劉曉東 唐文川 劉培鎮(zhèn)

摘要：近幾年來，XLPE 絕緣海底電纜技術(shù)已經(jīng)很成熟并已廣泛應用，海底電纜護層面臨的問題：分相防水采用的是鉛護套，對電纜的使用壽命是有效的，鉛對環(huán)境的污染是很嚴重的;金屬焊接護套可徑向防水但沒有皺紋，電纜的彎曲性能很差;用于通訊的海底電纜有焊接銅套的徑向保護，但是銅套沒有皺紋。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，分相銅套和不銹鋼護套采用皺紋技術(shù)，可以對電纜進行雙層的機械和防水保護。皺紋鋼套為密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了更強的阻水性能、機械性能。皺紋銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保海底電纜同時具備環(huán)保、利于敷設、彎曲性能優(yōu)良等特點。通過工廠試驗及用戶反饋，證實了該結(jié)構(gòu)海底電纜具有較大的發(fā)展空間和市場前景。關(guān)鍵詞：皺紋銅套屏蔽;皺紋不銹鋼套及鋼絲鎧裝;雙層阻水;環(huán)保;彎曲性能

中圖分類號：P756. 1文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0216-04

Design and Realization of Corrugated Copper-covered Steel-covered Steel WireArmored Environmental Protection Submarine Cable

Liu Xiaodong，Tang Wenchuan，Liu Peizhen

（ Guangzhou Nanyang Cable Group Co. ，Ltd. ，Gangzhou 511356，China ）

Abstract：In recent years，XLPE insulated submarine cable technology has been very mature and widely used. The problems faced by theprotective layer of submarine cable：the split phase waterproof adopts lead sheath，which is effective for the service life of the cable，and thepollution of lead to the environment is very serious;the metal welding sheath can be radially waterproof without wrinkles，and the bendingperformance of the cable is very poor;submarine cables used for communication have radial protection of welded copper sleeve，but the coppersleeve has no wrinkles. Through the structural optimization design，the wrinkle technology was adopted in the split phase copper sleeve andstainless steel sheath to provide double-layer mechanical and waterproof protection for the cable. Corrugated steel sleeve is a sealing structure， which realizes stronger water resistance and mechanical properties. Corrugated copper sheathed shielded steelsheathed steel wire armoredenvironmental protection submarine cable has the characteristics of environmental protection，easy laying and excellent bending performance. Through factory test and user feedback，it is confirmed that the submarine cable with the structure has great development space and marketprospect.

Key words：corrugated copper screen;corrugated stainlesssteel pipe and wire armoring;double water-blocking;environmentally-friendly;bending property

0 引言

海底電纜是用絕緣材料包裹的導線敷設在江、河、湖、海底的電纜，用于通訊和電力傳輸。1850年英、法兩國間成功敷設人類史上第一條海底電纜，距今已有近170年的歷史傳統(tǒng)。中國的第一條海底電纜是在1888年完成。海底電纜按絕緣類型主要有浸漬紙絕緣纜、自容式充油電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜、聚乙烯絕緣電纜、乙丙絕緣電纜及充氣電纜，上述海底電纜，除交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜以外，其他幾種電纜在敷設環(huán)境條件、機械性能或電氣性能方面具有一定的局限性，而交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜則在各個方面表現(xiàn)出了一定的綜合優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊[1]。

傳統(tǒng)海底電纜一般采用合金鉛套作為徑向阻水層，以鋼絲作為鎧裝層。人們對鉛的應用可追溯到公元前3000年，鉛具有柔軟、延展性好、容易焊接、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特性，長此以往，鉛一直被人們作為海底電纜的徑向阻水層使用。但鉛同時有諸多缺點，如污染環(huán)境、機械強度低，重量大等。鋼絲鎧裝使電纜具備了一定的抗拉性能，但電纜抗壓性能較差，不適宜復雜多變的海底環(huán)境[2-3]。

據(jù)了解，各類每座海上石油平臺上電纜的用量：自升式平臺150 km，半潛式平臺180 km，采油平臺200 km，生產(chǎn)平臺200 km，生活平臺100 km。

建設海上風電場是國際新能源發(fā)展的重要方向，也將是我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“方向中的方向”。中國已有近百家陸上風電場，但海上風力發(fā)電場建設才剛剛起步。對于海底電纜來說，其在海上風力發(fā)電及輸電上的應用擁有廣闊的市場前景。

本文主要介紹了一種新型的海底電纜—銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保交流海底電纜。

1 設計理念

海底電纜多敷設于大江、大河或海底，水下環(huán)境完全不同于陸地環(huán)境，敷設于水下的電纜需防范海洋暗流、生物侵襲等潛在隱患，且一旦出現(xiàn)事故，海底電纜的維護造價十分昂貴。這就要求海底電纜應具備較為優(yōu)秀的機械性能和電氣運行可靠性。傳統(tǒng)海底電纜與新型海底電纜結(jié)構(gòu)差異如圖1～2所示[4]。

