吳建寧， 鄭運焱， 吳 弘

(宜昌聯(lián)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(shè)計與制造之一
——結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳建寧， 鄭運焱， 吳 弘

(宜昌聯(lián)邦電纜有限公司，湖北宜昌443007)

詳述了大長度交聯(lián)聚乙烯絕緣三芯光電復合海底電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

三芯光電復合海底電力電纜；交聯(lián)聚乙烯絕緣；結(jié)構(gòu)設(shè)計；制造

duction

0 引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，國家電力事業(yè)突飛猛進。從沿海島嶼到內(nèi)陸江湖沼澤地區(qū)，從海洋石油勘探平臺到海岸風能發(fā)電場，各種電壓等級的大長度海底、水下交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜需求量猛增。尤其是國家石油能源的短缺，隨著石油的開發(fā)勘采向深海遠洋轉(zhuǎn)移，深海石油及可燃冰的開發(fā)都提到了議事日程，國家急需高質(zhì)量大長度的石油勘采平臺用海底電纜。在海上風能發(fā)電場招標建設(shè)中，35～220 kV級海底電力電纜的訂單達數(shù)千公里;220 kV交流三芯光電復合海底電纜需求量超過千公里，最長的單根交貨長度達36 km。這些都給國內(nèi)海底電纜制造廠家?guī)硇碌陌l(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。

三芯海底電力電纜的設(shè)計及工藝與陸地電力電纜有許多不同，本文以某電纜公司出口南美洲的110 kV 3×630＋24B1 XLPE絕緣光電復合海底電力電纜為例，對三芯光電復合海底電力電纜的設(shè)計原理與工藝，做較詳細的解析和介紹。

1 三芯光電復合海纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品規(guī)格為64/110 kV 3×630＋24B1，XLPE絕緣、分相鉛套、粗圓鋼絲鎧裝光電復合海底電纜。圖1是三芯XLPE絕緣光電復合海底電力電纜結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 三芯光電復合海纜結(jié)構(gòu)圖

1.1 阻水導體的設(shè)計

(1)銅導體采用正規(guī)絞合，分層嵌入阻水帶，分層緊壓。正規(guī)絞合是為了方便內(nèi)層線芯做阻水處理，以及在制作工廠軟接頭時，焊接銅導體較方便，且有足夠的機械強度。

110 kV 630 mm2海纜導體可采用58根φ3.86 mm軟銅線分層絞合緊壓結(jié)構(gòu)，絞線層數(shù)為5層，每層根數(shù)為1＋6＋12＋17＋22。

表1 三芯光電復合海纜結(jié)構(gòu)尺寸

(2)導體的阻水處理國外采用阻水膨脹粉或阻水膠隔斷工藝，國內(nèi)常采用嵌入阻水帶工藝。

XLPE絕緣海底電纜的導體每一層都要嵌入阻水帶。2006年，某地的一根海底電纜因錨害損壞，由于該電纜導電線芯1＋6的層間未放置阻水材料，導體與導體屏蔽層之間也沒有繞包半導電阻水帶，造成整根電纜浸在海水中的部分綿延十多公里，給后期的電纜修復帶來很大的困難。最后由于“水樹”的原因多次修復又擊穿損壞，該海底電纜才使用了五年，最后不得不大段報廢。

(3)大截面海底電纜的導電線芯，由于嵌入了阻水帶，有效地削弱了大截面導體的集膚效應，不需要再做分裂導體。同時分裂導體各扇形模塊之間空隙較大，做阻水結(jié)構(gòu)較為困難。

采用阻水膠隔斷工藝的導體，截面在1 000 mm2以上的，單線可采用表面鈍化處理，同樣能有效削弱集膚效應。這種大截面導體結(jié)構(gòu)，歐洲耐克森公司的海底電纜設(shè)計應用較多。

