海底異種電纜接頭的制備及其電力學特性分析

國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司 潘雄文 陳 輝 張 磊 姚 瓊 曾燦林

軟電纜也叫軟結構導體電纜，通常為多股導體，股數越多狀態越軟，相應的制造成本也就越高，擠制絕緣時工藝難度也較高。硬電纜施工相對方便，但其接觸面偏小且時間久了較易松動。軟電纜接觸面大但施工相對繁雜。硬電纜散熱差、過載率不好，但接線可靠；軟芯銅電纜散熱好，過載率高于單芯線但很容易發生虛接的狀況。硬電纜價格相對更加便宜。

1 熱塑彈性體的化學成分以及特性

塑性橡膠彈性體(tpe)，因其材料可直接通過采用傳統塑料耐熱成型的加工方法對使用原材料內部進行橡膠加工，不僅加工能耗低，原材料也可被重復使用，因此其加工技術應用發展迅速，迄今其使用原材料的產品能耗利用量約占到所有可使用傳統橡膠材料的20%。因眾多tpe 為一種物理交聯或離子交聯，與目前市場上其他傳統熱固性成型橡膠加工技術產品相比，存在空氣動力學穩定性能差、耐熱固化溫度低、使用永久性橡膠變形大等問題。因此需要尋找一種方法，既有別于傳統的熱固性加工橡膠中的C—C，C—S 或—S—S—共價交聯鍵，又可以直接進行熱塑性加工的共價交聯反應技術，這種方法對于制備動力學性能良好的tpe 至關重要[1]。

目前解決該問題的有效途徑之一就是通過利用環戊二烯(cpd)和環戊二烯(dcpd)之間的熱可逆轉化反應，將dcpd 環引入到線型聚合物的共價交聯鍵，制取到與—C—C—共價交聯的聚合物以便于改善其不可熱塑化的性能，并可以充分利用到由dcpd在溫度≥170℃下的水解二烯三聚體所形成的一個帶環的cpd 側基線型塑料分子的復合動力學功能性質，賦予其熱可逆塑性和直接加工的基本特征。目前熱塑性彈性體的材料種類正在逐漸增加，根據它們的化學結構和組成，常見的主要有以下四種類型。

熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)。按其產品生產和原料合成中所使用的同類聚合物第一醇又大致相同可以將其細分為三甲基乙二聚醚和聚第二醇；苯乙烯嵌段類熱塑性彈性(TPS)。典型品種為熱塑性SBS 彈性體(苯乙烯丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)和熱塑性SIS 彈性體(苯乙烯一異戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)。此外，還有苯乙烯丁二烯的星形嵌段共聚物；新型聚酯纖維彈性體(tpee)。該類型的彈性共聚體一般都認為是由對鄰二元羧酸和其他彈性衍生物，聚醚二醇(它的分子結構容積范圍為600～6000)和低密度分子二醇及其混合物經過熱熔融酯交換后的聚合反應液體表面所連接組成的無規嵌段彈性共聚物。

熱塑性聚烯烴彈性體(tpo)。這一類的新型彈性聚合體一般都主要是經過共用或混合的方法加工制備的。例如它還可將一種橡膠材料中一些具有部分橡膠結晶注塑性質的材料epm 或epdm 與熱熔注塑性質的橡膠復合樹脂(例如聚乙烯、聚丙烯等)共同預混，或在共混的同時采用動態硫化法使橡膠部分得到交聯，甚至在橡膠鏈上接枝聚乙烯或聚丙烯。此外還有丁基橡膠接枝聚乙烯而得到的熱塑性聚烯烴彈性體。

2 研究內容的理論或者實踐依據

我國內陸湖泊亟需從現在比較低效、粗放、污染的柴油機供電體系逐步轉變成潔凈、高效、節約、多元、安全的現代化錨地岸電供電體系。相較之于目前傳統的大型柴油機和風力發電停靠模式，錨地供水岸電不僅能有效地幫助緩解內陸地和湖泊下游水體的大氣污染，減少大型船舶在使用錨地岸電停靠期間的有機氮氧化物和有機硫化物等的排放，對于實現節能低碳減排也可起著積極有效的推動作用。