1. 1分相屏蔽阻水金屬套

作為人類使用較早的一種金屬，鉛具有較好的密封性能，較為柔軟，延展性好，且化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易被大多數(shù)物質(zhì)腐蝕，最為主要的是，相對于大多數(shù)金屬，鉛熔點很低，327. 5℃時即可液化，這使鉛具備了較好的擠出性能。在金屬套加工藝不是特別先進的時期，鉛套作為海底電纜的徑向阻水層是最好的選擇。但與皺紋銅套比較，鉛套存在諸多弊端。

（1）鉛套機械強度比銅差

鉛的密封性能好，但質(zhì)地軟，無法在海底復雜的運行環(huán)境中有效保護內(nèi)部的絕緣線芯，特別是在深海，電纜外部水壓較大，鉛套不具備保護電纜線芯的機械強度，且在電纜在運行時自身震動或外部機械震動會使鉛晶格間產(chǎn)生裂縫，導致鉛套的阻水性能降低，水分侵入電纜線芯，在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生“水樹”，進而擊穿，或在電纜接頭處發(fā)生運行事故。

首先，從表1所示的對比數(shù)據(jù)可明顯看出。銅的硬度、楊氏模量、剛性模量遠高于鉛，說明銅的機械強度更好。銅套表面通過皺紋處理，進一步增加了銅套的抗壓能力，且皺紋工藝使銅套具備了較優(yōu)秀的彎曲性能，可減小電纜彎曲半徑，利于電纜安裝敷設。其次，由于組成鉛與銅晶格結(jié)構(gòu)的差異，銅晶格間庫侖力更大，不會因外界震動在晶格間產(chǎn)生裂縫，保證了銅套的阻水性能[5-8]。

（2）鉛電阻率大，承載短路電流能力差

一般來說，電纜的金屬套除了作為電纜的保護層和防水層外，還充當故障電流的載體，當線路系統(tǒng)發(fā)生故障時，能將短路電流順利。鉛電阻率為，銅電阻率為，金屬套能承受最大的非絕熱故障電流計算公式如下。

式中：ρ20為載流體20 ℃時的電阻率;S為載流體截面積。

式（1）表明，載流體能承受的故障電流大小與載流體電阻率成反比。通過計算，新舊兩種結(jié)構(gòu)的同等電壓等級、同等導體截面海底電纜，其金屬套允許最大短路電流如表2所示。

（3）鉛密度大，不利于電纜安裝敷

眾所周知，與銅相比，鉛的密度較大。同等電壓等級、同等導體截面的海底電纜，以鉛套作為電纜徑向防水層大大增加了電纜重量，不利于電纜的安裝敷設。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)海底電纜每千米質(zhì)量如表3所示。

以2007年～2009年瓊州海峽海底電纜敷設為例，首先，海底電纜電纜敷設時，要一次性把一根32 km的海底電纜完全敷設到海底，通過控制敷設船的航行速度、電纜釋放速度來控制電纜的入水角度以及敷設張力，避免由于彎曲半徑過小或張力過大而損傷電纜，電纜越重，所需的電纜敷設船噸位越大，船速、電纜釋放速度等指標的控制變得困難;其次，敷設時，敷設船在沙地及淤泥區(qū)，進行高壓沖水形成一條大約2m 深的溝槽，將電纜埋入其中，隨后用旁邊的沙土將其覆蓋，在珊瑚礁及粘土區(qū)，則使用切割機切割一條0. 6～1. 2 m 深的溝槽，然后把電纜埋入溝槽，再覆蓋上水泥蓋板等硬質(zhì)物體進行保護，電纜敷設的方式相當于陸纜的直埋和隧道敷設，敷設后電纜的穩(wěn)固性與電纜重量無關(guān)。海底電纜安裝敷設是國際公認的復雜的、高難度的系統(tǒng)性工程，電纜的重量增加會大增加安裝敷設難度和耗資。

（4）鉛為重金屬，有毒性

鉛是人們熟知的一種有毒重金屬。鉛和其化合物對人體多個組織均有毒性，其蒸汽或粉塵可由呼吸道進入人體，然后呼吸道中吞噬細胞將其迅速帶至血液;或經(jīng)消化道吸收，進入血循環(huán)而發(fā)生中毒。因此，鉛套電纜的生產(chǎn)加工和安裝敷設將對操作人員身體健康產(chǎn)生影響。其次，游離態(tài)的鉛進入自然界（海底）將會對海洋漁業(yè)等造成一系列的污染。

（5）皺紋結(jié)構(gòu)

銅套的皺紋結(jié)構(gòu)設計，提高了電纜的彎曲性能和抗壓能力，有利于電纜、安裝敷設和穩(wěn)定運行。焊接的使用和皺紋銅被廣泛用于：線纜的防火性能，超高壓電纜在水電站系統(tǒng)?；诮?jīng)驗，一個焊接皺紋銅屏幕保護半導電聚乙烯層，是鉛護套的理想替代品，更容易接頭并具有良好的耐腐蝕性，皺紋銅套如圖3所示。

