祁登權 楊甫軍 席菲菲

重慶泰山電纜有限公司

近年來我國海底電纜蓬勃發(fā)展，220kV 及以下的XLPE 絕緣交流海底電纜已取代進口。但高壓直流海纜仍是一片空白，具有廣闊的市場前景。高壓直流海底電纜從結構設計、傳輸功率和經濟效益來看，比高壓交流海底電纜較為有優(yōu)勢。因此在取得交流海底電纜研究經驗積累和成果的基礎上進行高壓直流海纜的研究，有利于推動和促進海纜產業(yè)的發(fā)展。

軟接頭制作流程

軟接頭電纜結構

圖1 軟接頭結構圖

軟接頭各道工序制作的研究

絕緣線芯矯直

絕緣線芯矯直軟接頭制作是首道工序，其目的是使電纜導體焊接、絕緣注塑處于同一水平線，方便擠出模具操作。線芯矯直程序為剝開PE 護套、用稀釋劑清除鉛套表面的瀝青，剝開鉛套，然后采用硅橡膠加熱帶進行線芯加熱，加熱溫度75°左右，加熱時間（以150kV 1×800mm2直流海底為例）4～6h，絕緣線芯可根據不同電壓等級延長或縮短加熱時間。直到線芯達到一定的柔軟度時固定線芯，最后冷卻線芯，達到線芯矯直目的。

導體焊接

導體焊接是軟接頭制作中關鍵難點和重要工序之一。通常采用氧氣和乙炔、含15%的銀釬焊條作為導體焊接的主要材料，在控制導體焊接外徑保證的同時，即能導達到導體電阻要求，又能滿足導體焊接后的抗拉強度。導體焊接關鍵點：①導體焊接處熔點溫度控制，溫度過高易使導體嚴重退火，從而降低導體的抗拉強度；②溫度過低會導致導體未熔接、未焊透、夾渣現象；③導體焊接兩端通入冷卻循環(huán)水，避免導體焊接處溫度過高或火焰?zhèn)^緣。

內屏蔽恢復

內屏蔽制作前首先清除導體表面毛刺或氧化物，然后用酒精濕布擦去導體表面的雜質。內屏蔽恢復通常有兩種方式，一種是繞包式。在導體上處繞包專用半導電屏蔽帶，其優(yōu)點是攜帶方便、操作簡單、快捷，制作時間短。缺點是需要專業(yè)人員制作，由于手工操作時難免用力不均，造成邊角擠壓形成氣隙現象，在做試驗局部放電時容易產生放電量過大。這種現象是影響電纜局部放電的最大致命缺陷；另一種是擠包式。擠包與本體相同的半導體屏蔽材料，國內外通常采用的形式。但是過程比較繁瑣，需對擠礎機和銅模加熱進行注塑，延長了海纜在搶修時間，而且室外制作時攜帶設備很不方便。

絕緣注塑恢復

圖2 導體焊接示意圖

絕緣注塑是通過自主研發(fā)注塑模具、加熱瓦塊、橡皮模具以及一套加熱和冷卻循環(huán)系統。絕緣注塑前先預熱精削的鉛筆頭，同時加溫可移動式雙螺桿專用擠出機，待鉛筆筆頭預熱溫度與擠出溫度相同時，將塑化好的絕緣向絕緣模具腔體內注塑，直到腔體注滿為止。移動式擠出機的優(yōu)異特點較為突出，操作方便、排膠量大，擠出速度快，適用于室內外現場操作。絕緣注塑要求凈化程度很高，絕緣注塑后電氣性能和機械性能等項目檢測應符合標準TICW.7.1-2012 技術規(guī)范要求。

絕緣注塑容易出現的現象：①絕緣線芯嚴重偏心；②表面有氣孔、竹節(jié)、疙瘩、凸凹不平；③絕緣表面有雜質、顆粒、不規(guī)則條紋、裂紋，縫隙等現象。

絕緣硫化

絕緣硫化是軟接頭制作的最關鍵點和難點，絕緣硫化好壞直接影響到電纜性能。絕緣擠出檢查合格后才能進行硫化，絕緣硫化與絕緣擠出模具基本相似，除有硫化模具，橡膠模具、加熱塊、加熱系統和冷卻系統等構成之外，多了氮氣裝置。先通入氮氣檢查模具的氣密性，確保無漏氣現象后再加熱。硫化中容易出現的質量問題：①絕緣內有氣泡或氣孔；②絕緣下垂、嚴重偏心；③溫度過低絕緣錐形截面和注塑絕緣未完全融合；④硫化溫度過高造成絕緣表面燒焦；⑤絕緣熱延伸不合格。

外屏蔽恢復

外屏蔽恢復與內屏蔽恢復是同樣的原理，先預熱絕緣線芯后將絕緣外屏蔽材料制作好大的帶子繞包在絕緣上，然后加壓、加熱外屏蔽使外屏蔽與絕緣很好的粘接，最后修復打磨，用酒精擦凈外屏蔽表面，確保外徑同本體基本一致。

軟接頭線芯脫氣

外屏蔽恢復完畢后對軟接頭處進行脫氣，脫氣溫度、時間和本體一致。

鉛套焊接恢復

鉛護套恢復用氫氧焰焊接，用已制作好的鉛管在導體焊接工序時套入電纜上，然后到鉛套恢復工序時與本體鉛套焊接熔接。鉛套焊接比較特殊，由于鉛的熔點比較低，所以焊接溫度不宜太高，溫度過高易成熔融狀態(tài)，不易粘接在一起。鉛套焊接難以操作部位的是線芯側面和下方。

