后擠包特種PE護(hù)套。因?yàn)殂~塑復(fù)合帶的一側(cè)為高分子材料，所以在成型進(jìn)入機(jī)頭后，在高溫和一定的壓力下，可使特種PE護(hù)套與銅塑復(fù)合帶表面的高分子材料完全粘結(jié)密封(縱包銅塑復(fù)合帶有部分搭蓋)，水分幾乎無法滲透。線芯成纜后，內(nèi)、外護(hù)套采用阻水效果優(yōu)良的改性中密度聚乙烯(MDPE)，既可實(shí)現(xiàn)徑向阻水，又可耐海水腐蝕。

1.2 復(fù)合纜的耐腐蝕結(jié)構(gòu)

沿海灘涂復(fù)合纜的敷設(shè)，必然要穿過海水。海水本身為電解質(zhì)，有原電池效應(yīng)，因此復(fù)合纜的耐腐蝕功能也是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。前面徑向阻水功能設(shè)計(jì)中提到的“增強(qiáng)銅塑復(fù)合護(hù)層+特種PE護(hù)套”阻水防腐層，既可實(shí)現(xiàn)徑向阻水，又有很好的防海水腐蝕作用，而且這種特殊結(jié)構(gòu)還可增強(qiáng)電纜的綜合力學(xué)性能。復(fù)合纜鎧裝層設(shè)計(jì)根據(jù)灘涂電纜敷設(shè)路徑及運(yùn)行環(huán)境要求，遵照用戶需要采用鍍鋅鋼絲，內(nèi)護(hù)層采用特種憎水型PE材料，外護(hù)層采用耐腐蝕改性MDPE材料，進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合纜的耐腐蝕性能。

1.3 復(fù)合纜的光通信的光單元位置

在復(fù)合纜中的電力電纜結(jié)構(gòu)確定后，應(yīng)進(jìn)行光通信的光單元在復(fù)合纜中的位置設(shè)計(jì)，然后再確定光單元的結(jié)構(gòu)。由于交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的導(dǎo)體長期允許工作溫度為90℃，而光纖的適用溫度通常最高不得超過60℃，所以設(shè)計(jì)時(shí)光單元應(yīng)避免放置在導(dǎo)體內(nèi)或靠近導(dǎo)體的部位，通常放置在三相絕緣線芯的中心部位或邊緣空隙中。如果放在中心部位，復(fù)合纜在承受拉力作用時(shí)，光單元由于沒有絞合節(jié)距而呈直線狀態(tài)，將率先受力，而普通結(jié)構(gòu)的光單元，能承受的短暫拉伸力只有2 kN左右，這無法滿足復(fù)合纜在制造和敷設(shè)時(shí)的拉應(yīng)力。如果光單元放在三相絕緣線芯的邊緣空隙中，由于跟絕緣線芯同時(shí)絞合成纜，當(dāng)復(fù)合纜中的纜芯受到拉力作用時(shí)，光單元和絕緣線芯同時(shí)受力，這樣所承受的拉力較小，再加上光單元設(shè)有一定的光纖余長，拉應(yīng)力不會(huì)對光纖的傳輸性能構(gòu)成影響。為避免光單元在與電力電纜的成纜絞合過程中被擠壓，將光單元復(fù)合在填充物中，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效保護(hù)光單元的安全。

1.4 光單元結(jié)構(gòu)

由于沿海灘涂地貌復(fù)雜，高低起伏不平，因此復(fù)合纜敷設(shè)時(shí)將因各種因素制約承受較大的拉力。為確保光單元滿足灘涂苛刻使用環(huán)境和使用條件，設(shè)計(jì)了有一定光纖余長的松套層絞式結(jié)構(gòu)。松套管材料采用激光焊接的不銹鋼管，不銹鋼帶材性能應(yīng)符合GB/T 4239的規(guī)定。由于光單元中的光纖為二氧化硅材料，脆而易受損傷，所以在不銹鋼套管中采用纖膏。這既可保護(hù)光纖，又能防止水分和潮氣的滲入而產(chǎn)生氫損現(xiàn)象，保證光纖性能長期穩(wěn)定。光單元中的內(nèi)外護(hù)套均采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，同樣是考慮光單元的防水功能。在光單元與電力電纜的成纜過程中和光電復(fù)合纜的敷設(shè)過程中，光單元也不可避免地承受一定的拉力，因此，光單元中采用絞合節(jié)徑比不大于14的低碳鍍鋅鋼絲鎧裝，然后用繞包帶繞包，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。光單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 光單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 復(fù)合纜護(hù)層

根據(jù)敷設(shè)的最大海深，計(jì)算出敷設(shè)時(shí)所需承受最大拉力，確定復(fù)合纜鎧裝層鋼絲采用直徑為Φ4.0的低碳鍍鋅鋼絲，內(nèi)外護(hù)層采用特種PE材料。

1.6 復(fù)合纜結(jié)構(gòu)

在綜合考慮了功能的實(shí)現(xiàn)、工藝的實(shí)現(xiàn)難度、合理的制造成本等因素后，最終確認(rèn)的復(fù)合纜結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 26/35 kV海岸灘涂風(fēng)電場光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)

