新型海岸灘涂風電場光電復合電力電纜的研制

王科好，馬 軍，錢子明

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

某沿海潮間帶風電場項目工程用光電復合電力電纜(以下簡稱光電復合纜)要求:

(1)電纜敷設于風電場區潮間帶上，電纜直埋于海床下1～2 m，海水深度約2 m;

(2)導體標稱截面3×240mm2，額定電壓26/35 kV;

(3)電纜段長要求不低于1000 m;

(4)要求徑向和縱向阻水;

(5)電氣性能符合GB/T 12706—2008要求;

(6)光通信的光單元由8芯低水峰單模光纖(用于信號傳輸)構成，傳輸參數符合ITU-T(國際電信聯盟電信標準化部)G 652(2000)標準的單模光纖的要求;

(7)必須滿足海岸灘涂光電復合纜運輸、敷設和海岸灘涂苛刻環境的要求，使用壽命30年。

我公司與某勘測設計研究院合作，根據某沿海潮間帶風電場的特點，組織科技人員，利用亨通集團光(電)通信、電力傳輸方面的產業優勢，調動相關資源，對該光電復合纜的用途、要求、敷設路徑、運行環境等方面進行了深入研究和探討，最終形成了成熟的設計方案。

1 海岸灘涂風電場光電復合纜的設計

海岸灘涂風電場光電復合纜的設計重點:一是如何實現苛刻環境下復雜的防水要求;二是必須具備多重耐腐蝕功能;三是光通信的光單元放在復合纜中的哪個位置才能得到很好保護，能經受大張力的絞合成纜、運輸、敷設的考驗。當然，還應進行復合纜中的電力電纜和光通信的光單元設計。如何滿足復合纜的段長要求，也是設計和制造需要考慮的另一個方面。

1.1 復合纜的防水結構

當復合纜長期與水接觸時，如果本身結構上沒有防水密封，則很容易有水分滲透到復合纜內部。導體遇水長期運行會導致氧化腐蝕，導體電阻偏大;絕緣經水侵蝕，在電場的作用下會產生“水樹枝”，導致絕緣加速老化而造成電纜故障。對于用于沿海灘涂的復合纜，如果結構上不考慮防水，則一旦進水，復合纜的使用性能勢必急速下降，壽命縮短，因此復合纜的防水性能是否滿足使用要求至關重要。

防水性能包括徑向防水和縱向防水兩個方面，以下分別進行闡述。

1.1.1 縱向阻水功能

因為26/35 kV海岸灘涂風電場光電復合纜為三芯結構，所以縱向阻水必須考慮導體、絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間的間隙，和成纜后三根絕緣線芯之間的間隙的存在。

通常，為了實現導體的縱向阻水功能，可以采用兩個措施:一是采用實心導體;二是導體采用絞合結構，并在絞合過程中，填入吸水膨脹的阻水材料。依據相關標準，采用實心導體顯然是不合適的，只能采用絞合結構。由于敷設環境決定了復合纜一旦進水將以極快的速度蔓延，所以各層導體之間都必須考慮阻水，而且導體絞合結構應是正規絞合，在每層絞線外需繞包適當寬度的半導電阻水帶，可保證導體的電性能不受影響。采用這種結構，在導體絞合緊壓過程中，阻水帶會局部破裂，但其中的阻水粉仍會很好地充填于絞線的縫隙中，保持導體的阻水性能。

對于絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間存在的間隙，采用在絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間繞包半導電阻水帶的方式實現阻水。同時，通過半導電阻水帶與單面銅塑復合帶金屬一面的接觸，實現了絕緣屏蔽與銅塑復合帶的等電位，起到了均衡電場的作用。

成纜后三根絕緣線芯之間的間隙阻水，常用的有阻水紗、阻水粉及阻水繩。它們的阻水機理是:當水分從復合纜端頭或是從護套缺陷中進入后，這種含有吸水膨脹粉末的材料就會迅速膨脹，并阻止了水分沿復合纜縱向進一步擴散，從而將水分的影響限制在局部的受損處，實現了電纜縱向防水的目的。考慮到阻水的實際功能和成本因素，我們采用了阻水繩實現線芯間的縱向阻水。