錨地岸電系統高壓電纜自動收放控制技術。電纜自適應水位收放裝置安裝于高壓岸電船舶上，基于水位感應及拉力檢測，根據水位自動調整電纜收放，在水位變化時能自動收放高壓軟電纜，確保電纜達到恒張力的控制。首先，高壓岸電船用電纜絞車將岸船連接電纜整齊的收儲在電纜絞車上，并將另一段電纜連接到箱變進線位置，通過該設備的大容量滑環組件將電能輸送到船上用電設備，然后在水底預留數米長的高壓軟電纜，當箱變躉船位置水位高低變化時，船用電纜絞車實行線性張力控制，自動管理岸船連接電纜收放，確保高壓電纜張力恒定實現恒張力控制[2]。而之所以要用軟電纜，主要是因為硬電纜曲率不能太大，軟電纜是船上用的、硬電纜是鋪設在湖底的。

錨地岸電集中監控系統研發。為遠程實時監控該岸電項目中各用電設備的工作狀態，并及時響應故障，確保所有岸電設備安全可靠運行，因此需要一套適用于錨地岸電的集中監控方案。首先，每條船舶需配置工業環網交換機、監控管理系統，用于傳遞電氣信息數據，實現本地實時監控；在監控室內配置一套通訊管理單元，從交換機采集所有船舶的電氣信息數據，并上傳至岸電云平臺系統，進行遠程監控，對我國港口岸電的推廣和發展具有重要意義。

3 海底電纜異種接頭各類解決

高壓電纜接口盒（電纜接頭及接口箱）的研發依據湖南省岳陽市洞庭湖水下10kV 錨地岸電項目，主要為實現高壓電纜卷盤的軟電纜在水下與鎧裝水底電纜通過高壓電纜防水接口盒對接，為躉船高壓電纜提供了一種根據水位自動調整電纜收放的解決方式，實現電力供給。主要解決特種橡膠軟電纜與湖底鎧裝電纜密封連接問題。

目前來說，有的水下電纜的接頭技術達不到內陸湖泊供電的需求。而內陸湖泊錨地岸電系統的技術難題主要集中在水下電纜接頭的制備及檢測，國內外有關水下電纜接頭制備與監測的研究主要集中于軟纜與軟纜、硬纜與硬纜之間的接頭制備與監測，因此海底鎧裝電纜與特種橡膠軟電纜的研發具有重要價值[3]。而異種10kV 電纜水下接頭制備與監測仍存在諸多科學技術難題，亟待突破與解決，其研發過程更是歷經了諸多難題：

3.1 解決異種電纜導體連接（二類與五類導體連接）

導體連接類型是屬于異種導體的連接，是交聯聚乙烯絕緣分相鉛包粗鋼絲鎧裝電纜與橡皮絕緣分相編織屏蔽鋼絲編織鎧裝電纜的連接。由于兩種類型的電纜工作種類不同，一種是交聯聚乙烯絕緣分相鉛包粗鋼絲鎧裝電纜，另一種為橡皮絕緣分相編織屏蔽鋼絲編織鎧裝電纜。若采用傳統壓接方式則很容易出現機械和電氣連接的不可靠，當水下接頭長時間隨著漲潮潮落的移動就有極大可能導致接頭處連接松動。最后經過反復實驗決定采用放熱焊的方式進行導體連接。

其原理為：金屬氧化物+鋁(粉)→氧化鋁+金屬+熱能（MO+AL →M+ALO+高溫，M 為需要的可用金屬）。放熱焊接技術的特點突出優勢明顯：焊接點是分子結構、永久不老化。它的焊接特征就像銅一樣，比其他金屬材料更加強壯和牢固，并且不會被腐蝕性的產物所干擾。焊接接頭是具有永久性的，不會由于松動或者銹蝕而造成很高的電阻。

3.2 解決2類與5類導體的絕緣連接問題

兩種電纜的絕緣是完全不同的材料，一種為交聯聚乙烯絕緣、屬于2類導體，另一種為乙丙橡皮絕緣、屬于5類導體。要想絕緣連接好同時承受運行電壓，采用過渡性材料的選擇就很重要，經過多次實驗發現若采用熔接絕緣方式則行不通，無法真正做到將兩種材料完全融合成整體，甚至可能發生電氣事故。后面經過多次過渡性材料選擇和對比最終決定絕緣連接采用一種熱塑彈性體帶材，以繞包方式進行絕緣制作和恢復。熱塑彈性體是聚合物的共混物。其分散相是硬相即塑料相，在很大程度上決定了材料的剛度、穩定性、耐油和耐溶劑性以及耐熱性，其連續相是彈性相即橡膠相，提供高彈性。同時熱塑彈性體因其電氣絕緣性能好，在電線電纜及其它絕緣結構中有廣泛應用。

