吳建寧， 鄭運焱， 吳 弘

（宜昌聯邦電纜有限公司,湖北宜昌 443007）

三芯光電復合海底電力電纜的設計與制造之二
——工藝設計及設備

吳建寧， 鄭運焱， 吳 弘

（宜昌聯邦電纜有限公司,湖北宜昌 443007）

對交聯聚乙烯絕緣三芯光電復合海底電力電纜的工藝技術及關鍵的制造裝備進行了介紹。

三芯光電復合海底電力電纜；交聯聚乙烯絕緣；鋼絲鎧裝；工藝；裝備

《電線電纜》2012年第3期刊登了《三芯光電復合海底電力電纜的設計與制造之一——結構設計》,本文介紹海底電纜的工藝設計及設備,并對兩個主要電性能試驗項目做了說明。

1 三芯光電復合海纜的工藝設計及設備

海底電纜的生產工藝流程如下:阻水導體絞制、半導電阻水帶繞包→導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽擠制→去氣處理→半導電阻水帶繞包→合金鉛套管擠制→塑料增強保護層→立式成纜機絞合并復合光纜單元→成纜捆扎→鋼絲裝鎧及內襯層、外被層。

1.1 阻水導體的工藝設計

（1）導體一般采用多層正規(guī)絞合,分層嵌入阻水帶,分層緊壓成形,同時導體與導體屏蔽層之間也應有繞包的半導電阻水帶。絞制阻水導體時,小截面的導體加嵌阻水帶可采用平拖或隨絞籠轉動帶入方式,大截面導體的半導電阻水帶可采用與絞線機同步的繞包頭繞包方式。

在繞包導體與導體屏蔽層之間的半導電阻水帶后,還要加繞一層起防護作用的無紡布帶,這層防護帶在擠制交聯聚乙烯（XLPE）絕緣進入機頭前予以拆除。半導電阻水帶與無紡布帶應在導線絞制時,由同步繞包頭一次繞包完成。

（2）絞制好的阻水導體如不能及時投入下道工序,則必須置于烘房內,防止阻水帶吸潮,特別是陰雨天更應注意。否則,吸潮嚴重的線芯將嚴重妨礙后道工序,尤其是電纜絕緣的擠制。

（3）隨著國內海底電力電纜制造工藝技術的進步,110 kV海底電纜制造長度要求大于16 km,35 kV海纜要求達到30～40 km。常規(guī)的立柱式收、放線架已經無法滿足大長度海纜的制造工藝需要,為此,設計了轉盤式收放線機,作為海纜制造中間工序的收、放線周轉。轉盤式收放線機典型設計見圖1,其基本參數為:轉盤最高轉速1.8～2.5 r/min,內圈最高收線速度20 m/min,最大載重量300～600 t,最大收線直徑200 mm?？筛鶕煌暮＠|制造工序及用途,選擇相應的結構尺寸,直徑小于10 m的轉盤可以不設置外圈承重輪軌系統。

用于承載銅導體,可選擇載重量350 t左右、直徑6～8 m的移動式轉盤。用于絕緣線芯周轉,或是作為去氣房用承線轉盤,可選擇載重量500 t左右、直徑10～12 m帶外圈承重輪軌的大轉盤。

圖2是用直徑8 m的轉盤進行銅導體的收、放線,圖3是在蒙古包形去氣房內用直徑10 m的轉盤進行絕緣線芯的收、放線。

圖1 轉盤式收放線機示意圖

圖2 直徑8 m的轉盤式收放線機

圖3 直徑10 m的轉盤式收放線機及蒙古包形去氣房

1.2 三層共擠的工藝設計

（1）導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽采用從德國特勒斯特（TROESTER）公司引進的三層共擠交聯電纜生產線制造。由于擠出機的螺桿及流道設計合理、無死角,各個溫區(qū)溫度控制精度較好,不易產生老膠。再加上采用陶氏公司超凈化高壓XLPE絕緣料,能夠連續(xù)開機7～10天不停車,保證了大長度的生產。

對于要求單根長度達15～20 km的無接頭220 kV絕緣線芯,則可以采用TROESTER公司的含2臺主絕緣擠出機的四機共擠XLPE絕緣生產線（見圖4）,可以保證600 kg/h的XLPE絕緣擠出量。

圖4 四機共擠XLPE絕緣生產線

（2）為了保證大長度海底電纜的質量,應采用高一個電壓等級、優(yōu)質的超凈化XLPE絕緣料,不允許采用低檔的XLPE絕緣料。否則由于交聯機組連續(xù)長時間開機,機身濾網上的雜質、老膠的積累,容易出現質量不穩(wěn)定,甚至擊穿。

