三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之一——结构设计

吴建宁， 郑运焱， 吴 弘

(宜昌联邦电缆有限公司，湖北宜昌443007)

三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之一
——结构设计

吴建宁， 郑运焱， 吴 弘

(宜昌联邦电缆有限公司，湖北宜昌443007)

详述了大长度交联聚乙烯绝缘三芯光电复合海底电力电缆的结构设计。

三芯光电复合海底电力电缆；交联聚乙烯绝缘；结构设计；制造

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0 引 言

近年来，随着国民经济的发展，国家电力事业突飞猛进。从沿海岛屿到内陆江湖沼泽地区，从海洋石油勘探平台到海岸风能发电场，各种电压等级的大长度海底、水下交联聚乙烯(XLPE)电力电缆需求量猛增。尤其是国家石油能源的短缺，随着石油的开发勘采向深海远洋转移，深海石油及可燃冰的开发都提到了议事日程，国家急需高质量大长度的石油勘采平台用海底电缆。在海上风能发电场招标建设中，35～220 kV级海底电力电缆的订单达数千公里;220 kV交流三芯光电复合海底电缆需求量超过千公里，最长的单根交货长度达36 km。这些都给国内海底电缆制造厂家带来新的发展机遇和挑战。

三芯海底电力电缆的设计及工艺与陆地电力电缆有许多不同，本文以某电缆公司出口南美洲的110 kV 3×630＋24B1 XLPE绝缘光电复合海底电力电缆为例，对三芯光电复合海底电力电缆的设计原理与工艺，做较详细的解析和介绍。

1 三芯光电复合海缆的结构设计

产品规格为64/110 kV 3×630＋24B1，XLPE绝缘、分相铅套、粗圆钢丝铠装光电复合海底电缆。图1是三芯XLPE绝缘光电复合海底电力电缆结构图，结构尺寸见表1。

图1 三芯光电复合海缆结构图

1.1 阻水导体的设计

(1)铜导体采用正规绞合，分层嵌入阻水带，分层紧压。正规绞合是为了方便内层线芯做阻水处理，以及在制作工厂软接头时，焊接铜导体较方便，且有足够的机械强度。

110 kV 630 mm2海缆导体可采用58根φ3.86 mm软铜线分层绞合紧压结构，绞线层数为5层，每层根数为1＋6＋12＋17＋22。

表1 三芯光电复合海缆结构尺寸

(2)导体的阻水处理国外采用阻水膨胀粉或阻水胶隔断工艺，国内常采用嵌入阻水带工艺。

XLPE绝缘海底电缆的导体每一层都要嵌入阻水带。2006年，某地的一根海底电缆因锚害损坏，由于该电缆导电线芯1＋6的层间未放置阻水材料，导体与导体屏蔽层之间也没有绕包半导电阻水带，造成整根电缆浸在海水中的部分绵延十多公里，给后期的电缆修复带来很大的困难。最后由于“水树”的原因多次修复又击穿损坏，该海底电缆才使用了五年，最后不得不大段报废。

(3)大截面海底电缆的导电线芯，由于嵌入了阻水带，有效地削弱了大截面导体的集肤效应，不需要再做分裂导体。同时分裂导体各扇形模块之间空隙较大，做阻水结构较为困难。

采用阻水胶隔断工艺的导体，截面在1 000 mm2以上的，单线可采用表面钝化处理，同样能有效削弱集肤效应。这种大截面导体结构，欧洲耐克森公司的海底电缆设计应用较多。

1.2 导体屏蔽层的设计

GB/T 12706中规定，标称截面500 mm2及以上电缆的导体屏蔽应由半导电带和挤包半导电层复合组成。XLPE绝缘海底电缆则不同，为了增强导体的纵向阻水性能，其导体屏蔽一般均设计成重叠绕包一层高强度半导电阻水带和挤包导电聚烯烃屏蔽层结构。

1.3 阻水缓冲层

在绝缘屏蔽层外重叠绕包层半导电阻水膨胀带，其作用为：

(1)半导电阻水缓冲层与导体中嵌入的阻水材料共同构成了海底电缆的纵向阻水结构。

(2)对下一道连续挤铅工序提供一层必要的防烫伤保护层。

(3)对XLPE绝缘层运行温升产生的膨胀起到缓冲作用。

1.4 合金铅护套

(1)合金铅护套厚度的设计

合金铅护套作为海底电力电缆的金属屏蔽层，亦是海缆的径向阻水层和防腐蚀层，同时又是瞬态短路电流的通路。铅护套的厚度因客户的技术要求可做适当调整，但应避免客户套用油浸纸绝缘海缆的铅套设计规范，使XLPE绝缘海缆的铅护层设计过厚。

三芯海底电力电缆铅套的标称厚度设计按下式计算：

式中，T为铅套标称厚度;Dg为铅套前假设直径。

110 kV 630 mm2海缆合金铅护套的标称厚度选为2.8 mm。

(2)合金铅料

由于合金铅的力学强度和蠕变性能要比纯铅高，因此电缆铅护套大多采用合金铅挤包而成。国内海底电缆常用合金铅的牌号及主要成分配比见表2。

大长度海底电缆一般都采用“E合金铅”，“E合金铅”连续挤制性能好，不易发生高熔点合金离析，堵塞熔铅管流道。

表2 海底电缆常用合金铅牌号及主要成分

1.5 塑料增强保护层

铅和铅合金比较柔软，机械性能较差。为了保护铅套在制造、敷设和使用中不受损伤，通常在合金铅护套外，用挤塑机挤制一层塑料增强保护层，两者之间还要涂敷一层粘接剂，使其成为一个整体，从而提高对电缆线芯的综合保护性能。110 kV 630 mm2海缆塑料增强保护层的标称厚度选为2.6 mm，可采用海底电力电缆专用改性中密度聚乙烯护套料。

