龔永超， 何旭濤， 孫建生， 徐曉峰， 李春剛， 夏俊峰

(1.舟山啟明電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江舟山316021;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

從19世紀(jì)開始，海底電力電纜的使用已經(jīng)有一百多年的歷史，而且在最近的幾十年得到更廣泛的應(yīng)用。早期海底電力電纜主要用于向孤立的近海設(shè)備如燈塔、醫(yī)療船等供電。隨后，向近岸的海島供電成為海底電力電纜的主要應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了采用海底電纜的獨(dú)立電網(wǎng)聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)今，近海設(shè)備間的聯(lián)結(jié)問題又重新成為高壓海底電纜的新應(yīng)用。例如，將海上風(fēng)電場的綠色電能送至岸上電網(wǎng)，向石油和天然氣等海上生產(chǎn)平臺供電［1］。

1 鎧裝結(jié)構(gòu)

海底電纜的結(jié)構(gòu)一般分為導(dǎo)體、絕緣、金屬護(hù)層(通常為鉛套)、塑料內(nèi)護(hù)層、鎧裝和外被層。

海底電力電纜的鎧裝由金屬線沿電纜按一定的絞合節(jié)距絞制而成。

高壓海底電纜的鎧裝絲一般有:粗圓鋼絲、扁銅線、扁鋼線、雙粗圓鋼絲和雙扁銅線。圓鎧裝鋼絲直徑一般為 4.0、5.0、6.0、8.0 mm，扁銅線或扁鋼線厚度一般為 2.0、2.5、3.0 mm，也可以采用其它直徑和厚度［2］。

對于單芯電纜，推薦采用扁銅線鎧裝［2］。金屬線鎧裝應(yīng)很緊密，必要時(shí)，可在扁金屬線鎧裝和圓金屬絲鎧裝外疏繞金屬帶。

美國標(biāo)準(zhǔn)ICEA No.S-57-401規(guī)定了紙絕緣海纜鎧裝單線的直徑要求［3］，見表1。

表1 鎧裝單線的直徑

2 鎧裝設(shè)計(jì)

鎧裝是海底電纜至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)元件，主要提供了機(jī)械保護(hù)和張力的穩(wěn)定性，同時(shí)還要考慮鎧裝損耗及對電纜載流量的要求。

海纜在安裝過程中經(jīng)受張力的作用，張力不僅來自懸掛海纜的重量，還包括敷設(shè)船垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加動(dòng)態(tài)力。安裝過程中的合力常常遠(yuǎn)大于海纜垂至海底的靜態(tài)受力。鎧裝還須提供足夠的機(jī)械保護(hù)，防止安裝機(jī)具、漁具和錨具帶來的外部威脅。

此外，重要的是，對于高壓海底電力電纜，一般是單芯結(jié)構(gòu)。在海纜運(yùn)行時(shí)，除了兩端直接接地的環(huán)流損耗外，如果采用了磁性金屬作為鎧裝材料，還會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，數(shù)量級與導(dǎo)體電流產(chǎn)生的損耗相當(dāng)，甚至超過。電纜損耗也是海纜鎧裝設(shè)計(jì)的重要考慮方面。

對于每個(gè)海纜工程，應(yīng)根據(jù)海纜規(guī)劃路由中每個(gè)區(qū)域的張力、外部危害形式以及電纜的輸送容量要求進(jìn)行鎧裝設(shè)計(jì)。

3 選型要求

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)材料

海纜鎧裝的主要材料有粗圓鋼線和扁銅線。不過，銅線的成本很高。

與圓線相比，扁線在電纜外徑較小的情況下有相同的鎧裝截面，節(jié)省了材料以及敷設(shè)船的空間，但成本高于圓單線。早期的鎧裝還采用相互緊扣的開槽異形型線。

對于張力要求不高的淺水敷設(shè)情況，可采用疏繞的單絲鎧裝。鋼絲的間隙可以是敞開的，也可以用塑料、麻繩或類似的填充繩填充。這種鎧裝不僅可以減輕重量，對于交流電纜來說，還可以減少磁滯損耗。