PE 護層恢復

PE 護層的恢復通常有兩種形式、一種是注塑型護套；另一種是用繞包PE 護套。

外被層恢復

海底電纜外被層主要是鋼絲鎧裝（也有銅絲鎧裝，根據環(huán)境和使用條件），外面由多層瀝青和多層PP 繩交替生產，然后再繞包一層帶子。

機械性能試驗

軟接頭電纜機械性能試驗可根據國際大電網標準的要求進行，分為非電氣性能試驗和電氣性能試驗。非電氣性能試驗主要包括直流電阻測試、阻水試驗（導體阻水和金屬下阻水試驗）、絕緣老化前后的機械性能試驗、盤繞、張力彎曲試驗；電氣性能試驗主要包括負荷循環(huán)試驗、沖擊電壓試驗、雷電脈沖耐壓試驗和直流耐壓試驗。

導體的縱向透水試驗如圖3

導體縱向透水試驗是海底電纜生產過程中關鍵的一個試驗試驗項目，其目的是為了驗證當敷設在不同海域深度下，海纜受損或拉斷時海水沿著線芯方向滲最短米數，贏得工程最短時間內搶修完成。此試驗取了1 根20m 的絕緣線芯，常溫下在線芯中心點開50mm 的小口，安裝高壓密封容器裝置，向密封容器內注入1.0～1.2Mpa 個水壓，維持24 小時后，經檢查導體滲透情況，水向兩端滲水不超過2m，完全符合JB/T 11167-2011 標準中規(guī)定的要求。

盤繞試驗

盤繞試驗要求電纜長度至少能盤繞8 圈，電纜中心部位應至少含有兩個軟接頭。兩個軟接頭間的最短距離應等于兩圈盤繞周長。試驗時電纜兩端各部分（如導體、鉛套、加強層、鎧裝層）都應連接在一起。盤繞前應沿電纜軸線平行方向做一標志線，以檢查電纜盤繞過程中扭轉是否均勻。試驗時，試樣最小盤繞直徑和盤繞高度由制造方、裝運及敷設中可能出現的數值決定。而現行國際大電網標準中暫定最小盤繞直徑為4.6m，最小盤繞高度為8m。盤繞試驗其主要目的檢查盤繞試驗后電纜導體、絕緣、金屬套、鋼絲，以及外被層不受變形或損壞。盤繞試驗如圖4 所示。

圖4 盤繞試驗

張力彎曲試驗

從經過做盤繞試驗的電纜取樣進行彎曲試驗，試樣至少應含一個軟接頭。試樣長度至少30m，軟接頭距離電纜端頭不小于10m 試樣兩端盤繞在圓筒體上，圓筒體的直徑不小于3m，試樣與彎曲通體接觸長度不小于圓筒體周長的一半。采用適合的設備，包含可能有的接頭的電纜試樣應在圓盤上連續(xù)地盤繞和退出盤繞三次，而不改變彎曲方。

試驗期間，電纜應承受的機械應力 單位 N。

電纜敷設水深為（0～500）m

用下述公式計算試驗電纜段受到的試驗張力

式中：

W ——1m 電纜水中重量（電纜自重減去排開的同體積水重），N/m；

d ——最大敷設水深，m；

H ——最大允許水底接觸點對電纜的張力，N。

其中d 最小值規(guī)定為200m。

電纜敷設水深大于500m

此方法特別用于電纜敷設深度大于500m 場合，但是如果敷設設備和敷設條件已知，可用于特定的水深小于500m 的工程。

用以下公式計算試驗張力：

式中：

W ——1m 電纜水中重量，N/m；

d ——最大敷設水深，m；

H ——最大允許張力，N；

1.2——動態(tài)力安全系數。

用式（2）計算H。

按簡化模式，忽略縱向彈性和實際的電纜水中懸垂線形狀，用下式計算動態(tài)張力D

式中：

bn ——敷設滑輪峰對峰垂直運動量，m；

m ——電纜質量，kg/m；

ω——2π/t，敷設滑輪轉動的角頻率，1/s；

t ——運動時間，s。

軟接頭的應用

軟接頭技術是生產大長度海底電纜的關鍵和核心技術，目前國內有部分廠家已獲得220kV 及以下的交聯海底電纜軟接頭型式試驗報告，而且軟接頭制作已成功應用于海纜項目工程中，至今還沒出現質量問題。然而國內外直流海底電纜的軟接頭仍是一片空白，需要通過自主創(chuàng)新、研發(fā)、試驗等一系列工作來不斷完善，填補這一空白還需要一段時間。由于直流電纜絕緣材料與交流電纜絕緣材料不同，直流電纜絕緣材料在電場的作用下，形成分布不均的空間電荷。隨著電壓的升高，絕緣截面空間電荷的聚集增加，軟接頭處電場畸變效應尤為顯著。

結語

通過對直流海底電纜軟接頭的研發(fā)、設計、制作、試驗以及應用，提出了直流海底電纜軟接頭的技術、制作方法以及應用。得到以下結論：

雖然直流海底電纜軟接頭結構設計簡單，但大多工序屬于手工制作，工藝復雜。尤其是制作過程中每道工序的控制，如導體焊接、擠出溫度、硫化溫度以及硫化時間，機械性能試驗，耐壓試驗皆是關鍵步驟，也是軟接頭合格與否的重要因素。

直流海底電纜軟接頭與普通的搶修接頭不一樣，制作成本低，制作工期短，穩(wěn)固性好。

成功地解決了直流海底電纜大長度的生產，可實現直流海底電纜拉斷或故障時作為接頭處理，確保海纜的正常運行。

直流海底電纜軟接頭不僅在工廠可以制作也可以施工現場制作，制作和施工方便，不受限制。