海底异种电缆接头的制备及其电力学特性分析

国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司 潘雄文 陈 辉 张 磊 姚 琼 曾灿林

软电缆也叫软结构导体电缆，通常为多股导体，股数越多状态越软，相应的制造成本也就越高，挤制绝缘时工艺难度也较高。硬电缆施工相对方便，但其接触面偏小且时间久了较易松动。软电缆接触面大但施工相对繁杂。硬电缆散热差、过载率不好，但接线可靠；软芯铜电缆散热好，过载率高于单芯线但很容易发生虚接的状况。硬电缆价格相对更加便宜。

1 热塑弹性体的化学成分以及特性

塑性橡胶弹性体(tpe)，因其材料可直接通过采用传统塑料耐热成型的加工方法对使用原材料内部进行橡胶加工，不仅加工能耗低，原材料也可被重复使用，因此其加工技术应用发展迅速，迄今其使用原材料的产品能耗利用量约占到所有可使用传统橡胶材料的20%。因众多tpe 为一种物理交联或离子交联，与目前市场上其他传统热固性成型橡胶加工技术产品相比，存在空气动力学稳定性能差、耐热固化温度低、使用永久性橡胶变形大等问题。因此需要寻找一种方法，既有别于传统的热固性加工橡胶中的C—C，C—S 或—S—S—共价交联键，又可以直接进行热塑性加工的共价交联反应技术，这种方法对于制备动力学性能良好的tpe 至关重要[1]。

目前解决该问题的有效途径之一就是通过利用环戊二烯(cpd)和环戊二烯(dcpd)之间的热可逆转化反应，将dcpd 环引入到线型聚合物的共价交联键，制取到与—C—C—共价交联的聚合物以便于改善其不可热塑化的性能，并可以充分利用到由dcpd在温度≥170℃下的水解二烯三聚体所形成的一个带环的cpd 侧基线型塑料分子的复合动力学功能性质，赋予其热可逆塑性和直接加工的基本特征。目前热塑性弹性体的材料种类正在逐渐增加，根据它们的化学结构和组成，常见的主要有以下四种类型。

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)。按其产品生产和原料合成中所使用的同类聚合物第一醇又大致相同可以将其细分为三甲基乙二聚醚和聚第二醇；苯乙烯嵌段类热塑性弹性(TPS)。典型品种为热塑性SBS 弹性体(苯乙烯丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)和热塑性SIS 弹性体(苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物)。此外，还有苯乙烯丁二烯的星形嵌段共聚物；新型聚酯纤维弹性体(tpee)。该类型的弹性共聚体一般都认为是由对邻二元羧酸和其他弹性衍生物，聚醚二醇(它的分子结构容积范围为600～6000)和低密度分子二醇及其混合物经过热熔融酯交换后的聚合反应液体表面所连接组成的无规嵌段弹性共聚物。

热塑性聚烯烃弹性体(tpo)。这一类的新型弹性聚合体一般都主要是经过共用或混合的方法加工制备的。例如它还可将一种橡胶材料中一些具有部分橡胶结晶注塑性质的材料epm 或epdm 与热熔注塑性质的橡胶复合树脂(例如聚乙烯、聚丙烯等)共同预混，或在共混的同时采用动态硫化法使橡胶部分得到交联，甚至在橡胶链上接枝聚乙烯或聚丙烯。此外还有丁基橡胶接枝聚乙烯而得到的热塑性聚烯烃弹性体。

2 研究内容的理论或者实践依据

我国内陆湖泊亟需从现在比较低效、粗放、污染的柴油机供电体系逐步转变成洁净、高效、节约、多元、安全的现代化锚地岸电供电体系。相较之于目前传统的大型柴油机和风力发电停靠模式，锚地供水岸电不仅能有效地帮助缓解内陆地和湖泊下游水体的大气污染，减少大型船舶在使用锚地岸电停靠期间的有机氮氧化物和有机硫化物等的排放，对于实现节能低碳减排也可起着积极有效的推动作用。

