海底電力電纜徑向擋水層

王國忠，游靖華

(1.江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇 海門226100;2.樂星紅旗電纜(湖北)有限公司，湖北 宜昌443004)

0 引言

海底電纜采用縱向阻水和徑向阻水設(shè)計。為避免在海底電纜受到機械損傷后，海水從損傷部位向電纜內(nèi)部滲透過長，給電纜搶修造成困難，電纜應(yīng)采用縱向阻水型設(shè)計。縱向阻水設(shè)計是將電纜內(nèi)各層結(jié)構(gòu)間存在的間隙里填充阻水紗、阻水粉或阻水帶等材料，使電纜在進(jìn)水時，阻水材料遇水迅速膨脹，阻止水分沿電纜縱向進(jìn)一步擴(kuò)散。同時，海底電纜長期工作在水下，徑向阻水功能也十分重要。徑向擋水層應(yīng)設(shè)計得既實用，又經(jīng)濟(jì)。海底電力電纜常用的徑向擋水層有聚合物護(hù)套、綜合護(hù)層、金屬套等。

1 聚合物護(hù)套

聚合物護(hù)套，尤其是高密度聚乙烯(HDPE)護(hù)套，可作為中低壓水下或海底電纜的徑向阻水層。文獻(xiàn)［1］中指出:“塑料護(hù)套并不是絕對防水的，水分能夠滲透塑料。例如，一條聚乙烯(PE)護(hù)套紙絕緣電纜，在安裝后的一至二年，紙絕緣電阻下降到原來的十分之一左右。這也說明為什么塑料護(hù)套是不允許用作紙絕緣電纜的防水密封層。”在文獻(xiàn)［2］中介紹，如果沒有金屬套，聚合物能夠作為徑向阻水層。聚合物材料不透水，但水蒸汽能夠滲透它們。對于中壓海纜，由于電纜的電場強度不高，能夠接受少量水蒸汽滲透過聚合物護(hù)套。最常見的電纜護(hù)套聚合物材料——HDPE，有相當(dāng)?shù)偷乃羝麧B透性［145 gμm/(m2·d)，在38℃和相對濕度為90%時］。“由于絕緣的電氣強度要求不高，中壓(海底)電纜經(jīng)常不采用金屬套結(jié)構(gòu)，或采用更為簡單的護(hù)套設(shè)計形式。一種方式是在聚合物護(hù)套之下設(shè)置吸水層。聚合物能起到防水作用，但少量水分以蒸汽的形式滲透過護(hù)套。吸水劑具有足夠的吸水量，能夠在電纜整個經(jīng)濟(jì)壽命期間(或更長時間)保持絕緣足夠干燥。”文獻(xiàn)［1］和［2］的觀點并不矛盾，只是從不同的方面說明聚合物護(hù)套的徑向阻水作用。可以得出這樣的結(jié)論:聚合物材料有一定的阻水性能，但水中的各類離子能夠穿過護(hù)套向絕緣中滲透［3］。由于油紙絕緣對潮氣十分敏感，聚合物護(hù)套不能單獨地用作紙絕緣電纜的護(hù)套，但可用作電氣強度要求不高的擠包固體絕緣中低壓海底電力電纜的護(hù)套，尤其對設(shè)計壽命相對較短的海底或水下電纜，聚合物護(hù)套更為經(jīng)濟(jì)實用。雖然水中的離子能夠滲透過護(hù)套，但遇到吸水膨脹阻水材料的作用，固體絕緣介質(zhì)在經(jīng)濟(jì)壽命期間不會引發(fā)水樹，可以正常工作。

有一個這樣的實例，2005年9月，武漢天興洲大橋項目建設(shè)單位向筆者原所在公司采購一條水下10 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜。在訂貨交談中，筆者建議施工單位采用鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)的電纜，以保證電纜在水下工作的穩(wěn)定性，但施工單位認(rèn)為鉛套結(jié)構(gòu)的電纜成本高，要求使用成本低廉的電纜結(jié)構(gòu)，只要能保證其使用一年左右時間便可。于是筆者設(shè)計了一條10 kV的鋁芯XLPE絕緣PE內(nèi)護(hù)套粗鋼絲鎧裝瀝青聚丙烯纖維外被的電力電纜。HDPE內(nèi)護(hù)套的標(biāo)稱厚度為3.0 mm，比當(dāng)時國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706.2—2002要求的2.0 mm較厚，鋼絲采用 4.0 mm，電纜的其它結(jié)構(gòu)尺寸均按照國標(biāo)設(shè)計。電纜的型號規(guī)格為YJLY41-8.7/10 3×240。電纜當(dāng)月供貨后立即安裝使用，2年后，筆者同施工單位聯(lián)系，被告知該電纜仍在正常使用中。再后來聯(lián)系，施工單位已作業(yè)結(jié)束，這條水下電纜完成了它應(yīng)有的歷史任務(wù)。