1. 2 皺紋銅套和皺紋鋼套

皺紋銅套和皺紋鋼套的生產(chǎn)制造均在DAG60/180 型金屬套自動連續(xù)氬弧焊生產(chǎn)線上完成。該設備的核心部分氬弧焊機為意大利LINCOIN 公司生產(chǎn)。整條生產(chǎn)線可實現(xiàn)變頻調(diào)速并和焊接電流同步控制，確保焊縫的連續(xù)性，同時配備在線渦流探傷裝置，提高焊縫質(zhì)量。根據(jù)不同材料的焊接特性，配置以合理的焊接電流、牽引速度、氦氣氬氣比例，進一步保證焊縫質(zhì)量。為確保焊縫氣密性，此道工序完成后馬上對半成品進行0. 4 MPa/30 min 的氣密性[B ]試驗，以保證金屬套的密封性能。

1. 3 鎧裝層

傳統(tǒng)海底電纜鎧裝層一般為鋼絲鎧裝，這使電纜具備了較強的抗拉能力。但海底環(huán)境復雜多變，深海內(nèi)巨大的水壓、大型海洋生物蝕咬、自然條件惡劣等客觀潛在隱患都對海底電纜的抗壓能力提出要求。本文介紹的新型海底電纜結(jié)構(gòu)采用皺紋鋼套+鋼絲鎧裝的復合鎧裝，保證海底電纜的抗拉性能，且大提高了其抗壓性能。

鋼材作為被人類應用最為廣泛的金屬材料，其具備機械強度高、韌性好等諸多優(yōu)良性能。新型海底電纜以鋼套作為抗壓結(jié)構(gòu)，為進一步提高其抗壓能力，采用皺紋結(jié)構(gòu)，也保證了電纜的彎曲性能，利于生產(chǎn)制造和安裝敷設。同時，鋼套也是阻止水分徑向侵入電纜的第一道屏障，進一步提高電纜的阻水性能[9-11]。

2 運行案例

海底電纜是沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段。我國海岸線長，大部分發(fā)達城市分布在沿海地區(qū)上，與大陸外城市、島嶼之間所需的光電復合海底電纜和海底交聯(lián)電纜的需求量明顯增加。預計未來5年海底電纜市場年增長率將超4%，海底電纜總長將達16350 km。

由于改造江河、湖泊以及水庫大壩的需要，水下電纜應用得越來越廣泛，在中國，主要分布在長江、黃河、怒江、錢塘江、珠江等市場。不少中國相鄰地區(qū)域性海底電纜工程從西歐引進光電復合海底電纜，耗費巨大。相對而言，中國的海底電纜生產(chǎn)企業(yè)具有成本和地域的優(yōu)勢。

同陸地光纜相比，海底光纜有很多優(yōu)越性：一是鋪設不需要挖坑道或用支架支撐，因而投資少，建設速度快;二是除了登陸地段以外，電纜大多在一定深度的海底，不受風浪等自然環(huán)境的破壞和人類生產(chǎn)活動的干擾，所以電纜安全穩(wěn)定，抗干擾能力強，保密性能好[12]。本新型結(jié)構(gòu)的海底電纜已于2016年成功應用于巴布亞新幾內(nèi)亞的Buka Island Submarine Cable項目和美國的Aunu，u Island Submarine Cable-AmericanSamoa 項目，據(jù)使用單位反饋，電纜運行情況良好。

3 結(jié)束語

海底電纜作為實現(xiàn)人類社會能源優(yōu)化配置的重要工具，具有較為廣闊的市場前景。由于海底電纜運行環(huán)境的特殊性，其生產(chǎn)制造、安裝敷設和運行維護成為較復雜的系統(tǒng)性工程。海底電纜發(fā)生故障后，產(chǎn)生的后果十分嚴重，故障維護難度巨大，因此，海底電纜運行的可靠性至關(guān)重要。本文介紹的新型結(jié)構(gòu)海底電纜與傳統(tǒng)的海底電纜相比具有如下特點。

（1）銅電阻率小，以銅套代替鉛套作為電纜的屏蔽層，大提高了電纜承受故障電流的能力。（2）銅套保證阻水性能，且相對于鉛套機械性能較好，皺紋結(jié)構(gòu)進一步提高機械抗壓性能和彎曲性能。（3）銅相對于鉛來說密度較小，能夠減小電纜重量，利于安裝敷設。（4）沒有鉛污染，具有環(huán)保意義。（5）皺紋鋼套具備極佳的抗壓性能，鋼絲鎧裝保證電纜的抗拉性能，皺紋不銹鋼套和鋼絲鎧裝的組合結(jié)構(gòu)可以應對海底的復雜運行環(huán)境，降低電纜故障率，提高電纜運行可靠性。（6）皺紋鋼套為密封結(jié)構(gòu)，與皺紋銅套組成“雙保險”阻水結(jié)構(gòu)，提高電纜運行可靠性。（7）很好的彎曲性能，重量輕，實現(xiàn)大長度生產(chǎn)。

綜上所述，銅套屏蔽鋼套鋼絲鎧裝環(huán)保海底電纜可以取代傳統(tǒng)的鉛護套海底電纜，值得推廣。

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第一作者簡介：劉曉東（1963-），男，遼寧沈陽人，大學本科，高級工程師，研究領(lǐng)域為電力電纜，已發(fā)表論文5篇。

（編輯：刁少華）