1.2 導體屏蔽層的設(shè)計

GB/T 12706中規(guī)定，標稱截面500 mm2及以上電纜的導體屏蔽應由半導電帶和擠包半導電層復合組成。XLPE絕緣海底電纜則不同，為了增強導體的縱向阻水性能，其導體屏蔽一般均設(shè)計成重疊繞包一層高強度半導電阻水帶和擠包導電聚烯烴屏蔽層結(jié)構(gòu)。

1.3 阻水緩沖層

在絕緣屏蔽層外重疊繞包層半導電阻水膨脹帶，其作用為：

(1)半導電阻水緩沖層與導體中嵌入的阻水材料共同構(gòu)成了海底電纜的縱向阻水結(jié)構(gòu)。

(2)對下一道連續(xù)擠鉛工序提供一層必要的防燙傷保護層。

(3)對XLPE絕緣層運行溫升產(chǎn)生的膨脹起到緩沖作用。

1.4 合金鉛護套

(1)合金鉛護套厚度的設(shè)計

合金鉛護套作為海底電力電纜的金屬屏蔽層，亦是海纜的徑向阻水層和防腐蝕層，同時又是瞬態(tài)短路電流的通路。鉛護套的厚度因客戶的技術(shù)要求可做適當調(diào)整，但應避免客戶套用油浸紙絕緣海纜的鉛套設(shè)計規(guī)范，使XLPE絕緣海纜的鉛護層設(shè)計過厚。

三芯海底電力電纜鉛套的標稱厚度設(shè)計按下式計算：

式中，T為鉛套標稱厚度;Dg為鉛套前假設(shè)直徑。

110 kV 630 mm2海纜合金鉛護套的標稱厚度選為2.8 mm。

(2)合金鉛料

由于合金鉛的力學強度和蠕變性能要比純鉛高，因此電纜鉛護套大多采用合金鉛擠包而成。國內(nèi)海底電纜常用合金鉛的牌號及主要成分配比見表2。

大長度海底電纜一般都采用“E合金鉛”，“E合金鉛”連續(xù)擠制性能好，不易發(fā)生高熔點合金離析，堵塞熔鉛管流道。

表2 海底電纜常用合金鉛牌號及主要成分

1.5 塑料增強保護層

鉛和鉛合金比較柔軟，機械性能較差。為了保護鉛套在制造、敷設(shè)和使用中不受損傷，通常在合金鉛護套外，用擠塑機擠制一層塑料增強保護層，兩者之間還要涂敷一層粘接劑，使其成為一個整體，從而提高對電纜線芯的綜合保護性能。110 kV 630 mm2海纜塑料增強保護層的標稱厚度選為2.6 mm，可采用海底電力電纜專用改性中密度聚乙烯護套料。

塑料增強保護層的主要作用為：

(1)一般1.0 mm的改性聚乙烯護層相當于1.5mm的鉛護層的機械強度，能部分吸收和分散外部對鉛護套的應力，可提高電纜鉛套的耐浪涌沖擊及抗疲勞性。

(2)PE護層與合金鉛護套共同構(gòu)成了海底電纜的徑向防水屏障。在鉛護套局部損傷情況下，PE護套仍可以阻擋海水的侵入。

(3)PE護層與合金鉛套共同構(gòu)成海底電纜的防腐蝕結(jié)構(gòu)，可有效地隔絕海水中化學、生物的腐蝕侵害。

海底電纜鉛套外的PE護層，是海底電纜防水、防腐蝕保護設(shè)計的關(guān)鍵構(gòu)件。如果客戶訂購的海底電力電纜是敷設(shè)于海岸鹽堿灘涂、陸上的沼澤湖泊等沒有來往船只隨意拋錨的淺灘區(qū)域，則可以不采用PE護層，只繞包一層塑料粘膠帶(SJD帶)做防蝕層即可。SJD帶可采用高強度聚氯乙烯(PVC)粘膠帶，黃、綠、紅彩色粘膠帶可做為電纜線芯相序分色。