塑料增强保护层的主要作用为：

(1)一般1.0 mm的改性聚乙烯护层相当于1.5mm的铅护层的机械强度，能部分吸收和分散外部对铅护套的应力，可提高电缆铅套的耐浪涌冲击及抗疲劳性。

(2)PE护层与合金铅护套共同构成了海底电缆的径向防水屏障。在铅护套局部损伤情况下，PE护套仍可以阻挡海水的侵入。

(3)PE护层与合金铅套共同构成海底电缆的防腐蚀结构，可有效地隔绝海水中化学、生物的腐蚀侵害。

海底电缆铅套外的PE护层，是海底电缆防水、防腐蚀保护设计的关键构件。如果客户订购的海底电力电缆是敷设于海岸盐碱滩涂、陆上的沼泽湖泊等没有来往船只随意抛锚的浅滩区域，则可以不采用PE护层，只绕包一层塑料粘胶带(SJD带)做防蚀层即可。SJD带可采用高强度聚氯乙烯(PVC)粘胶带，黄、绿、红彩色粘胶带可做为电缆线芯相序分色。

1.6 成缆填充条

海底电力电缆成缆填充条的材质有多种选择。

(1)国内目前用的较多的是交联电缆回用料发泡扇形填充条和发泡PVC扇形填充条。发泡PVC扇形填充条较柔软，成缆工艺性能较好，成缆后外形较圆整。

(2)国外常采用并股的PP填充绳及圆形的发泡PE填充条，这对位于成缆填充区中的复合光缆单元能起到很好的保护作用。

1.7 海底电缆的外护层

海底电力电缆的外护层一般由内衬层、钢丝铠装层和外被层三部分组成。三芯XLPE绝缘海底电力电缆一般采用单层粗圆钢丝铠装。对敷设条件及使用环境特殊的海底电缆，可采用双层粗圆钢丝铠装。如敷设于浅海礁盘上的海底电缆，由于受到潮流的冲击，海底电缆在坚硬的礁石上磨擦，一年多铠装钢丝层就会磨耗损毁。因此有必要采用双层粗圆钢丝铠装结构，并且应采取水下固定，或做梯形坝抛石埋设保护。否则海底电缆寿命不长，最多3～5年就得更换维修。

(1)铠装钢丝一般采用镀锌低碳钢丝，应符合GB/T 3082—2008标准要求。

(2)铠装钢丝的规格尺寸和机械性能要求，应根据海底电缆规格及客户要求的敷设、地理条件选定。110 kV 630 mm2海缆铠装钢丝直径为6 mm，抗拉强度350～420 MPa，断裂伸长率大于10%。

(3)内衬层和外被层一般可采用“聚丙烯(PP)绳缠绕＋沥青浸渍”混合防腐结构，制造加工较为方便，又能满足海底电力电缆特殊的电性能及加工性能要求。

1.8 光缆单元

在三芯海底电力电缆成缆时，在填充区中加入一根或二根海底光缆单元。

(1)图2是中心钢丝增强、合金铅护套的光缆单元结构图，称为铅护套53型光缆单元。

图2 铅护套53型光缆单元结构图

(2)图3是双层细钢丝铠装、不锈钢复合松套管的光缆单元结构图，称为不锈钢复合松套管型光缆单元。

图3 不锈钢复合松套管型光缆单元结构图

内、外两层高强度磷化钢丝的绞合方向相反，构成了无旋转扭矩的平衡铠装，提高了不锈钢复合松套管光缆单元的抗张力破坏性能。

(3)光缆单元选型。上述两种光缆单元笔者首选铅护套53型光缆单元，该光缆单元性能可靠，不易断芯，且可放置更多的光纤。海上石油勘探移动平台用海底电缆、水下临时工程敷设用海底电缆以及陆上潮湿环境敷设的光电复合电力电缆，由于对光缆单元的防腐蚀要求并不高，可采用涂塑钢带纵包、PE外护套的GYTA53型光缆单元。

2 结束语

在处理多起海底电缆工程事故中发现，无论是国产的还是进口的海底电力电缆，往往存在结构设计的缺陷，造成电缆早期损坏或报废，给国家和用户带来很大的损失。本文细述了大长度三芯光电复合海底电力电缆的结构设计，希望对相关海缆工程技术人员有所帮助。

[1] CIGRE-21-02-Electra-189 挤塑绝缘型大长度交流海底电缆试验推荐标准[S].

[2] IEC 60840：2004 额定电压30 kV(Um=36 kV)至150 kV (Um=170 kV)挤包绝缘电力电缆及其附件——试验方法和要求[S].

[3] GB/T 12706.3—2002 额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件[S].

[4] JB/T 11167.1—2011 额定电压10 kV(Um=12 kV)至110 kV(Um=126 kV)交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件[S] .

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Part I：Structure Design

WU Jian-ning，ZHENG Yun-yan，WU Hong
(Yichang Union cable Co.，Ltd.，Yichang 443007，China)

This paper presents systematically the structure design ofa long ACXLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable;XLPE insulation;structure design;pro-

TM247.9;TN818

A

1672-6901(2012)03-0020-04

2011-12-01

吴建宁(1952-)，男，高级工程师.

作者地址：湖北宜昌市猇亭区民主路1号[443007].