2 綜合護(hù)層

高聚物能起到徑向防水作用，但長期在一定的水壓下，水分或離子對其仍具有滲透性，對工作場強較高的電纜，單純采用高聚物護(hù)套并不十分妥當(dāng)，在海底電纜中添加金屬擋水層就顯得更為必要。金屬的阻水性是公認(rèn)的，只要金屬層不破損，即使金屬層再薄，也能完全阻止水或離子的滲入。這樣，就出現(xiàn)了綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)。

綜合護(hù)層由鉛塑復(fù)合帶、鋁塑復(fù)合帶或銅塑復(fù)合帶等金屬復(fù)合帶粘結(jié)到外面的塑料護(hù)套上構(gòu)成。通常，復(fù)合帶是和膨脹阻水的無紡帶一起使用，兩者均放在金屬屏蔽的外面和(或)里面，以全面保護(hù)電纜免于潮氣從徑向或縱向侵入［3］。阻水帶是由無紡布帶和占重量為60%以上的阻水粉即膨脹粉組成。無紡布帶是耐高溫的聚酯纖維帶，膨脹粉是一種高吸水的聚丙烯鹽樹脂，吸水量可達(dá)自重的200倍，國外最高達(dá)300倍。金屬塑料復(fù)合帶是兩層厚度約0.05 mm的PE或乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)、丙烯酸酯共聚物(EMAA)薄膜和中間一層0.1～0.15 mm的金屬(鉛、鋁或銅)帶粘合在一起，縱包到電纜上，搭蓋約5～10 mm，用熱風(fēng)吹一下，使兩層搭蓋粘合(注:許多復(fù)合帶已不需要熱風(fēng)槍焊接，靠擠出機機頭溫度和擠出的護(hù)套溫度便能自粘接)，外擠一層PE層，使PE層和金屬塑料復(fù)合帶緊密地粘在一起，電纜結(jié)構(gòu)緊密，易于彎曲［4］。

國內(nèi)用戶由于對綜合護(hù)層在搭接處金屬間存在一條沒有完全密封的縫隙的擔(dān)憂和縱包金屬帶結(jié)構(gòu)的綜合護(hù)層只用在地下電纜結(jié)構(gòu)中的誤解，在海底電纜結(jié)構(gòu)中較少采用，而更多地傾向使用金屬套結(jié)構(gòu)。綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)到底能不能擔(dān)當(dāng)電纜長期在海水中徑向阻水的重任呢?答案是肯定的。隨便翻翻國外一些著名的海底電纜制造廠家的產(chǎn)品樣本，就有綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)的海纜介紹;打開一些廠家的網(wǎng)站，也有綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)的海纜產(chǎn)品。文獻(xiàn)［5］介紹，歐洲各國已廣泛地采用鋁塑綜合防水層，使用在110 kV高壓電纜上已經(jīng)成熟。早在上個世紀(jì)80年代，上海電纜研究所在電力電纜的負(fù)荷循環(huán)條件下進(jìn)行了透潮試驗的研究工作。在水溫為40℃時測得電力電纜用綜合防水層徑向透潮量為4.6PPM。PPM為透潮量單位，1PPM相當(dāng)于1.23×10－9g/(m·s)。按透潮公式計算，每米電纜在30年中的電纜含水量為:

每米110 kV電纜膨脹粉含量45 g，吸水倍數(shù)為200倍，幾百年內(nèi)電纜絕緣也不會受潮［5］。

文獻(xiàn)［5］主要介紹的是陸上使用的防潮高壓電纜。對于海底電纜，綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)同樣適用。幾年前，筆者在山東東營解剖了一條法國某公司的海底電纜和一條日本某公司的海底電纜樣品，兩條海底電纜的結(jié)構(gòu)均采用綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