锚地岸电系统高压电缆自动收放控制技术。电缆自适应水位收放装置安装于高压岸电船舶上，基于水位感应及拉力检测，根据水位自动调整电缆收放，在水位变化时能自动收放高压软电缆，确保电缆达到恒张力的控制。首先，高压岸电船用电缆绞车将岸船连接电缆整齐的收储在电缆绞车上，并将另一段电缆连接到箱变进线位置，通过该设备的大容量滑环组件将电能输送到船上用电设备，然后在水底预留数米长的高压软电缆，当箱变趸船位置水位高低变化时，船用电缆绞车实行线性张力控制，自动管理岸船连接电缆收放，确保高压电缆张力恒定实现恒张力控制[2]。而之所以要用软电缆，主要是因为硬电缆曲率不能太大，软电缆是船上用的、硬电缆是铺设在湖底的。

锚地岸电集中监控系统研发。为远程实时监控该岸电项目中各用电设备的工作状态，并及时响应故障，确保所有岸电设备安全可靠运行，因此需要一套适用于锚地岸电的集中监控方案。首先，每条船舶需配置工业环网交换机、监控管理系统，用于传递电气信息数据，实现本地实时监控；在监控室内配置一套通讯管理单元，从交换机采集所有船舶的电气信息数据，并上传至岸电云平台系统，进行远程监控，对我国港口岸电的推广和发展具有重要意义。

3 海底电缆异种接头各类解决

高压电缆接口盒（电缆接头及接口箱）的研发依据湖南省岳阳市洞庭湖水下10kV 锚地岸电项目，主要为实现高压电缆卷盘的软电缆在水下与铠装水底电缆通过高压电缆防水接口盒对接，为趸船高压电缆提供了一种根据水位自动调整电缆收放的解决方式，实现电力供给。主要解决特种橡胶软电缆与湖底铠装电缆密封连接问题。

目前来说，有的水下电缆的接头技术达不到内陆湖泊供电的需求。而内陆湖泊锚地岸电系统的技术难题主要集中在水下电缆接头的制备及检测，国内外有关水下电缆接头制备与监测的研究主要集中于软缆与软缆、硬缆与硬缆之间的接头制备与监测，因此海底铠装电缆与特种橡胶软电缆的研发具有重要价值[3]。而异种10kV 电缆水下接头制备与监测仍存在诸多科学技术难题，亟待突破与解决，其研发过程更是历经了诸多难题：

3.1 解决异种电缆导体连接（二类与五类导体连接）

导体连接类型是属于异种导体的连接，是交联聚乙烯绝缘分相铅包粗钢丝铠装电缆与橡皮绝缘分相编织屏蔽钢丝编织铠装电缆的连接。由于两种类型的电缆工作种类不同，一种是交联聚乙烯绝缘分相铅包粗钢丝铠装电缆，另一种为橡皮绝缘分相编织屏蔽钢丝编织铠装电缆。若采用传统压接方式则很容易出现机械和电气连接的不可靠，当水下接头长时间随着涨潮潮落的移动就有极大可能导致接头处连接松动。最后经过反复实验决定采用放热焊的方式进行导体连接。

其原理为：金属氧化物+铝(粉)→氧化铝+金属+热能（MO+AL →M+ALO+高温，M 为需要的可用金属）。放热焊接技术的特点突出优势明显：焊接点是分子结构、永久不老化。它的焊接特征就像铜一样，比其他金属材料更加强壮和牢固，并且不会被腐蚀性的产物所干扰。焊接接头是具有永久性的，不会由于松动或者锈蚀而造成很高的电阻。

3.2 解决2类与5类导体的绝缘连接问题

两种电缆的绝缘是完全不同的材料，一种为交联聚乙烯绝缘、属于2类导体，另一种为乙丙橡皮绝缘、属于5类导体。要想绝缘连接好同时承受运行电压，采用过渡性材料的选择就很重要，经过多次实验发现若采用熔接绝缘方式则行不通，无法真正做到将两种材料完全融合成整体，甚至可能发生电气事故。后面经过多次过渡性材料选择和对比最终决定绝缘连接采用一种热塑弹性体带材，以绕包方式进行绝缘制作和恢复。热塑弹性体是聚合物的共混物。其分散相是硬相即塑料相，在很大程度上决定了材料的刚度、稳定性、耐油和耐溶剂性以及耐热性，其连续相是弹性相即橡胶相，提供高弹性。同时热塑弹性体因其电气绝缘性能好，在电线电缆及其它绝缘结构中有广泛应用。

