33 kV 鋁塑復合帶結構海底電纜設計和驗證

占華剛， 張小龍， 陳 果， 凌志偉， 徐亞琴

（1.中天科技海纜股份有限公司，南通226010； 2.南海海纜有限公司，汕尾516600；3.中天科技股份有限公司，南通226463）

0 引 言

海底電纜的應用已有百年之久，廣泛應用在島嶼供電、設備配電、離岸油田開發，以及當今盛行的離岸風電場等場景。 各式各樣的海底電纜結構應運而生。 在這個過程中，低成本、環保且耐用型海底電纜的開發更是受到大型離岸風電場項目的青睞。 因此，近幾年縱包的涂塑金屬箔作為徑向阻水層的海底電纜受到了極大的關注。

對于交聯聚乙烯（XLPE）絕緣海底電纜而言，防止在海底電纜運行過程中海水中的水分進入絕緣產生水樹的問題，尤為重要［1］。 擠出良好的鉛合金護套作為金屬屏蔽的同時也作為海底電纜的徑向阻水層。 縱包鋁塑復合帶結合擠出聚乙烯（PE）護套的使用，同樣可實現良好的徑向阻水性能［2］。 歐洲各國已廣泛地采用鋁塑復合帶作為徑向阻水層，在高壓陸地電纜上使用［3］。 鉛套作為徑向阻水層能夠完全隔絕水氣從外部侵入絕緣，但是對于離岸風電場應用，有如下弊端：①鉛套作為重金屬材料不環保；②海底電纜上風機塔筒若處于自由懸垂狀態，需承受波浪洋流作用，且鉛套抗疲勞能力差。 因此，鉛套無法應用在動態海纜中；③鉛套設計的海底電纜結構尺寸和質量均較大，造成一定的資源浪費。

基于IEC 和CIGRE 國際標準，本工作介紹了與鋁塑復合帶結構設計關聯較大的絕緣層、金屬屏蔽層和徑向阻水層的材料和尺寸設計，并對按照標準設計生產的33 kV 鋁塑復合帶結構海底電纜樣品進行了型式試驗，列舉部分試驗結果。

1 鋁塑復合帶海底電纜的設計

鋁塑復合帶海底電纜的結構組成通常包含導體、三層共擠的絕緣系統、縱向阻水層、金屬屏蔽、徑向阻水層、分相護套到成纜階段的墊層、鎧裝和外護層等。 海底電纜的結構常規構件的設計及材料選型，如導體、縱向阻水層、墊層、鎧裝、外護層等這里就不再贅述，僅討論鋁塑復合帶及與其相關的主要海纜構件，即XLPE 絕緣，金屬屏蔽和分相護套。

1.1 XLPE 絕緣的設計

交流電纜的絕緣線芯通常分為“濕式”和“干式”設計［2］。 通常具有擠出金屬護套的纜芯認為是“干式”設計，比如典型的鉛套以及銅套［2］。 目前，常規的中壓擠出型的絕緣材料在濕式條件下應用的有乙丙橡膠（EPR）、抗水樹XLPE，以及只能在“干式”條件下應用的 XLPE 絕緣。 本節著重關注XLPE 絕緣的設計。

根據CIGRE TB 722 標準，通過第3.4 節規定的系列試驗的鋁塑復合帶結構也可被認為是“干式”設計，試驗項目見表 1［4］。 如果沒有通過“干式”驗證，則需要進行濕介質鑒定試驗，符合標準第3.6 節規定的絕緣濕老化試驗。 濕老化試驗是驗證電纜絕緣暴露在濕環境下，其對絕緣電氣性能的影響，確定絕緣是否可在長期濕環境下應用。

