含軟接頭的220 kV光纖復合海底電纜的研制

周厚強

(江蘇亨通高壓電纜有限公司，江蘇常熟215537)

0 引言

隨著新能源的開發利用，沿海風電的開發將會越來越受到重視，中國是世界海上風力發電最具潛力的國家之一。2009年初，國家能源局制定了海上風電場工程規劃大綱，海上風電重點在山東、江蘇、浙江、福建等沿海地區。沿海風電的發展必然帶動海底電纜相關產業迅速發展，國際上幾個著名的的海纜制造企業都在研制220 kV光纖復合海底電纜。在未來幾年，220 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣光纖復合海底電纜必將在國內得到應用，沿海風電設計部門已經多次邀請海纜制造企業設計220 kV的海纜。

圍繞超高壓、大長度、軟接頭等關鍵技術問題，我公司專門成立了220 kV光纖復合海底電纜研發課題組，經過課題組的攻關，順利完成產品試制并取得了國家電線電纜質量監督檢測中心的型式試驗報告。

1 電纜設計方案

220 kV光纖復合海底電纜是在110 kV光纖復合海底電纜的基礎上進行設計的，其結構是根據220 kV光纖復合海底電纜的特點，主要考慮導體的阻水特性、金屬護套承受短路電流能力以及軟接頭等諸因素而提出來的。

1.1 導體設計

導體設計時除重點關注導電性能之外，最重要的就是導體的阻水性能了，根據ELECTRA No.171.1997－CIGRE的規定，海纜的導體阻水試驗模擬水深最深區段電纜故障情況，試樣浸入對應敷設水深壓力的水中，一般至少試驗持續10天，水溫和環境溫度相同，對導體切開處作目測檢驗，這些部位應無水。

目前國內超高壓電纜截面一般都超過800 mm2，由于集膚效應，一般采用分割導體。但由于海底電纜的特殊使用環境，要求導體阻水性能良好，分割導體較難保證阻水性能達到設計要求，同時大長度海纜一般都有軟接頭，分割導體的接頭怎么實現也是技術難點。根據國外海纜實際工程運用情況，海纜導體的設計采用圓形緊壓比較普遍，Nexans公司設計制作了單絲直徑為4.77 mm、根數91根的245 kV 1600 mm2圓形緊壓導體海纜。

下面以1000 mm2鉛套粗鋼絲鎧裝110 kV海底電纜為例，計算圓形緊壓導體與分割導體在相同海況下兩端接地時的載流量。

根據JB/T 10181.1，集膚效應因數Ys為:

式中，R'為最高溫度下的單位長度的直流電阻;f為電源頻率50 Hz;ks為JB/T 10181.1給出的系數，圓形緊壓導體取1，分割導體取0.435。

經計算，緊壓圓形導體的集膚效應因數為0.144，分割導體為0.063。

海纜敷設距離一般在50 m左右，根據JB/T 10181.1給出的鄰近效應因數Yp的計算公式計算，Yp=4.591×10－10。由此可以看出鄰近效應較小，對交流電阻的影響較小。

在海水常年水溫為25℃、海灘土壤熱阻系數0.7 K·m/W、導體最高運行溫度90℃、水下敷設間距為50 m、敷設深度為2.5 m的情況下計算電纜的載流量，圓形緊壓導體為967.025 A，分割導體為980.019 A。

由此可以看出載流量相差非常小，海纜采用圓形緊壓導體是可行的。

1.2 絕緣設計

GB/Z 18890.2—2002中規定的220 kV交聯電纜的絕緣厚度富裕度較大，作為220 kV光纖復合海底電纜的絕緣厚度完全可以滿足要求。

1.3 屏蔽層和徑向阻水層設計

目前海纜的徑向阻水層普遍采用合金鉛套，因為致密的合金鉛套能夠完全阻擋水分的入侵和潮氣的滲透，同時鉛套又可以作為高壓電纜的屏敝層，如果不能滿足系統短路容量的要求，應考慮增加鉛套厚度或采取增加銅絲和銅帶的方法解決。

合金鉛套應采用擠出的無縫鉛管。由于鉛比較柔軟，為了避免鉛套在海纜后道工序加工過程中損壞以及受海水腐蝕，需在鉛套外擠包一層半導電聚乙烯(PE)護套，這層PE護套可以保證鉛套與鎧裝層的等電位連接，確保了金屬套和鎧裝層共同承受感應電流和短路電流。這層PE護套同時具有一定的阻水效果。

