大水深海底電纜阻水導體技術研究

中天科技海纜股份有限公司 葉 成 王海洋 杜 強 吳小兵 顧偉偉

隨著海上風電的迅速發展和遠海島嶼的開發，海底電纜應用由近海向遠海發展已成為必然趨勢。國內海底電纜應用場所多為近海風電場或近海島嶼，敷設水深一般在100m以下，海底電纜通常的阻水方式分為徑向阻水和縱向阻水，所謂徑向阻水一般是靠金屬防水層鉛套和聚乙烯護套來實現，縱向阻水則通過導體絞合時在單絲縫隙內填充阻水材料和絕緣線芯外繞包阻水帶來實現。海底電纜用導體一般為緊壓圓形導體，導體單絲絞合時會產生較大的縫隙，目前國內外電纜廠家常用的導體縱向阻水方式為在導體絞合時分層密實地填充阻水帶、阻水紗或阻水粉，靠阻水粉吸水膨脹堵住單絲縫隙水流通道起到阻水作用。隨著海底電纜敷設水深（1000m以上）的增加以及海水中金屬離子的作用下，阻水粉的膨脹性能會急劇下降[1]，導體縱向阻水成為海底電纜阻水的難點所在。

導體縱向阻水效果取決于導體絞合時單絲間的縫隙和阻水材料填充效果，為使導體達到更好的縱向阻水效果，目前行業內通常采用緊壓導體結構減小單絲間的縫隙，使阻水材料更易阻斷水分侵入通道。而一些特殊的海底電纜如動態纜，其運行特點要求導體具有相當好的柔軟性，導體結構通常設計為非緊壓結構，單絲間的縫隙增大給導體縱向阻水增加了一定的難度；隨著直流電纜的快速發展，大截面型線導體的優勢也逐漸凸顯，在相同傳輸容量的前提下可有效降低電纜成本。

另外，行業內導體縱向透水試驗用水一般采用去離子水，對海纜導體阻海水的能力研究較少。目前國內外鮮有1000m以上大水深電纜的阻水研究報道，因此很有必要開展1000m及以上大水深海底電纜導體的縱向阻水技術研究。本文對常用的阻水材料進行選型研究，并通過透水試驗對不同截面、不同型式導體的縱向阻水效果進行驗證，旨在為行業內大水深海纜導體縱向阻水技術的發展提供參考。

1 阻水材料選型研究

1.1 阻水膠研究

現有的可用于填充在導體內的阻水膠一般可分為單組份膠和雙組份膠，單組份阻水膠填膠時需加熱，且交聯線芯生產時導體受熱會導致膠熔化，甚至會有阻水膠從導體表面滲入絕緣層的風險；雙組份膠可在常溫下固化交聯，熱穩定性較好，填膠時無需加熱，操作方便[2]，其阻水原理是利用阻水膠本身與導體線芯良好的接觸密封性達到阻止水分在導體內縱向流動的目的[3]。結合實際加工工藝的需要及電纜運行的特點，導體內填充的阻水膠應具備以下性能：

固化時間介于1小時至24小時之間，一方面可避免導體生產中單絲換盤時設備內阻水膠快速固化，影響后續阻水膠涂覆效果，同時也可避免導體內已填充的阻水膠長時間不固化從導體縫隙溢出的情況；阻水膠填充前應為膏狀體，固化后應為彈性體，滿足填充時阻水膠不滴流及阻水膠固化后導體彎曲性能要求；對銅材、鋁材無腐蝕性；長期耐溫90℃、短時耐溫200℃（2小時以上）、瞬時耐溫250℃（5s），以滿足電纜長期滿負荷運行、過載運行及短路時的耐溫需要。本文選取了A、B、C、D4種雙組份阻水膠材料，將組份1和組份2按一定比例混合后進行性能對比研究。

1.1.1 固化時間對比

將4種阻水膠混合均勻后涂抹在黃銅帶上，涂覆厚度為5mm，在常溫下測試固化時間，ABCD4種阻水膠的粘度（MPa·s）及常溫23℃下固化時間（h）測試結果分別為：2000～3000/96、8000～10000/8、1200～1400/16、1500000/24，可看出A阻水膠固化時間最長為96h，其余三種阻水膠固化時間均在24h以內。