1.3 絕緣線芯的去氣裝置

擠塑好的絕緣線芯,要經過去氣處理后才能投入下一道工序,這一點對于大長度海底電纜尤其重要。否則絕緣線芯內產生的大量氣體會沿著密封的鉛護套向電纜兩端擴散,影響海底電纜終端或預制式中間接頭的安全運行。

（1）如圖3所示,去氣在移動或固定式蒙古包形去氣烘房內進行,并采用轉盤式收放線機收卷絕緣線芯。

（2）大長度海纜由于重量較重,收卷在轉盤上做去氣處理時,處于轉盤底層的絕緣線芯承受的壓力較大。如果去氣溫度設定得過高,處于轉盤底部線芯的XLPE絕緣層有可能壓扁受傷。因此,轉盤式收放線機直徑要設計得大些,并控制收線轉盤上堆積的絕緣線芯高度。同時,為避免轉盤底部的絕緣線芯受熱而壓扁變形,去氣烘房的溫度不宜過高,一般控制在65～70℃即可。如去氣房溫度設定得偏低,可適當地延長去氣處理的時間。

1.4 鉛護套的工藝設計

（1）電纜的鉛護套制造采用φ150或φ200螺桿式連續(xù)擠鉛機。擠鉛機生產線上配置有超聲波鉛套厚度測試儀,用于鉛套厚度的無損傷監(jiān)測,確保鉛層的厚度和均勻性。

（2）海底電纜合金鉛料的選購

大長度海纜采用E合金鉛。為了保證鉛套連續(xù)擠出,中間不停車,采購的合金鉛料質量一定要好,鉛料到廠后要做化學成分分析。不得采用非正規(guī)廠家的廢品回收鉛,因為回用鉛成分雜,容易堵塞熔鉛管流道,造成無法連續(xù)擠鉛而停車。

（3）擠鉛工序注意事項

海底電纜在擠鉛工序中,向電纜盤上收卷時,要注意電纜鉛套層與層之間要墊襯防粘紙。如果不做墊襯,則鉛套在重力和相互摩擦的作用下,會產生粘滯旋轉,拉壞鉛套,或亂線、無法放線。

應注意多留出數米的電纜,以方便制作海纜軟接頭并進行電氣性能試驗。

擠鉛機每次開機前,應全面檢修保養(yǎng),以保證能長時間開機不停車。一旦擠鉛機因故障停車,應及時拖出線芯,保證整根電纜不被燙傷。拖出的電纜需要進行剝鉛處理,修復半導電阻水帶后,再重新擠制鉛套。

1.5 塑料護層的擠塑

鉛護套外的塑料護層常采用改性中密度聚乙烯護套料。電纜鉛套在進入擠出機之前,加有一臺瀝青熔化噴淋裝置,在鉛護套外澆上一層瀝青,抹勻后,再擠包聚乙烯護套。塑料護層雖然沒有厚度要求,但也不允許有破洞,發(fā)現有洞要及時修復。

1.6 成纜與鋼絲鎧裝絞制方向的設計

海底電纜在成纜及鋼絲鎧裝過程中,存在著一定量的剩余扭轉應力。在敷設過程中剩余扭轉應力得到釋放,引起海底電纜的徑向旋轉。在淺海區(qū)域敷設時,這種旋轉是有限的,不至于產生嚴重的后果,但是在深海區(qū)域敷設,電纜的徑向旋轉如處理不當,會造成比較嚴重的事故。輕則金屬屏蔽層受損,重則導電線芯或光纜單元直接被拉斷。

海底電纜的成纜與鋼絲鎧裝絞制方向的設計應注意以下幾點:

（1）海底電纜如采用粗鋼絲鎧裝,應與客戶做好技術研究和協商,設計成纜與鋼絲鎧裝絞合方向。

（2）在設計海纜時,要向采購方詢問清楚海纜的運輸及敷設方式,海纜運輸、敷設船上是否有動力轉盤式收放線機。如果船上沒有大型動力轉盤,而是采用在船艙中自然下垂的盤繞方式收卷海纜,航行到敷設海域再采用高位退扭盤繞方式敷設,如圖5所示。則單層粗鋼絲鎧裝海底電纜的成纜絞向與鋼絲鎧裝絞向應設計為同一方向,一般為左向。

如果采用動力轉盤式收放線機收卷和敷設海底電纜（見圖6）,則海纜成纜絞向與鋼絲鎧裝絞向,不受限制,一般可采用相反的絞制方向。

（3）石油勘采用深海動、靜態(tài)電纜和深海敷設的雙層粗鋼絲鎧裝海底電纜,兩層鋼絲鎧裝絞制方向應相反,一般內層取右向、外層取左向。同時應結合海纜銅導體以及內外層鋼絲的絞合回扭應力,以“無旋轉扭矩的平衡電纜”模式,計算與選擇兩層鎧裝鋼絲的機械強度及鋼絲直徑,使電纜的扭應力基本平衡。對于這類無旋轉的雙鋼絲鎧裝海底電力電纜,應采用動力轉盤式收放線機收卷和敷設。