1.1.2 徑向阻水功能

每相線芯采用了“增強銅塑復合護層+特種聚乙烯(PE)護套”阻水防腐層新技術。該技術是國際上已成熟應用了多年的深海電纜的防水結構設計。法國的NEXANS公司、意大利的PRYSMIAN公司和世界上最著名的專業設計制造海纜的英國的JDR公司都有類似結構的海纜。縱包時單面銅塑復合帶先經過特殊的工裝，進入擠出機機頭后擠包特種PE護套。因為銅塑復合帶的一側為高分子材料，所以在成型進入機頭后，在高溫和一定的壓力下，可使特種PE護套與銅塑復合帶表面的高分子材料完全粘結密封(縱包銅塑復合帶有部分搭蓋)，水分幾乎無法滲透。線芯成纜后，內、外護套采用阻水效果優良的改性中密度聚乙烯(MDPE)，既可實現徑向阻水，又可耐海水腐蝕。

1.2 復合纜的耐腐蝕結構

沿海灘涂復合纜的敷設，必然要穿過海水。海水本身為電解質，有原電池效應，因此復合纜的耐腐蝕功能也是設計考慮的重點。前面徑向阻水功能設計中提到的“增強銅塑復合護層+特種PE護套”阻水防腐層，既可實現徑向阻水，又有很好的防海水腐蝕作用，而且這種特殊結構還可增強電纜的綜合力學性能。復合纜鎧裝層設計根據灘涂電纜敷設路徑及運行環境要求，遵照用戶需要采用鍍鋅鋼絲，內護層采用特種憎水型PE材料，外護層采用耐腐蝕改性MDPE材料，進一步增強復合纜的耐腐蝕性能。

1.3 復合纜的光通信的光單元位置

在復合纜中的電力電纜結構確定后，應進行光通信的光單元在復合纜中的位置設計，然后再確定光單元的結構。由于交聯聚乙烯絕緣電纜的導體長期允許工作溫度為90℃，而光纖的適用溫度通常最高不得超過60℃，所以設計時光單元應避免放置在導體內或靠近導體的部位，通常放置在三相絕緣線芯的中心部位或邊緣空隙中。如果放在中心部位，復合纜在承受拉力作用時，光單元由于沒有絞合節距而呈直線狀態，將率先受力，而普通結構的光單元，能承受的短暫拉伸力只有2 kN左右，這無法滿足復合纜在制造和敷設時的拉應力。如果光單元放在三相絕緣線芯的邊緣空隙中，由于跟絕緣線芯同時絞合成纜，當復合纜中的纜芯受到拉力作用時，光單元和絕緣線芯同時受力，這樣所承受的拉力較小，再加上光單元設有一定的光纖余長，拉應力不會對光纖的傳輸性能構成影響。為避免光單元在與電力電纜的成纜絞合過程中被擠壓，將光單元復合在填充物中，這種結構設計可有效保護光單元的安全。

1.4 光單元結構

由于沿海灘涂地貌復雜，高低起伏不平，因此復合纜敷設時將因各種因素制約承受較大的拉力。為確保光單元滿足灘涂苛刻使用環境和使用條件，設計了有一定光纖余長的松套層絞式結構。松套管材料采用激光焊接的不銹鋼管，不銹鋼帶材性能應符合GB/T 4239的規定。由于光單元中的光纖為二氧化硅材料，脆而易受損傷，所以在不銹鋼套管中采用纖膏。這既可保護光纖，又能防止水分和潮氣的滲入而產生氫損現象，保證光纖性能長期穩定。光單元中的內外護套均采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，同樣是考慮光單元的防水功能。在光單元與電力電纜的成纜過程中和光電復合纜的敷設過程中，光單元也不可避免地承受一定的拉力，因此，光單元中采用絞合節徑比不大于14的低碳鍍鋅鋼絲鎧裝，然后用繞包帶繞包，以保證結構的穩定。光單元結構示意圖如圖1所示。

圖1 光單元結構示意圖

1.5 復合纜護層

根據敷設的最大海深，計算出敷設時所需承受最大拉力，確定復合纜鎧裝層鋼絲采用直徑為Φ4.0的低碳鍍鋅鋼絲，內外護層采用特種PE材料。

1.6 復合纜結構

在綜合考慮了功能的實現、工藝的實現難度、合理的制造成本等因素后，最終確認的復合纜結構見圖2。

圖2 26/35 kV海岸灘涂風電場光電復合纜結構

1.7 復合纜制造長度的段長

海纜的設計制造合同中往往規定定長供貨，即要求提供中間不允許有接頭的規定長度的電纜。因此，海纜的生產廠都無一例外地建在江邊或海邊，有大的收線場地，有自己的碼頭，以便于大長度電纜的收線和運輸、敷設。由于本次海岸灘涂光電復合纜供貨段長相對于海纜并不長，只有1000 m，因而只需考慮成纜的收線線盤和成品的裝線線盤是否可滿足要求。經計算，復合纜的成纜并綁扎后的外徑為Φ105mm，成品外徑為Φ127mm，而我公司擁有的大型成纜設備可安裝超大型收線盤，成纜后纜芯收線長度可達1043 m，成品收線長度可達1061 m，完全可滿足復合纜段長不低于1000 m的要求。