由于部分海域存在一種貝類蛀船蟲，不僅侵蝕沉船還會損壞電纜，因此在PE護套外繞包兩層0.1 mm厚的黃銅帶，黃銅帶不僅能防止蛀船蟲損壞海纜而且可以與鉛套共同承擔短路電流。

1.4 光纖單元的設計

將光纖單元復合到海底電纜系統中，主要起到以下作用:分布式溫度測量;數據傳輸;電纜應變或振動測量;故障探測與定位;監控電纜路由變化(如電纜周圍環境改變)等。

由于海底光纜與陸上光纜對光纖單元的要求有差異，故不能簡單地把陸上光纜中的光纖單元用在海底光纜上，在結構上應考慮機械應力、熱應力、水密性能、滲水性能和抗海水腐蝕性能。光纖單元必須具有足夠的強度來抵擋在電纜制造過程中遭受的彎曲壓力，也要有足夠的機械強度來承受電纜在盤繞和敷設時所發生的扭轉。

綜合考慮，將光纜單元放置在繞包的墊層中，在光纖的兩側放置兩根同直徑的金屬絲，金屬絲與光纖同時成纜。當電纜受到外界的擠壓時，光纖單元受金屬絲的保護而不會被壓扁，繞包結構保證了彎曲時有一定的位移，從而保證了光纖的傳輸性能。光纖單元放置位置見圖1。

圖1 220kV光纖復合海底電纜結構圖

1.5 鎧裝層的設計

鎧裝層是海底電纜中非常重要的保護層，保護電纜在施工、敷設、運行以及維護中不受損壞，需要有足夠的機械強度，又要兼顧對電纜載流量的影響。

單芯電纜中導體電流會使鎧裝中產生感應電流導致損耗，因此鎧裝層金屬材料的磁性與非磁性必須全面考慮。在單芯金屬套電纜兩端接地的情況下，損耗系數與金屬層和鎧裝層的并聯電阻值關系密切。由于銅絲電阻值較小又是非磁性材料，因此是鎧裝層的最佳材料，但價格昂貴;不銹鋼絲雖然磁滯損耗較小，但導體電阻大，影響海纜的載流量;目前大部分的海纜選擇鍍鋅鋼絲作為鎧裝層。

下面通過在相同敷設條件下海纜的載流量計算來說明采用鍍鋅鋼絲作為鎧裝層的可行性。220 kV 1600 mm2海底電纜，海纜敷設間距50 m，敷設深度2 m，環境溫度28℃，海床溫度系數0.7 K·m/W，扁銅絲、不銹鋼絲、鋼絲電阻率分別為3.0×10－8、70×10－8、13.8 ×10－8Ω·mm2/m，鎧裝層下所有的結構尺寸參數均相同。

已知導體電阻為 0.0113 Ω/km，直徑為 50.9 mm，鉛套厚度取3.8 mm，鎧裝扁銅絲為二層，一層44根，一層47根，尺寸為8.5 mm×3.5 mm，鍍鋅鋼絲和不銹鋼絲均為72根，直徑6 mm，不含光纜。

經計算，載流量分別為扁銅絲1568 A，不銹鋼絲858 A，鍍鋅鋼絲1251 A。由此可以看出，在單芯220 kV海纜中，相對不銹鋼絲而言，鍍鋅鋼絲電阻值較小，載流量較大，又非常經濟，因此一般采用鍍鋅鋼絲作為海纜的鎧裝保護層。

1.6 防腐和外被層設計

海底電纜設計中必須重視防腐設計，因為海水中的大量鹽分以及其它化學成分形成了嚴重的腐蝕性環境。要對金屬套及以外的結構單元提供有效的防腐措施，才能確保海纜長期安全可靠運行。從成本和性能分析，瀝青成本低，性能優良，是最佳的防腐材料，因此每層需要涂敷瀝青。

為了避免瀝青在加工和運輸敷設過程中被擦掉而降低防腐性能，需要設計外被層。外被層采用聚丙烯繩繞包以及瀝青涂敷結構，二者是最佳組合。

2 產品結構及性能

2.1 產品結構

根據上述設計分析，確定試制產品的型號規格為HYJQ41－F 127/2201×1000+2×12D1，產品名稱為銅芯交聯聚乙烯絕緣鉛套粗圓鋼絲鎧裝聚丙烯纖維外被層光纖復合海底電纜(含軟接頭)，簡稱光纖復合海底電纜。產品結構見圖1。