1.6 成纜填充條

海底電力電纜成纜填充條的材質(zhì)有多種選擇。

(1)國內(nèi)目前用的較多的是交聯(lián)電纜回用料發(fā)泡扇形填充條和發(fā)泡PVC扇形填充條。發(fā)泡PVC扇形填充條較柔軟，成纜工藝性能較好，成纜后外形較圓整。

(2)國外常采用并股的PP填充繩及圓形的發(fā)泡PE填充條，這對位于成纜填充區(qū)中的復合光纜單元能起到很好的保護作用。

1.7 海底電纜的外護層

海底電力電纜的外護層一般由內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝層和外被層三部分組成。三芯XLPE絕緣海底電力電纜一般采用單層粗圓鋼絲鎧裝。對敷設(shè)條件及使用環(huán)境特殊的海底電纜，可采用雙層粗圓鋼絲鎧裝。如敷設(shè)于淺海礁盤上的海底電纜，由于受到潮流的沖擊，海底電纜在堅硬的礁石上磨擦，一年多鎧裝鋼絲層就會磨耗損毀。因此有必要采用雙層粗圓鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)，并且應采取水下固定，或做梯形壩拋石埋設(shè)保護。否則海底電纜壽命不長，最多3～5年就得更換維修。

(1)鎧裝鋼絲一般采用鍍鋅低碳鋼絲，應符合GB/T 3082—2008標準要求。

(2)鎧裝鋼絲的規(guī)格尺寸和機械性能要求，應根據(jù)海底電纜規(guī)格及客戶要求的敷設(shè)、地理條件選定。110 kV 630 mm2海纜鎧裝鋼絲直徑為6 mm，抗拉強度350～420 MPa，斷裂伸長率大于10%。

(3)內(nèi)襯層和外被層一般可采用“聚丙烯(PP)繩纏繞＋瀝青浸漬”混合防腐結(jié)構(gòu)，制造加工較為方便，又能滿足海底電力電纜特殊的電性能及加工性能要求。

1.8 光纜單元

在三芯海底電力電纜成纜時，在填充區(qū)中加入一根或二根海底光纜單元。

(1)圖2是中心鋼絲增強、合金鉛護套的光纜單元結(jié)構(gòu)圖，稱為鉛護套53型光纜單元。

圖2 鉛護套53型光纜單元結(jié)構(gòu)圖

(2)圖3是雙層細鋼絲鎧裝、不銹鋼復合松套管的光纜單元結(jié)構(gòu)圖，稱為不銹鋼復合松套管型光纜單元。

圖3 不銹鋼復合松套管型光纜單元結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)、外兩層高強度磷化鋼絲的絞合方向相反，構(gòu)成了無旋轉(zhuǎn)扭矩的平衡鎧裝，提高了不銹鋼復合松套管光纜單元的抗張力破壞性能。

(3)光纜單元選型。上述兩種光纜單元筆者首選鉛護套53型光纜單元，該光纜單元性能可靠，不易斷芯，且可放置更多的光纖。海上石油勘探移動平臺用海底電纜、水下臨時工程敷設(shè)用海底電纜以及陸上潮濕環(huán)境敷設(shè)的光電復合電力電纜，由于對光纜單元的防腐蝕要求并不高，可采用涂塑鋼帶縱包、PE外護套的GYTA53型光纜單元。

2 結(jié)束語

在處理多起海底電纜工程事故中發(fā)現(xiàn)，無論是國產(chǎn)的還是進口的海底電力電纜，往往存在結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷，造成電纜早期損壞或報廢，給國家和用戶帶來很大的損失。本文細述了大長度三芯光電復合海底電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，希望對相關(guān)海纜工程技術(shù)人員有所幫助。

[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)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(lián)聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件[S] .

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Part I：Structure Design

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

This paper presents systematically the structure design ofa long ACXLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable;XLPE insulation;structure design;pro-

TM247.9;TN818

A

1672-6901(2012)03-0020-04

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].