鎧裝還可以采用更具防腐性的金屬，如銅、青銅和黃銅線。但是，鋁鎧裝不能用在海底電纜。1970年美國長島的海纜采用了成分為鋁-鎂-硅的“Aldrey”合金，結(jié)果遭受了嚴(yán)重的海水腐蝕［4］。

現(xiàn)在還可采用芳綸纖維(Kevlar)來作為鎧裝。自上世紀(jì)70年代以來，輕型的芳綸纖維已經(jīng)用于近海工業(yè)中特殊海纜，但這些纖維制成的繩或線對于側(cè)面碰撞(如錨、漁具的沖擊)的保護(hù)作用很小。2000年，這種電纜敷設(shè)在日本沖繩的兩個(gè)島嶼之間［5］。由于它的蠕變特性，芳綸纖維不適用于承受持續(xù)載荷的海纜。

(2)節(jié)距

海底電力電纜的鎧裝由金屬線沿電纜按一定的絞合節(jié)距絞制而成。節(jié)距，即鎧裝單線沿電纜旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離，為鎧裝層下電纜直徑的10～30倍。

要根據(jù)預(yù)計(jì)的張力、導(dǎo)體的張力穩(wěn)定性和電纜的抗扭要求及其安裝條件優(yōu)化鎧裝節(jié)距。

(3)結(jié)構(gòu)

在淺水水域，細(xì)鋼絲鎧裝就足以滿足張力要求，能通過CIGRE導(dǎo)則規(guī)定的張力彎曲試驗(yàn)［6］。

對于深水敷設(shè)的海底電力電纜，應(yīng)設(shè)計(jì)雙層反向絞合的鎧裝層。與單層鎧裝比較，雙層鎧裝為抵御外力提供了更強(qiáng)的保護(hù)。當(dāng)兩層鎧裝的絞向不同，就能夠阻止錨、埋設(shè)犁、巖石等帶來的銳邊刺入。

在需要防止巖石、墜落物和拖曳設(shè)備(如漁具)的外部傷害時(shí)，可以設(shè)計(jì)采用一種特殊鎧裝層組合，它包含小節(jié)距單線絞合的外層以及大節(jié)距絞合的內(nèi)層。外層小節(jié)距的鎧裝層并不增加抗張強(qiáng)度，但會(huì)顯著提高電纜的抗壓性能。

對于那些沒有必要采用重型鎧裝進(jìn)行附加防護(hù)的情況，可用塑料填充條替代部分鋼絲。這就減小了海纜的重量和磁損耗并節(jié)省了成本。

(4)防腐蝕

鎧裝單線一般采用鍍鋅鋼絲。鍍鋅層的厚度為50 μm或更大，它對鋼絲起主要的防腐保護(hù)作用。其次的保護(hù)措施是在制造過程中涂覆熱瀝青。在安裝或運(yùn)行過程中，裸露的海纜會(huì)受到含沙水流的沖擊，瀝青層會(huì)腐蝕剝落。在瀝青層受損部位，鍍鋅層接替起到防腐保護(hù)作用。

還可以選用在鎧裝單絲外擠包聚合物護(hù)套作為防腐保護(hù)，可以避免單線與海水的直接接觸。這種方法可以省去瀝青層，在海上風(fēng)電場的海纜上已經(jīng)采用過這種設(shè)計(jì)。但當(dāng)海纜受損，擠包護(hù)套可能會(huì)起到有害的作用，在單線中的局部電化學(xué)電流會(huì)產(chǎn)生電腐蝕。

3.2 電纜損耗

在多數(shù)情況下，鎧裝單線采用的低碳鋼為磁性材料，使磁場集中在導(dǎo)體總圍，并在交流海纜中產(chǎn)生不必要的損耗和額外熱量。在單芯交流海纜中，鋼絲鎧裝中的損耗導(dǎo)致載流量會(huì)有實(shí)質(zhì)性的降低。

可以采取一些策略，減少這些損耗:

(1)采用非磁性材料作為鎧裝，如青銅、黃銅、銅或鋁。銅是一種昂貴的選擇，鋁更為便宜，但它容易受到海水的腐蝕。由銅絲絞合的鎧裝結(jié)合了低電阻率和高耐腐蝕性，但機(jī)械強(qiáng)度低于鋼絲鎧裝。硬拉銅線的機(jī)械強(qiáng)度較高，但其導(dǎo)電率低于退火銅。上世紀(jì)80年代，英屬哥倫比亞和溫哥華島之間的500 kV交流海纜上，已經(jīng)采用了雙層反向絞合的扁銅線作為鎧裝。

(2)使用減少磁感應(yīng)的鎧裝結(jié)構(gòu)。單芯交流海纜使用截面很大的銅屏蔽層，且屏蔽層在電纜兩端牢固接地。由此產(chǎn)生了與導(dǎo)體電流相當(dāng)?shù)钠帘坞娏?。在鎧裝層下，兩種電流方向相反，磁場基本抵消，磁損耗幾乎完全消失，但銅屏蔽需要具有與導(dǎo)體同樣的截面積，屏蔽中的損耗會(huì)大大增加。對于雙層反向絞合的鎧裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)層可采用銅絲鎧裝，外層采用鋼絲，這樣能夠?yàn)閱涡窘涣麟娎|組成低損耗、高強(qiáng)度的鎧裝。

也有人認(rèn)為，在鋼絲中采用隔磁設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，即在圓周方向使用幾根銅絲來隔開鎧裝鋼絲的磁回路，就能提高鋼絲鎧裝的交流單芯電纜的載流量。實(shí)踐證明［7］，這種結(jié)構(gòu)不能有效降低磁損耗，對載流量的提高幾乎沒有作用。

還有一種設(shè)計(jì)是采用昂貴的不銹鋼絲作為鎧裝單絲，認(rèn)為是低損耗的非磁性鎧裝。但是，不銹鋼絲電阻率遠(yuǎn)大于普通鍍鋅鋼絲，用作單芯海纜鎧裝時(shí)，由于海纜兩端互聯(lián)接地后產(chǎn)生了巨大環(huán)流，從而引起很大的損耗，因此，采用不銹鋼絲作為海纜鎧裝，不僅增加投資，而且也不能有效提高海纜的輸送容量，是不太可行的。在接下來的算例中，具體對不銹鋼絲鎧裝海纜的損耗進(jìn)行計(jì)算和對比。

4 不銹鋼絲與鎧裝鋼絲鎧裝損耗的算例

選擇額定電壓64/110 kV、單芯、銅導(dǎo)體標(biāo)稱截面積400 mm2、交聯(lián)聚乙烯絕緣、分相鉛套、雙層粗圓鋼絲鎧裝聚丙烯纖維被覆的海底電纜作為計(jì)算對象。高壓海底電纜一般是單芯、相距40 mm敷設(shè)，兩端金屬套和鎧裝均接地。

依據(jù)IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)［8］，海纜載流量的計(jì)算公式如下:

式中，I為電纜載流量;Δθ為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升;R為工作溫度下導(dǎo)體單位長度的交流電阻;Wd為絕緣介質(zhì)損耗;T1為導(dǎo)體和金屬套之間熱阻;T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層熱阻;T3為電纜外護(hù)層熱阻;T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間熱阻;n為電纜根數(shù);λ1為電纜金屬套損耗相對于導(dǎo)體損耗的比率;λ2為電纜鎧裝損耗相對于導(dǎo)體損耗的比率。

對于只有鎧裝材料不同的海纜的載流量，除了鎧裝損耗λ2不同外，其余參數(shù)均相同。因此，主要計(jì)算比較λ2。

鎧裝損耗λ2包括環(huán)流損耗(λ'2)和渦流損耗(λ″2)，因此總損耗為:

環(huán)流損耗λ'2與鎧裝層總電阻密切相關(guān)。渦流損耗λ″2不僅與鎧裝材料的電阻率有關(guān)，還與節(jié)距和單線之間的接觸點(diǎn)有關(guān)。鋼絲鎧裝的渦流損耗λ″2特別大，因?yàn)榇判圆牧衔图辛舜艌龈袘?yīng)。