1.1.2 固化前后狀態及對銅材腐蝕性對比

A阻水膠固化前組份1為透明液體、組份2為淡黃色液體，固化后為透明固體，呈現較強的脆性，如圖1所示可見銅帶彎曲后阻水膠即發生開裂現象，阻水膠與銅帶完全分離，故A阻水膠不適合作為導體縱向阻水的填充材料；B阻水膠固化前組份1與組份2均為半透明膏狀體，混合后粘度適中，具有一定的流動性，固化后為半透明狀彈性體，與銅帶可以完全粘合，不會隨著銅帶的彎曲發生膠與帶材分離現象，膠與帶材的聯合體在90℃環境下保持24小時銅帶未出現氧化腐蝕現象，圖2為固化后的B阻水膠。

圖1 A阻水膠固化后

圖2 B阻水膠固化后

圖3 C阻水膠固化后

圖4 D阻水膠固化后

圖5 B阻水膠熱失重曲線

C阻水膠固化前組份1為黑色液體、組份2為白色液體，混合后流動性較強但粘度相對較小，導體絞合時不利于阻水膠附著，固化后為黑色彈性體如圖3所示，與銅帶有一定的粘接性，加熱90℃之后銅帶未出現氧化腐蝕現象；D阻水膠固化前組份1、組份2均為白色膏狀體，混合后粘性較大，基本不具備流動性，導體絞合時難以將縫隙填滿，如圖4所示，固化后為白色固體，彈性較差，與銅帶有較強的粘接力，無腐蝕性。

1.1.3 熱穩定性對比

由于A阻水膠固化時間較長且脆性大，與金屬材料無法有效粘接，故排除，選取B、C、D三種阻水膠進行熱穩定性分析。將固化后的樣品放入烘箱加熱至250℃持續3h，樣品狀態目測無變化，同時采用TGA測試方法進行熱失重對比：在氮氣氣體保護下，樣品測試前進行15min40℃環境下除潮預處理，后以50℃/min的速度升至250℃，保溫1小時，測量熱失重數值（圖5）。根據試驗結果，B阻水膠熱失重為2.3%，C阻水膠熱失重為2.5%，D阻水膠熱失重為2.5%，3種阻水膠熱失重結果相當。

1.1.4 體積電阻率對比

分別取B、C、D阻水膠壓片，固化后參照標準GB/T1410《材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》測量體積電阻率，測試結果分別為1.29×1014Ωm、2.6×1013Ωm、8.4×1013Ωm，說明三種阻水膠均有良好的絕緣性。

結合以上性能分析，本次研究選取固化時間適中、粘度適中、對銅材無腐蝕性、有良好的金屬粘接性、熱穩定性較好的B阻水膠試制導體樣品。

1.2 阻水帶研究

阻水帶是由聚酯無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時間內迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水份的作用[4]。本研究選擇行業內常用的三種不同的阻水帶，采用JB/T10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》推薦的測試方法分別進行阻水帶材膨脹速率和膨脹高度測試，試驗用水為3.5%濃度的鹽水。在3.5%鹽水下膨脹速率（mm/min）和膨脹高度mm/5min）a阻水帶（厚0.35mm）分別為2.9/3.7，b阻水帶（厚0.35mm）分別為0.6/0.6，c阻水帶（厚0.3mm）分別為1.7/2.7，故選取膨脹性能相對較好的a阻水帶驗證導體的縱向阻水效果。

2 導體縱向透水試驗及結果

本文選取150mm2/630mm2/1600mm2緊壓圓形導體、400mm2非緊壓導體、400mm2/2500mm2型線導體絕緣線芯進行阻水性能研究。其中150mm2/630mm2/1600mm2緊壓圓形導體采用常規正規絞合結構，400mm2非緊壓導體根據動態纜柔軟性的特點采用127根細銅絲結構，400mm2/2500mm2型線導體采用梯形銅絲結構。