2.2 產品性能指標

光纖復合海底電纜主要技術指標(含軟接頭)見表1。

表1 光纖復合海底電纜主要技術性能指標(含軟接頭)

3 關鍵技術與解決方案

3.1 導體阻水

導體采用分層緊壓結構，在每層銅絲之間添加阻水材料，導體經過緊壓拉拔模后使阻水材料進入到銅絲縫隙中，確保了導體的阻水性能。經檢測，在施加1 MPa水壓24 h后，剪斷解剖，導體透水長度為7 m，優于10 m的標準要求。

3.2 絕緣的同心度和除氣

采用三層共擠機頭、雙旋轉技術和TROSS圓度穩定系統，使得線芯在導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠過程中按一定的速度均勻旋轉，保證了絕緣的同心度，經測試同心度達到3%。

為確保大長度海底電纜線芯除氣要求，我公司自主設計了托盤去氣室，去氣室采用圓形設計，內托盤直徑超過5 m，擠出后的纜芯直接牽引至去氣室的托盤內除氣，無需周轉，既節省時間又可避免絕緣線芯的損傷。

3.3 軟接頭

大長度海底電纜需要由軟接頭進行連接，軟接頭核心技術顯得尤為重要，我公司自主研發了軟接頭技術，研發的海纜產品含有兩個軟接頭，其制作過程介紹如下。

軟接頭也稱為工廠接頭，是在未鎧裝的電纜中間，在工廠可控條件下制作的接頭。接頭包括導體接頭、內外屏蔽及絕緣接頭、金屬鉛套接頭等。軟接頭處外徑不能超過電纜本體相同結構單元的10%，成品電纜外徑基本相同，以方便海纜施工敷設船布纜，圖2是軟接頭幾個關鍵位置示意圖。

圖2 軟接頭關鍵位置示意圖

(1)導體接頭

軟接頭的制作是從導體開始的，導體接頭的機械強度對海底電纜的安裝至關重要，同時焊接處的導電率應與電纜本體基本一致，具體接頭方法為:把兩根需要連接的電纜頭剝切到絕緣內屏蔽層，露出導電線芯，焊接位置見圖2中導體焊接處。焊接時采用銀焊焊接方式，導體的每層需要錯開焊接，焊接后直徑修復至與電纜本體導體相同尺寸，本試制樣品焊接后的拉斷力經測試為181.5 kN，完成接頭的實際位置和效果見圖3。

(2)絕緣與內外屏蔽接頭

絕緣與內外屏蔽的接頭恢復需要充分考慮接頭的材料與電纜本體各部分的相融性。軟接頭需要在潔凈的環境下操作，又要考慮工藝性。具體操作方法為:把導體接頭處兩側的XLPE絕緣切削成鉛筆頭形狀，鉛筆頭位置見圖2中絕緣鉛筆頭處，在鉛筆頭頂部預留一段導體屏蔽層，然后采用與電纜本體相同的半導電內屏蔽料，通過金屬模加熱緊壓成型，內屏蔽層結合緊密，表層圓整平滑，與導體層之間融合緊密、無氣隙。完成內屏蔽接頭的實際位置和效果見圖3。

圖3 軟接頭導體及內屏敝實物解剖圖

完成內屏蔽后如何恢復XLPE絕緣層，是整個軟接頭是否成功的關鍵。我們用特制的絕緣成型模擠出并在硫化管中加壓、高溫硫化成型，效果達到預期值，確保注塑的XLPE電纜料和電纜本體融接在一起。具體操作步驟如下:對完成導體接頭及導體屏蔽接頭的位置進行清潔處理，然后放置到絕緣成型模中，預熱到105℃;用擠出機將XLPE電纜料擠壓到絕緣成型模中，等成型模兩端有電纜料溢出時停止擠出。電纜接頭處冷卻至室溫。移走成型模，換成硫化管，排出空氣沖入氮氣，在200℃和1.2 MPa條件下硫化，完成絕緣層接頭。完成接頭效果見圖4。