3.3 解决海底电缆的钢丝铠装与接口箱的连接问题及接口箱密封与耐压问题

海底电缆的钢丝铠装作用就是承受拉力，保护好电缆不受拉力作用而损坏。如何将海缆的钢丝与接口箱壳体进行硬连接十分重要，只有这样才能保护电缆接头不受拉力。接口箱壳体是根据接头的结构尺寸，在满足接头电气性能的基础上，达到机械保护的作用，同时承受水下大压力高压强耐腐蚀等等一系列问题[4]。

起初通过法兰盘压接的方法将海缆钢丝固定到接口箱壳体上，最后通过螺栓锁紧，但是由于海缆钢丝较粗且其硬度足够，因此，我们通过法兰锁紧的方式就变得非常吃力。通过反复实验，最终决定将海缆钢丝采用316L 不锈钢丝氩弧焊接方式直接焊接到接口箱壳体上，确保其足够的机械强度和良好的电气性能[5]。

同时，为了保证接口箱水下能够承受2MPa 的压力，拟考虑选用316l 高强度材质6mm 厚的不锈钢作为接口箱的外壳。壳体内注入密封胶进行密封。为了给接头提供足够的防水和密封效果，在接口箱内部还安装有一层铜壳体来对接头进行双重保护，内部同样填充满防水密封胶，真正做到了密封、防水、绝缘为一体。

4 电缆头电场分布

高压无线电缆每一个三相线芯外，分别设置了具有一个导电接地(铝或铜)层和屏蔽膜两层，导电电缆线芯和接地屏蔽膜两层之间通常会连接形成一个较大径向均匀分布的高压电场。正常使用情况下铜线电缆的铜芯导线和动力电场，只有由(小于铜)铜芯导线两端沿沿着半径和轴方向(大于铜)导体屏蔽的外层上方发出的轴向电力电导线，没有由铜芯线沿着半径轴向的内部和半导体屏蔽层方向发出的动力电场(有时称为轴向电力电导线)，其中线和电场的能量分布均匀。但由于不同的异种材料之间电导率相对差异很大，且其受电场的强度及温度的影响比较严重，根据电磁感应定律，当导体周围的磁场发生变化，感应电流就会在导体内部产生[6]。

所以，当通过交流电周围区域的磁场的振动强度就可能会有所起伏，方向上下交替，交换的磁场运动变化将使得它们产生一个感生的电场，而这个感生的电场运动时变性质也是由交流电震荡特征所决定的，也就是感生电场可能为稳恒电场，也可能为时变电场。同样受交流电的振荡特性影响，感生电场可能也会激发磁场，如此下去。空间中的电磁场分布就是各阶的感生电场和磁场的叠加。导致电缆接头处随着长时间受到热胀冷缩效应产生缝隙。

在某个电场的强度范围内，温度及其电场强度的变化均可能会致使电导率产生明显的变化，该场强度范围也可能随着温度而产生变化，因此高压交流电缆采用两种数值相同的数设式工作环境下，负荷时电场的分布应当均匀；当电缆传递的电流很大时，就会造成电缆绝缘内部的温度梯度加快，电缆绝缘外部表面接触处的电场强度降低。

5 结语

要想更好地保证连接器的安装质量，除了从技术和工艺上把握好关键点以外，每一位操作人员都需有足够的技术和责任心，严格地遵守其制作的工艺和规程，选择专用电缆及工具，在进行连接器作业前就要明确对其安装的步骤及对工艺和质量的要求，在进行连接器作业的过程中就要加强监督和管理，当遇到问题要及时进行解决，保障电缆线路安全、可靠地运行。