表1 干式鑒別試驗

如果所設計鋁塑復合帶結構的電纜芯已通過表1 中所列的“干式”鑒別試驗，則絕緣材料可使用常規XLPE，不需要通過絕緣濕老化試驗。 但如果鋁塑復合帶結構的電纜芯沒有實施或沒能通過表1 所列的“干式”鑒別試驗，則必須使用通過CIGRE TB 722 中第3.6 節規定的濕介質鑒定試驗的絕緣材料。 如果設計時不參照CIGRE TB 722 或者無須滿足其規定要求，鋁塑復合帶結構海底電纜絕緣必須使用抗水樹XLPE，并且結構設計作為”濕式”設計對待。 值得注意的是，抗水樹XLPE 通常能夠長期在90 ℃持續運行溫度和濕環境下使用的，且能夠降低濕環境運行過程中絕緣水樹的生成，不影響電纜預期使用壽命的絕緣材料。 但是絕緣材料供應商的抗水樹XLPE 不作為海底電纜生產廠家已經通過濕介質鑒定試驗的推論或依據。Um＝72.5 kV 及以下海底電纜絕緣厚度設計要求可參考 IEC 63026。Um＝36 kV 及以下電纜絕緣厚度設計要求可參考IEC60502-2。Um＝72.5 kV 海底電纜絕緣厚度設計還可參考IEC60840，但是需結合各自廠家所獲得型式試驗報告，設計場強不超過已通過型式試驗的電纜的絕緣場強的110%即可。

1.2 金屬屏蔽的設計

鋁塑復合帶雖然含金屬層，但厚度在0.1 ～0.3 mm范圍的鋁箔承擔短路電流的能力較小，一般不考慮作為海底電纜中短路電流承載體。 金屬屏蔽設計應按照IEC 60949 和短路電流的要求，選擇相匹配厚度的銅帶或相對應截面積的疏繞銅絲，外層繞包一層反向扎緊薄銅帶。

對于銅絲屏蔽的設計基本過程如下：

（1）根據短路電流的要求確定銅絲屏蔽的截面積，一般選擇標稱 16， 25， 35 mm2等［5］；

（2）結合設備能力，選擇合適的銅絲屏蔽根數和單絲直徑，確保單絲平均間隙不大于4 mm［6］；

（3）驗算確定銅絲截面積的隔熱或非隔熱狀態下的短路故障電流，可參照IEC 60949 進行測量。

涂塑金屬箔層也可采用銅塑復合帶，如果銅塑復合帶的銅箔層能夠滿足短路電流要求，單獨銅塑復合帶可作為金屬屏蔽及徑向阻水層。

1.3 徑向阻水層的設計

平滑縱包的鋁塑復合帶作為徑向阻水層，通常在其下方繞包半導電阻水膨脹帶，以實現電纜線芯的縱向阻水性能。 為了保證鋁塑復合帶在大長度下穩定地成型并包裹在纜芯上，應盡可能保證下層結構的平整。 鋁塑復合帶的設計可以參考行業標準YDT-723.2，采用標稱厚度為0.21 mm 或者標稱厚度為0.26 mm 的鋁塑帶，型號為EL 鋁箔或者YL鋁箔。 其中EL 鋁箔的塑層通常是共聚物，YL 鋁箔的塑層通常是低密度聚乙烯樹脂，在聚乙烯層與鋁帶層之間也可以加入一層共聚物樹脂。 推薦采用單面涂塑鋁塑復合帶，金屬層貼合半導電阻水膨脹帶，與金屬屏蔽保持電氣接觸。 涂塑層貼合外部擠出護套，在擠出過程中，高溫下與PE 護套緊密黏接在一起。 鋁塑復合帶在縱包過程中，接縫處可采用熱熔膠膠結。 受限于單盤鋁帶長度，為避免采用軟接頭，且保證整根長度下縱包工序和護套工序的連續進行，在線進行鋁塑帶接續是必要的。

護套的設計宜采用高密度聚乙烯，如護套需進行耐壓試驗驗證其完整性，需在護套外增加一層半導電材料，如石墨或共擠的半導電聚乙烯。 IEC 60502-2 標準未規定分相護套厚度，其設計可根據廠家的生產經驗推薦，也可參照ICEA S-97-682 中表7-10 的規定。

具有聚合物護套但沒有金屬護套（可能包括阻水帶）的電纜水分的入侵會有延遲。 但通過與材料和溫度有關的擴散過程，水蒸氣最終仍然會到達電纜絕緣層。 與獨立的聚合物護套相比，金屬護套或金屬箔和擠壓聚合物護套的組合可以顯著降低水蒸氣的擴散性能。 如果聚合物覆蓋層板是無缺陷的，擴散率是非常小的，設計是認為“干式”［2］。 有人提出采用熱控制技術和冷控制技術的成型控制可在大直徑電纜鋁塑復合帶縱包生產中取得良好效果［7］。