圖4 軟接頭絕緣實物解剖圖

最后，對絕緣層表面進行干燥處理后用半導電漆均勻涂抹并烘干，繞包半導電自粘帶與電纜本體絕緣屏蔽層搭接，繞包半導電阻水帶與電纜本體半導電阻水帶搭接，完成絕緣屏蔽修復。

(3)鉛套接頭

在完成絕緣屏蔽修復后，進行鉛套接頭，這里需要注意:鉛套接頭的鉛套管是在導體接頭時套在一側，將鉛套管移到需要恢復處，修整到合適尺寸，然后將鉛套管與電纜本體鉛護套進行焊接，并對焊接面進行整形處理，形成斜坡連接，至此完成鉛套接頭。鉛套的恢復工藝中鉛管焊接質量是關鍵，應在確保焊縫牢固的同時不燙傷電纜。

4 海纜的關鍵試驗項目介紹

本次海纜的型式試驗委托國家電線電纜質量監督檢驗中心測試，試驗項目和方法主要參考CIGRE－21－02－ELECTRA－189－APRlL 2000和ELECTRA No.171.1997－CIGRE以及企業標準 Q/320581GJM 001—2012《額定電壓220 kV(Um=252 kV)XLPE絕緣大長度交流海底電纜及附件》。

本次試驗的結構尺寸檢查與220 kV電力電纜基本相同，下面主要介紹海纜的幾個關鍵測試項目。

4.1 盤繞試驗和張力彎曲試驗

樣品共包含兩個軟接頭，其它所有測試項目進行前首先須經過盤繞試驗和張力彎曲試驗。

把樣品從放線裝置放下，放線裝置頂部高12 m，卷繞到外徑5 m的圓柱體上，順時針和逆時針各卷繞3次。把經過盤繞試驗的樣品放置在卷繞盤徑4.9 m的圓柱上，施加張力70 kN，來回拉動3次。

試驗結束后觀察樣品并解剖一個軟接頭，電纜絕緣、金屬套和外護套完整;對所有光纖逐芯采用紅光源測量正常;軟接頭處外觀正常。

4.2 電氣性能試驗

把經過上述試驗后的樣品(含一個軟接頭)與兩個污穢等級Ⅳ終端附件組成了一個電纜系統進行試驗。該電纜系統(含軟接頭)進行了20次的熱循環耐壓試驗、局放測試以及隨后的雷電沖擊試驗和交流電壓試驗。

(1)加熱8 h，導體溫度控制在95～100℃之間，冷卻16 h到室溫，同時對電纜試樣進行2U0試驗，共進行20次加熱和冷卻循環，樣品沒有發生絕緣擊穿或閃絡。

(2)熱循環耐壓試驗后進行高溫及室溫局放測試，試驗結果為:局放無超過申報靈敏度的可測放電。

(3)經過上述測試的樣品，在導體溫度95～100℃下按GB/T 3048.13方法對試樣施加雷電沖擊試驗電壓，正負極性1050 kV各10次，樣品沒有發生絕緣擊穿或閃絡。

(4)在雷電沖擊試驗后進行交流電壓試驗，產品經受了254 kV(2U0)、15 min的工頻電壓試驗，沒有發生絕緣擊穿或閃絡。

(5)把完成電氣測試的樣品在軟接頭處逐層解剖觀察，接頭恢復處正常。

4.3 阻水試驗

施加水壓 1.0 MPa，加壓 24 h，經解剖觀察，導體中的透水長度為7 m、鉛套縱向透水長度只有1 m，遠遠滿足了指標要求。

5 結束語

公司采用連續生產時間較長的CCV生產線，并成功研發了軟接頭制造技術，具備了大長度220 kV光纖復合海底電纜生產能力。所試制產品(含軟接頭)通過了國家電線電纜質量監督檢驗中心的型式試驗，各項性能指標均符合企業標準Q/320581GJM 001—2012的要求。

［1］ELECTRA No.171.1997—CIGRE.Recommendations for mechanical tests on submarine cables［S］.

［2］JB/T 10181.1 電纜載流量計算［S］.

［3］特樂斯特用于高壓海底電纜生產的擠出技術［C］//中國電工技術學會電線電纜專委會2011年學術年會論文集.福州:2011.66-84.

［4］CIGRE-21-02-ELECTRA-189-APRIL 2000 Recommendations for testing of long AC submarine cables with extruded insulation for system voltage above 30(36)to 150(170)kV［S］.