2.1 熱循環預處理

根據國家標準GB/T32346.1-2015《額定電壓220kV(Um=252kV)交聯聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件第1部分：試驗方法和要求》推薦的試驗方法，絕緣線芯進行透水試驗前應至少經受3次熱循環預處理，以確保電纜已經受適當的熱膨脹。每次熱循環包含8h加熱及隨后16h冷卻，每個加熱循環保證導體溫度維持95℃～100℃至少2h。

2.2 導體縱向透水試驗及結果

GB/T32346.1-2015標準中推薦的透水試驗方法為：將測試的絕緣線芯整個放入透水容器中，試樣的一端應漏出導體約50mm，另一端應適當密封。由于整根絕緣線芯在容器內水壓下會受到徑向擠壓力，不利于水分在導體內的縱向滲透，本次試驗選取條件更加苛刻的試驗方法：將試樣的一端放置容器內，導體剝出約50mm，另一端伸出容器外并對端頭適當密封。透水試驗裝置具備降壓后自動補水功能以保證試驗水壓穩定（圖6）。

試驗用水選擇3.5%濃度的鹽水，每種試樣長度為40m，試樣需在10MPa水壓下進行持續10d的透水測試，試驗結束后對線芯進行解剖發現，在鹽水的作用下阻水帶中的阻水粉均有膨脹現象，150mm2緊壓導體及400mm2型線導體由于單絲間隙較小，阻水粉膨脹后完全填滿單絲間縫隙從而起到阻隔水分的作用，而400mm2非緊壓導體及630mm2緊壓導體由于單絲間隙較大，阻水粉膨脹后未能填滿單絲間隙；150mm2緊壓導體、400mm2型線導體、400mm2非緊壓導體、630mm2緊壓導體內填充的阻水膠完全填滿單絲間的縫隙，阻水膠呈現均勻的網狀結構，有效的切斷了水分侵入的通道；1600mm2緊壓導體由于單絲間隙較大，阻水膠未有效填滿單絲間隙；2500mm2型線導體部分單絲間的縫隙未填滿阻水膠，分析原因可能為該型線導體的填充系數高達0.97、單絲間的縫隙非常小，由于阻水膠具有一定的粘度，導體絞合時阻水膠受到流動性的限制，難以填充到細小的縫隙。

圖6 導體透水試驗裝置示意圖

試驗結果顯示，在10MPa水壓下持續10天，150mm2緊壓導體、400mm2型線導體采用阻水帶型式或阻水膠型式，導體縱向透水長度分別為3m、1.3m、4m、2m；400mm2非緊壓導體阻水帶線芯全部透水，阻水膠線芯透水長度為3m；630mm2緊壓導體阻水帶線芯在加壓1.5h后全部透水，阻水膠線芯透水長度為5m；1600mm2緊壓阻水膠線芯、2500mm2型線阻水膠線芯在加壓1h后均全部透水。

2.3 電性能驗證測試

為驗證阻水膠對絕緣線芯電性能的影響，選取完成金屬屏蔽層擠制的220kV1600mm2阻水膠線芯和220kV2500mm2阻水膠線芯進行局放、耐壓試驗測試。局放試驗大廳現場背景噪聲＜2pC，參照GB/T32346.1-2015標準中要求，在導體和金屬屏蔽層施加工頻電壓，試驗電壓逐步上升至222kV（1.75U0），保持10s，然后緩慢下降至190kV（1.5U0），在此電壓下測量絕緣線芯的放電量。局放測試完成后在導體和金屬屏蔽層施加445kV（3.5U0）工頻電壓進行裕度試驗，持續時間1h。局部放電測試過程中未發現超過背景噪聲的放電量，絕緣線芯在1h耐壓裕度試驗中未發生擊穿。

630mm2及以下截面導體通過合理設計導體結構，導體內填充阻水膠材料或阻水帶材料可滿足1000m水深的阻水要求，且填充阻水膠的導體縱向阻水效果優于填充阻水帶的導體。隨著導體截面的增大，導體內單絲縫隙越來越大，阻水帶的阻水作用逐漸變差，阻水膠更適合作為大水深條件下大截面導體的縱向阻水填充材料。隨著導體截面的增大，阻水膠越難有效填滿單絲間隙，需要對阻水膠性能和填充工藝進一步研究。