從表1中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)海纜的絕緣厚度都為11.2 mm，比陸上電纜標(biāo)準(zhǔn)要求的10.5 mm厚了6.7%，這樣，電纜的工作場強比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓等級的電纜低。這一點，我們在設(shè)計海底電力電纜絕緣時應(yīng)予以借鑒。海纜絕緣厚度較厚也說明，海底或水下電纜結(jié)構(gòu)要求不應(yīng)按陸上電纜的標(biāo)準(zhǔn)生搬硬套。從表1還可看出，金屬屏蔽和金屬擋潮層在結(jié)構(gòu)上分開，法國電纜的金屬屏蔽截面為25 mm2。按照電纜采購時有效的GB 12706.3—1991中5.3.3.1條規(guī)定，額定電壓U0為1 kV及以上電纜應(yīng)有金屬屏蔽層，金屬屏蔽有銅絲屏蔽和銅帶屏蔽兩種型式，額定電壓為21 kV及以上，同時標(biāo)稱截面為500 mm2及以上電纜的金屬屏蔽應(yīng)采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)。在5.3.3.2中規(guī)定，銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面應(yīng)用反向銅絲或銅帶扎緊。銅絲屏蔽的標(biāo)稱截面分16、25、35及50 mm2四種，可根據(jù)故障電流容量要求選用。這樣，兩種結(jié)構(gòu)海纜的屏蔽型式均滿足陸上電力電纜標(biāo)準(zhǔn)的金屬屏蔽形式和尺寸要求。圖1是法國公司海底電纜的結(jié)構(gòu)。

表1 國外XLPE－26/35 3×185海纜結(jié)構(gòu) (單位:mm)

圖1 XLPE-26/35 3×185海纜結(jié)構(gòu)

3 金屬套

金屬套一般有鉛套(或合金鉛套)、鋁套等結(jié)構(gòu)。在金屬套結(jié)構(gòu)中，由于鉛比鋁的機械強度低，加工制造更方便，并且，用作電纜的護(hù)套后，彎曲性能較好，在海水中鉛比鋁的化學(xué)性能更穩(wěn)定，故較多地采用鉛套結(jié)構(gòu)。近來，一些用戶在招標(biāo)文件中對鉛層的厚度要求越來越厚，筆者認(rèn)為這并不妥當(dāng)。鉛套厚度太厚，不僅制造成本高，不利于環(huán)保，還由于鉛套的密度大，使得制造的電纜重量重，給施工敷設(shè)造成諸多不便。對于中壓電纜，鉛套厚度的選擇可更多地從機械性能考慮，應(yīng)以薄層為宜。當(dāng)然，如果鉛層厚度太薄，給擠(壓)鉛工序造成困難，出現(xiàn)砂眼的概率就高。

筆者原所在的公司，在2003年供給浙江某電力公司的35 kV 3×150 XLPE海底電力電纜，按照陸上電纜的國標(biāo)，鉛層的標(biāo)稱厚度應(yīng)為1.8 mm，最薄厚度為1.61 mm，實際生產(chǎn)按供需雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議要求，鉛層的標(biāo)稱厚度只有1.5 mm，最薄厚度為1.2 mm，電纜經(jīng)多年使用，并未因鉛層厚度薄而引起質(zhì)量問題。

電纜采用金屬套后，應(yīng)在金屬套外涂敷一層電纜改性瀝青防腐。如果是鋁套，還必須在外面擠包聚合物護(hù)套，以防海水與鋁套的直接作用，對鋁套造成腐蝕。

4 徑向擋水層的性能比較

中壓海底電纜常用的幾種徑向擋水層的性能比較見表2。

表2 徑向擋水層性能比較

5 結(jié)束語

海底電力電纜常用的徑向擋水層有聚合物護(hù)套、綜合護(hù)層、金屬套等。對于設(shè)計壽命相對較短的水下或海底擠包固體絕緣電力電纜，徑向擋水層可使用聚合物護(hù)套，在多種聚合材料中，應(yīng)優(yōu)先采用HDPE;一般中壓海底電力電纜可以使用綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)作為徑向擋水層;高壓或超高壓海底電力電纜宜以金屬套結(jié)構(gòu)作為徑向擋水層，金屬套應(yīng)作防腐處理。

［1］鄭肇驥，王琨明.高壓電纜線路［M］.北京:水利電力出版社，1983.48-48.

［2］Thonas Worzyk著，應(yīng)啟良、徐曉峰、孫建生譯.海底電力電纜——設(shè)計、安裝、修復(fù)和環(huán)境影響［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.22-25.

［3］Kenneth E Bow著，王國忠譯.中壓電纜的防水綜合護(hù)層［J］.電線電纜，1996(6):9-13.

［4］蔣佩南.國產(chǎn)110 kV高壓交聯(lián)電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型［C］//交聯(lián)電纜論文集.上海電纜研究所信息中心，2006.118-123.

［5］蔣佩南.高壓超高壓交聯(lián)電纜的綜述分析［C］//交聯(lián)電纜論文集.上海電纜研究所信息中心，2006.139-169.