3.3 解決海底電纜的鋼絲鎧裝與接口箱的連接問題及接口箱密封與耐壓問題

海底電纜的鋼絲鎧裝作用就是承受拉力，保護好電纜不受拉力作用而損壞。如何將海纜的鋼絲與接口箱殼體進行硬連接十分重要，只有這樣才能保護電纜接頭不受拉力。接口箱殼體是根據接頭的結構尺寸，在滿足接頭電氣性能的基礎上，達到機械保護的作用，同時承受水下大壓力高壓強耐腐蝕等等一系列問題[4]。

起初通過法蘭盤壓接的方法將海纜鋼絲固定到接口箱殼體上，最后通過螺栓鎖緊，但是由于海纜鋼絲較粗且其硬度足夠，因此，我們通過法蘭鎖緊的方式就變得非常吃力。通過反復實驗，最終決定將海纜鋼絲采用316L 不銹鋼絲氬弧焊接方式直接焊接到接口箱殼體上，確保其足夠的機械強度和良好的電氣性能[5]。

同時，為了保證接口箱水下能夠承受2MPa 的壓力，擬考慮選用316l 高強度材質6mm 厚的不銹鋼作為接口箱的外殼。殼體內注入密封膠進行密封。為了給接頭提供足夠的防水和密封效果，在接口箱內部還安裝有一層銅殼體來對接頭進行雙重保護，內部同樣填充滿防水密封膠，真正做到了密封、防水、絕緣為一體。

4 電纜頭電場分布

高壓無線電纜每一個三相線芯外，分別設置了具有一個導電接地(鋁或銅)層和屏蔽膜兩層，導電電纜線芯和接地屏蔽膜兩層之間通常會連接形成一個較大徑向均勻分布的高壓電場。正常使用情況下銅線電纜的銅芯導線和動力電場，只有由(小于銅)銅芯導線兩端沿沿著半徑和軸方向(大于銅)導體屏蔽的外層上方發出的軸向電力電導線，沒有由銅芯線沿著半徑軸向的內部和半導體屏蔽層方向發出的動力電場(有時稱為軸向電力電導線)，其中線和電場的能量分布均勻。但由于不同的異種材料之間電導率相對差異很大，且其受電場的強度及溫度的影響比較嚴重，根據電磁感應定律，當導體周圍的磁場發生變化，感應電流就會在導體內部產生[6]。

所以，當通過交流電周圍區域的磁場的振動強度就可能會有所起伏，方向上下交替，交換的磁場運動變化將使得它們產生一個感生的電場，而這個感生的電場運動時變性質也是由交流電震蕩特征所決定的，也就是感生電場可能為穩恒電場，也可能為時變電場。同樣受交流電的振蕩特性影響，感生電場可能也會激發磁場，如此下去。空間中的電磁場分布就是各階的感生電場和磁場的疊加。導致電纜接頭處隨著長時間受到熱脹冷縮效應產生縫隙。

在某個電場的強度范圍內，溫度及其電場強度的變化均可能會致使電導率產生明顯的變化，該場強度范圍也可能隨著溫度而產生變化，因此高壓交流電纜采用兩種數值相同的數設式工作環境下，負荷時電場的分布應當均勻；當電纜傳遞的電流很大時，就會造成電纜絕緣內部的溫度梯度加快，電纜絕緣外部表面接觸處的電場強度降低。

5 結語

要想更好地保證連接器的安裝質量，除了從技術和工藝上把握好關鍵點以外，每一位操作人員都需有足夠的技術和責任心，嚴格地遵守其制作的工藝和規程，選擇專用電纜及工具，在進行連接器作業前就要明確對其安裝的步驟及對工藝和質量的要求，在進行連接器作業的過程中就要加強監督和管理，當遇到問題要及時進行解決，保障電纜線路安全、可靠地運行。