1.4 鋁塑復合帶海底電纜結構

鋁塑復合帶海底電纜結構示意圖見圖1。

圖1 鋁塑復合帶海底電纜結構示意圖

2 試驗驗證

以額定電壓33 kV 電纜為試驗對象，對鋁塑復合帶海底電纜按照IEC60502-2，CIGRE TB 490 和CIGRE TB 623 進行了型式試驗驗證，各項試驗結果均通過。 鋁塑復合帶海底電纜主要型式試驗項目見表2。

表2 鋁塑復合帶海底電纜主要型式試驗項目

在海底電纜樣品經過盤繞及張力彎曲試驗之后，進行順序電氣試驗，最終的電纜結構檢查也驗證了包含鋁塑復合帶的電纜結構的完整性。 下面將對幾個主要的型式試驗進行介紹。

盤繞試驗和張力彎曲試驗原理圖分別如圖2 和圖3 所示，試驗過程參照CIGRE TB 490。 盤繞試驗海纜退扭高度為12 m，盤繞直徑為6 m，共進行6 個循環（一個循環包含收線和放線過程），每次盤繞達8 圈。 張力彎曲試驗采用44 kN 拉力，張力輪直徑為4.4 m，側壓力為20 kN／m。

圖2 盤繞試驗原理圖

圖3 張力彎曲試驗原理圖

在經過機械盤繞和張力彎曲預處理后，截取纜芯樣品再進行3 個熱循環處理，在1 MPa 水壓下，樣品在鹽度3.5%的鹽水中浸泡10 d，做護套縱向滲水試驗，并同時伴隨10 個熱循環。 每個熱循環加熱8 h，導體溫度控制在95 ～100 ℃范圍，其中每個加熱階段結束時，溫度在95 ～100 ℃范圍至少保持2 h，隨后自然冷卻16 h。 試驗結果表明：鋁塑復合帶結構的電纜金屬屏蔽和鋁塑復合帶之間阻水結構的縱向滲水長度為1 m，金屬護套的縱向滲水試驗過程見圖4。 雖然鋁箔的膨脹效果比鉛套的膨脹效果差一些，但是阻水帶作為縱向阻水材料的使用可達到很好的阻水效果。

圖4 金屬護套的縱向滲水試驗

在經過機械盤繞和張力彎曲預處理后，截取該電纜的軟接頭樣品，再進行伴隨10 個熱循環的試驗，每個熱循環加熱 8 h，導體溫度控制在 95 ～100 ℃，其中每個加熱階段結束時，溫度在 95 ～100 ℃范圍至少保持2 h，然后自然冷卻16 h。 在1 MPa 水壓下樣品在鹽度3.5%的鹽水溶液中做持續2 d 的滲水試驗。 最后的軟接頭的徑向滲水試驗結果表明，在接頭內部的阻水層下沒有發現水的侵入，軟接頭的徑向滲水試驗見圖5。

圖5 軟接頭的徑向滲水試驗

三相電纜系統電氣試驗的回路布置圖見圖6。

圖6 三相電纜系統電氣回路布置示意圖

由圖6 可知：附件與附件或附件與電纜端部的距離大于5 m，如維修接頭與工廠接頭的距離，電纜端與修理接頭的距離。 圖 6 中，T1 ～T18 為熱電偶在測試回路和模擬回路中的位置。 T1：工廠接頭；T2 和 T3：外被層；T4、T5、T6、T7、T8：纜芯護套內；T17：維修接頭。 模擬回路用于校準主測試回路的溫度，使用的電纜與主測試回路的電纜完全相同。模擬回路安裝在主測試回路附近，以創造與測試回路相同的環境條件。

在熱循環試驗之前，進行了1.73U0的環境溫度下局部放電測試，在靈敏度3.8 pC 下三相都沒有監測到局部放電。 溫度在95 ～100 ℃下，三相損耗因子測量值為0.002。 熱循環測試經過20 次加熱循環，熱循環導體溫度控制在95 ～100 ℃，每次至少加熱8 h，其中每個加熱階段在95 ～100 ℃范圍至少保持2 h，隨后進行至少3 h 的自然冷卻至距離環境溫度10 ℃以內的導體溫度。 隨后在1.73U0的環境溫度下局部放電試驗和在95～100 ℃下的高溫局部放電試驗，在靈敏度3.8 pC 下均未監測到局部放電試驗。 溫度在 95～100 ℃下，±170 kV 各 10 次的沖擊耐壓試驗，15 min 3.5U0耐壓試驗，4 h 耐壓試驗均通過。