1.7 復(fù)合纜制造長度的段長

海纜的設(shè)計(jì)制造合同中往往規(guī)定定長供貨，即要求提供中間不允許有接頭的規(guī)定長度的電纜。因此，海纜的生產(chǎn)廠都無一例外地建在江邊或海邊，有大的收線場地，有自己的碼頭，以便于大長度電纜的收線和運(yùn)輸、敷設(shè)。由于本次海岸灘涂光電復(fù)合纜供貨段長相對于海纜并不長，只有1000 m，因而只需考慮成纜的收線線盤和成品的裝線線盤是否可滿足要求。經(jīng)計(jì)算，復(fù)合纜的成纜并綁扎后的外徑為Φ105mm，成品外徑為Φ127mm，而我公司擁有的大型成纜設(shè)備可安裝超大型收線盤，成纜后纜芯收線長度可達(dá)1043 m，成品收線長度可達(dá)1061 m，完全可滿足復(fù)合纜段長不低于1000 m的要求。

2 金屬護(hù)套感應(yīng)電勢計(jì)算

由于金屬護(hù)套是采用的單面銅塑復(fù)合帶，且金屬一面通過半導(dǎo)電阻水帶與絕緣屏蔽接觸(滿足均衡電場的需要)，而銅塑復(fù)合帶外面又有特種PE護(hù)套(防水功能實(shí)現(xiàn)需要)，很顯然該三芯電纜的金屬屏蔽層是互相不接觸的，所以不能適用電線電纜手冊第一冊第三篇電力電纜第2.3.5節(jié)金屬護(hù)套多芯電纜護(hù)套感應(yīng)電壓可以忽略不計(jì)的結(jié)論。因此，必須通過計(jì)算，以確定其護(hù)套感應(yīng)電壓是否能夠滿足安全要求。

因?yàn)槿倦娎|的金屬屏蔽層互相不接觸，可以依據(jù)《電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》中等邊三角形敷設(shè)三相電纜護(hù)套的感應(yīng)電壓計(jì)算方法來計(jì)算，只不過導(dǎo)體間距不同而已，計(jì)算過程如下:

電纜的電感的計(jì)算:

式中，Xs為電纜的電感(H/m);Ds為電纜金屬護(hù)套的平均直徑(Ds=45.3mm);S為導(dǎo)體間距離(S=48.3mm);ω 為角頻率(ω =2πf)。

將上述已知參數(shù)代入上式可得:

電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的計(jì)算:

式中，Us1、Us2、Us3分別為 A 相、B 相、C 相電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓有效值;I1、I2、I3分別為A相、B相、C相電纜工作電流。

已知S=S1=S2=S3;I1=I2=I3=465 A，則

由于客戶要求段長僅為1000 m，因此該電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢符合不大于50 V的安全要求。

3 復(fù)合纜的試驗(yàn)

3.1 縱向透水試驗(yàn)

阻水導(dǎo)體經(jīng)交聯(lián)三層共擠后，應(yīng)通過IEC 60502附錄D中的透水試驗(yàn)。試樣須進(jìn)行10次加熱循環(huán)，每一次熱循環(huán)持續(xù)8 h。在整個(gè)試驗(yàn)期間，試樣的兩端未有水分滲出，符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.2 徑向阻水試驗(yàn)

電纜的徑向阻水性能，通常參照通信電纜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YD/T 322—1996銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護(hù)套市內(nèi)通信電纜)中的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來判定其徑向防水的實(shí)際功能，即電纜充入50～100 kPa的干燥空氣或氮?dú)?，在電纜全長氣壓均衡后3 h(有外護(hù)層電纜6 h)內(nèi)，電纜內(nèi)的氣壓不應(yīng)降低。樣品經(jīng)檢驗(yàn)，滿足要求。

3.3 耐海水腐蝕試驗(yàn)

成品電纜的耐海水腐蝕性能(針對成品的改性MDPE外護(hù)套)應(yīng)滿足表1所列的指標(biāo)。

表1 耐海水腐蝕試驗(yàn)

3.4 其它常規(guī)試驗(yàn)

光電復(fù)合纜的其它常規(guī)試驗(yàn)，包括直流電阻、局部放電、工頻耐壓例行試驗(yàn)均依照GB/T 12706—2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行;光纖衰減試驗(yàn)應(yīng)符合表2所列的G652D單模光纖技術(shù)指標(biāo)。抽樣試驗(yàn)相比普通電力電纜，增加相線阻水充氣試驗(yàn)(試驗(yàn)指標(biāo)同第3.2節(jié))、光單元滲水試驗(yàn)(光單元一端接1 m水柱連續(xù)24 h，另一端無水滲出)和光單元結(jié)構(gòu)尺寸檢查。

表2 G652D單模光纖技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)束語

(1)我公司設(shè)計(jì)的海岸灘涂光電復(fù)合纜方案在經(jīng)客戶確認(rèn)后，試生產(chǎn)部分樣品，經(jīng)檢測完全符合設(shè)計(jì)要求。

(2)電纜的設(shè)計(jì)開發(fā)，首先考慮的當(dāng)然是功能的實(shí)現(xiàn)。在功能和使用壽命可以滿足使用要求時(shí)，再要考慮的重點(diǎn)就是成本因素。采用“增強(qiáng)銅塑復(fù)合護(hù)層+特種PE護(hù)套”阻水防腐層新技術(shù)，加上改性防腐護(hù)層的設(shè)計(jì)，既可滿足使用要求，適應(yīng)海岸灘涂的使用環(huán)境，又降低了產(chǎn)品成本。該復(fù)合纜可以說是為沿海灘涂使用環(huán)境量身定做的一款產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景，市場潛力很大。

［1］王春江主編.電線電纜手冊第1冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］劉子玉，王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1995.

［3］GB/T 12706—2008 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［4］YD/T 322—1996 銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護(hù)套市內(nèi)通信電纜［S］.