表2為常用金屬的電阻率和溫度系數(shù)［9］。從表2可知，不銹鋼的電阻率達(dá)到了鋼電阻率的5倍。通過計(jì)算可知，會(huì)大大增加環(huán)流損耗。

表2 常用金屬20℃電阻率和溫度系數(shù)

4.1 不銹鋼絲鎧裝

不銹鋼絲鎧裝損耗λ2的計(jì)算如下:

環(huán)流損耗λ'2:鎧裝的損耗和金屬套損耗合并在一起計(jì)算。用金屬套和加強(qiáng)層的并聯(lián)電阻Re代替單一金屬套電阻Rs。用金屬套和加強(qiáng)層直徑的方均根值代替金屬套的平均直徑d。

渦流損耗忽略不計(jì)，即λ″2=0。

式中，RA為電纜鎧裝電阻;Rs為電纜金屬套電阻。

式中，ρs為金屬套所用材質(zhì)的導(dǎo)電率;As金屬套的截面積;αs電阻溫度系數(shù);θ導(dǎo)體工作溫度;η金屬套的溫度相對于導(dǎo)體溫度的比率(一般取0.8)。

式中，X為電纜電抗;f為頻率;s為導(dǎo)體間距離;d為平均直徑。

通過計(jì)算，鎧裝電阻 RA為0.000563 Ω/m，金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻Re為0.000376 Ω/m。

不銹鋼絲鎧裝的損耗 λ2=λ'2+λ″2=λ'2=2.048，損耗為 27.6 W/m。

4.2 鍍鋅鋼絲鎧裝

對于鍍鋅鋼絲鎧裝，損耗 λ2包括環(huán)流損耗(λ'2)和渦流損耗(λ″2)，并且渦流損耗 λ″2是主要的損耗，不能忽略。

海纜鍍鋅鋼絲鎧裝的計(jì)算公式見文獻(xiàn)［9］中的第4.6 節(jié)。

通過計(jì)算，鎧裝電阻 RA為0.000132 Ω/m，金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻Re為0.000119 Ω/m。

鍍鋅鋼絲鎧裝時(shí)，鎧裝損耗 λ2=1.155，為31.3 W/m。

4.3 結(jié)果對比

表3為計(jì)算結(jié)果的對比，由于不銹鋼鎧裝的電阻達(dá)到了鍍鋅鋼絲鎧裝電阻的5倍，造成金屬套和鎧裝并聯(lián)的等效電阻也超過了鍍鋅鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)等效電阻的2倍。

鎧裝損耗比值λ2以及損耗值的計(jì)算結(jié)果都表明，不銹鋼鎧裝結(jié)構(gòu)海纜的載流量明顯小于采用鍍鋅鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)海纜。

表3 計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文對高壓海底電力電纜鎧裝的選型從機(jī)械性能和電氣要求上進(jìn)行了介紹，特別是對不銹鋼絲作為鎧裝進(jìn)行了分析計(jì)算，認(rèn)為不銹鋼絲不宜作為高壓海底電力電纜的鎧裝。對于具體的工程，必要時(shí)還須通過試驗(yàn)驗(yàn)證來確定具體的海纜鎧裝型式。

［1］Thomas Worzyk.Submarine power cables-design，installation，repair，environmental aspects［M］.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2009.

［2］額定電壓10 kV(Um=12 kV)至110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件(標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿)［S］.

［3］ICEA No.S-57-401 Steel armor＆ associated coverings for impregnated paper insulated cables［S］.

［4］Methods to prevent mechanical damage to submarine cables［C］//presented by Cigre Working Group 21 as Session Paper 12-21 at the 1986 Cigre Session，Paris，F(xiàn)rance.

［5］Furugen M，et al.Completion of submarine cable lines combining low environmental impact with low cost［J］.Furukawa Review，2002(21):44-49.

［6］Cigre Electra No.171 Recommendations for mechanical tests on submarine cables［S］.

［7］GB/T 12706.2—2002 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件第2部分 額定電壓6 kV到30 kV電纜［S］.

［8］IEC 60287 Electric cables-calculation of the current rating［S］.

［9］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京:中國電力出版社，2002.