2 金屬護套感應電勢計算

由于金屬護套是采用的單面銅塑復合帶，且金屬一面通過半導電阻水帶與絕緣屏蔽接觸(滿足均衡電場的需要)，而銅塑復合帶外面又有特種PE護套(防水功能實現需要)，很顯然該三芯電纜的金屬屏蔽層是互相不接觸的，所以不能適用電線電纜手冊第一冊第三篇電力電纜第2.3.5節金屬護套多芯電纜護套感應電壓可以忽略不計的結論。因此，必須通過計算，以確定其護套感應電壓是否能夠滿足安全要求。

因為三芯電纜的金屬屏蔽層互相不接觸，可以依據《電力電纜結構設計原理》中等邊三角形敷設三相電纜護套的感應電壓計算方法來計算，只不過導體間距不同而已，計算過程如下:

電纜的電感的計算:

式中，Xs為電纜的電感(H/m);Ds為電纜金屬護套的平均直徑(Ds=45.3mm);S為導體間距離(S=48.3mm);ω 為角頻率(ω =2πf)。

將上述已知參數代入上式可得:

電纜金屬護套感應電壓的計算:

式中，Us1、Us2、Us3分別為 A 相、B 相、C 相電纜金屬護套的感應電壓有效值;I1、I2、I3分別為A相、B相、C相電纜工作電流。

已知S=S1=S2=S3;I1=I2=I3=465 A，則

由于客戶要求段長僅為1000 m，因此該電纜金屬護套的感應電勢符合不大于50 V的安全要求。

3 復合纜的試驗

3.1 縱向透水試驗

阻水導體經交聯三層共擠后，應通過IEC 60502附錄D中的透水試驗。試樣須進行10次加熱循環，每一次熱循環持續8 h。在整個試驗期間，試樣的兩端未有水分滲出，符合標準的規定。

3.2 徑向阻水試驗

電纜的徑向阻水性能，通常參照通信電纜行業標準(YD/T 322—1996銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內通信電纜)中的試驗標準來判定其徑向防水的實際功能，即電纜充入50～100 kPa的干燥空氣或氮氣，在電纜全長氣壓均衡后3 h(有外護層電纜6 h)內，電纜內的氣壓不應降低。樣品經檢驗，滿足要求。

3.3 耐海水腐蝕試驗

成品電纜的耐海水腐蝕性能(針對成品的改性MDPE外護套)應滿足表1所列的指標。

表1 耐海水腐蝕試驗

3.4 其它常規試驗

光電復合纜的其它常規試驗，包括直流電阻、局部放電、工頻耐壓例行試驗均依照GB/T 12706—2008標準執行;光纖衰減試驗應符合表2所列的G652D單模光纖技術指標。抽樣試驗相比普通電力電纜，增加相線阻水充氣試驗(試驗指標同第3.2節)、光單元滲水試驗(光單元一端接1 m水柱連續24 h，另一端無水滲出)和光單元結構尺寸檢查。

表2 G652D單模光纖技術指標

4 結束語

(1)我公司設計的海岸灘涂光電復合纜方案在經客戶確認后，試生產部分樣品，經檢測完全符合設計要求。

(2)電纜的設計開發，首先考慮的當然是功能的實現。在功能和使用壽命可以滿足使用要求時，再要考慮的重點就是成本因素。采用“增強銅塑復合護層+特種PE護套”阻水防腐層新技術，加上改性防腐護層的設計，既可滿足使用要求，適應海岸灘涂的使用環境，又降低了產品成本。該復合纜可以說是為沿海灘涂使用環境量身定做的一款產品，具有廣闊的發展前景，市場潛力很大。

［1］王春江主編.電線電纜手冊第1冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］劉子玉，王惠明.電力電纜結構設計原理［M］.西安:西安交通大學出版社，1995.

［3］GB/T 12706—2008 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［4］YD/T 322—1996 銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內通信電纜［S］.