圖5 盤繞模式收卷、敷設海底電纜

圖6 大型動力轉盤收卷、敷設海底電纜

（4）海底電纜的收卷與敷設,有一個重要原則是“怎么收上去的,怎么放出來”。不允許采用動力轉盤收卷了海纜,吊運到敷設現場后,又采用高位退扭盤繞方式敷設。

1.7 托盤式立式成纜機和鋼絲鎧裝機

為了滿足220 kV交流三芯光電復合海底電力電纜的生產要求,我公司與國內電工機械制造廠合作,設計出了托盤式立式成纜機和鋼絲鎧裝機。

將以往海底電纜立式成纜機的線芯裝載線盤由標準立式線盤,改為臥式的大型托盤。能裝載更長的絕緣線芯,且設備運行平穩(wěn)。

同時,將以往鋼絲鎧裝機采用的雙輪牽引機,改為履帶式牽引機,使海底電纜的光、電單元不受到側壓力和走位形變應力的破壞。

1.8 擠塑交聯型軟接頭

由于海纜制造長度所限,超過一定長度仍需做中間接頭,為此開發(fā)出了35～220 kV級XLPE絕緣海底電纜的擠塑交聯型軟接頭,具有優(yōu)良的電氣性能和機械性能,并已通過了型式試驗。

2 海底電纜的電性能試驗

JB/T 11167.1—2011是參照CIGRE-21-02-Electra-189標準,并結合近年來國內海底電纜的工程實踐制定的,以下就大長度海纜的兩個主要電性能試驗項目做一說明。

（1）局部放電試驗

根據CIGRE-21-02-Electra-189標準的要求,應在電纜的首端和尾端取一段試樣進行局部放電測量,如果電纜較短,應按IEC 885-3整根擠出電力電纜局部放電測試方法進行。

（2）交流高電壓試驗

每一根交貨長度的海底電力電纜都應做交流工頻高電壓試驗。如果因電纜太長,無法做交流工頻高電壓試驗,可以參照IEC 60840標準采取其它的試驗方法,但應與客戶協商一致。

針對大長度海底電纜高電壓試驗的特殊要求,我們采用變頻串聯諧振高電壓試驗裝置進行耐壓試驗。圖7為360 kV、40 500 kVA變頻串聯諧振高電壓試驗裝置。

其最高試驗電壓為2臺電抗器串聯360 kV；試驗頻率20～300 Hz；試驗最大容量40500 kVA；電抗器并聯最大工作電流225 A?？捎糜陂L50 km的110 kV海纜的耐壓試驗,或30～40 km的220 kV海纜的耐壓試驗。

3 結束語

我公司生產的35～110 kV大長度XLPE絕緣海底電力電纜和擠塑交聯型軟接頭多次送檢,都通過了嚴格的型式試驗。交付客戶使用至今未發(fā)生過斷芯和擊穿等故障。交付中海油的在渤海灣石油開采、鉆井平臺用的海底電力電纜,不但代替了價格昂貴的進口電纜,節(jié)約了大量資金,同時也保障了國家海上石油勘采工程的安全。

圖7 變頻串聯諧振高電壓試驗裝置

［1］CIGRE-21-02-Electra-189 擠塑絕緣型大長度交流海底電纜試驗推薦標準［S］.

［2］IEC 60840:2004 額定電壓30 kV（Um=36 kV）以上至150 kV（Um=170 kV）擠包絕緣電力電纜及其附件——試驗方法和要求［S］.

［3］GB/T 12706.3—2002 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［4］JB/T 11167.1—2011 額定電壓10 kV（Um=12 kV）至110 kV（Um=126 kV）交聯聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件第1部分:試驗方法和要求［S］.

［5］ThomasWorzyk著.應啟良,徐曉峰,孫建生譯.海底電力電纜:設計、安裝、修復和環(huán)境影響［M］.北京:機械工業(yè)出版社, 2011.

［6］Yusuke Yano,Shinichi Takagawa,Shinicki kazuhike Tsukada,et al.Design method of non-rotational torque balance cable for deepsea research equipment［Z］.

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Com posite Submarine Cable Part II:Process Technology and Production Equipments

WU Jian-ning,ZHENG Yun-yan,WU Hong
（Yichang Union cable Co.,Ltd.,Yichang 443007,China）

This paper presents systematically the process technology,production equipment of XLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable；XLPE insulating；steel wire armored；process technology；production equipment

TM247.9；TN818 文獻標識碼：A 文章編號：1672-6901（2012）04-0016-04

2011-12-01

吳建寧（1952-）,男,高級工程師.

作者地址：湖北宜昌市猇亭區(qū)民主路1號［443007］.