非電氣型式試驗中，非金屬半導電屏蔽的電阻率，絕緣和護套的機械性能和老化性能測試均滿足IEC 60502-2 的要求，試驗結果見表3。

表3 鋁塑復合帶海底電纜非電氣型式試驗結果

該試驗成品纜樣品也經過額外機械試驗驗證，包括40 kN／m 壓扁力試驗，300 J 沖擊能試驗，以及30 kN／m 長期堆疊試驗等。 試驗結束后，對該電纜進行結構檢查，包含鋁塑復合帶構件，均未發現結構受損。

同時，鋁塑復合帶與高密度聚乙烯（HDPE）護套的黏結力，根據IEC 60840 做了相關試驗驗證。鋁塑復合帶剝離試驗的視覺檢查表明，鋁塑復合帶和HDPE 護套黏結良好，未出現分離和裂開現象。鋁塑復合帶與HDPE 護套的黏結力3 個樣品的測試結果分別為 0.9，1.0，1.0 N／mm，滿足標準要求的最小0.5 N／mm。 3 個樣品的鋁塑復合帶縱包接縫的黏結力測試結果分別為 1.3，1.2，1.2 N／mm，也均滿足標準要求的最小0.5 N／mm，以及海底電纜標準IEC 63026 最小1 N／mm 的剝離力要求。

綜合型式試驗測試結果及鋁塑復合帶結構相關性能的分析，鋁塑復合帶結構海底電纜能滿足海底電纜生產、敷設、安裝和運行等要求。 生產性能良好的鋁塑復合帶結構電纜是海底電纜輕型化設計的較好選擇。

3 鋁塑復合帶與鉛套在海底電纜應用的對比

以下分析是基于所引用的33 kV 型式試驗鋁導體的鋁塑復合帶作為徑向阻水層電纜結構，基本對比結果見表4。

表4 鋁塑復合帶海底電纜和鉛套海底電纜性能參數對比

3.1 尺寸大小

試驗中所用鋁塑復合帶如果換成常規鉛套結構，鉛套電纜的整體外徑會增加2%。 兩者相比，外徑相差不大，但鉛套結構的質量每千米多出12 500 kg，增加了約40%。 以該海底電纜為例，對于纜的本身成本而言，鉛套結構電纜相比于鋁塑復合帶結構電纜提高了近40%。

3.2 載流能力

海床埋深1.5 m、土壤溫度25 ℃、土壤熱阻1.0 K·m／W的條件下，按照 IEC 60287 計算載流量， 試驗所用鋁導體的33 kV 鋁塑復合帶電纜和鉛套結構的電纜在該條件下的載流量相差5 A，說明該結構層的變動對載流量影響不大。

3.3 機械性能

經過型式試驗驗證，鋁塑復合帶電纜的壓扁力可達到40 kN／m，符合典型的鉛套結構海底電纜性能要求。 電纜的抗拉、抗壓性能與鎧裝的關系較大，受金屬護套的影響較小。 但是，從長期的性能看，鉛套結構的抗疲勞性能較差，在動態路由部分，不推薦使用。

4 結束語

鋁塑復合帶作為徑向阻水層的海底電纜在長期阻水性能方面能夠作為“干式”結構設計。 鋁塑復合帶電纜能夠滿足電氣、機械和滲水性能等方面的要求，也能夠滿足常規海底電纜的生產、運輸、安裝和運行的要求。 在風電場的應用中，鋁塑復合帶結構電纜的結構相比鉛套結構電纜來說，輕型化的設計能夠大大降低電纜的生產成本、運輸成本和安裝成本，可替代采用鉛護套的非環保型海纜。 未來不僅風電場項目、油氣項目、島嶼供電、33 kV 及以下和66 kV 海底電纜均可使用鋁塑復合帶結構電纜。性能優良、縱包工藝成熟的鋁塑復合帶結構甚至可以應用到非抗水樹絕緣的更高電壓電纜結構中。 在后續鋁塑復合帶電纜的設計開發中，按照CIGRE TB 722 進行“干式”鑒別試驗，將進一步推動對該類電纜的各項性能的驗證。