海底交联聚乙烯电力电缆机械性能试验方法介绍.pdf

2 0 0 8年第 6期 No 6 2 008 电 线 电 缆 El e c t ric W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 1 2月 De c ， 2 00 8 海底交联聚乙烯 电力电缆机械性能试验方法介绍 茅 雁 ， 王 瑛 ( 1 上海电缆厂有限公司 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 上海上缆藤仓电缆有限公 司 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘 要 ： 本文对海底 交联聚 乙烯 电力电缆 的机械性 能试验 方法进行 了综合 的描述 ， 并结合制造厂 商的具体现 场 情 况对试验 的过程进行 了简单讨论 。 关键词 ： 海底交联聚 乙烯 电力 电缆 ； 机械性 能 ； 试验 中图分类号 ： T M 2 4 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 0 8 ) 0 6 - 0 0 2 6 - 0 3 I nt r o du c t i o n t o t he M e c h an i c a l Te s t M e t ho ds f o r Su bm a r i ne XLPE Po we r Ca b l e s MAO Ya n e t a l ( S h a n g h a i C a b l e Wo r k s C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ) Abs t r a ct ：Th e me c h a ni c a l t e s t me t h o d s f o r s u b ma rin e XLP E p o we r c a b l e s we r e s umma riz e d Th e t e s t pr o c e d ur e s we r e di s c u s s e d b rie fly c o n s i d e r i n g t h e a c t ua l c o n di t i o n s o f c a b l e ma n u f a c t u r e r s Ke y wor ds ：s u bma r i ne XLP E p o we r c a bl e；me c ha n i c a l p r o p e r t i e s；t e s t i ng 0 引 言 随着海 洋经 济 的蓬 勃发 展 ， 海 底交 联 聚乙烯 ( X L P E ) 电力电缆( 以下简称海底电力 电缆) 得到了 广大用户的推崇。尤其是最近几年随着沿海岛屿开 发、 石油平台、 海上风电等大量项 目建设 的需要 ， 海 底 电力 电缆 的需 求 日益增 加 。 海 底 电力 电缆 和 陆上 电缆 相 比 ， 其 制 造 过程 和 敷设 过 程不 一样 ， 运行 维 护 的要 求 也不 一 样 。一 方 面海底电力电缆在生产、 运输 、 敷设和打捞过程 中， 会受到错综复杂的多因素机械外力的综合作用 ，另 一 方面一旦电缆出现故障后修理的难度大 、 周期长、 经济损失大。因此 ， 如何评价海底 电缆抗御外力综 合作用的能力就显得尤其重要。国际大电网会议 自 1 9 7 2年开始 ， 专门就此议题 ， 组织小组研究 ， 三易版 本提 出 了试 验 方 法 R e c o mm e n d a t i o n s f o r m e c h a n i c a l t e s t s o n s u b m a r i n e c a b l e s ) ， 推荐 了当电缆额 定电 压大 于 3 6 k V( 交 流 ) 或 1 0 0 k V( 直 流 ) 时 ， 可采 用 此 试验方法考核海底 电力 电缆 ( 含工厂软接头 ) 的机 械以及 电气性能水平 。 由于试验方法特殊，目 前又没有统一的试验装 置， 因此国内只有少数几家电缆制造商设计相关 的 试验装置 ， 考核海底电缆的机械性能。本文根据国 际大电网会议推荐的试验方法 的要求 ， 结合实际的 收稿 日期 ： 2 0 0 8 -05 1 0 作者 简介 ： 茅雁 ( 1 9 6 9一) ， 男 ， 高级工程师 作者 地址 ： 上海市军工路 1 0 7 6号 2 0 0 0 9 3 电缆试验 ， 重点介绍盘绕试 验和张力弯曲试验这两 个项 目。 1 电缆样品 试验的电缆样 品型号规格为 1 1 0 k V X J Q F 4 1 G 1 3 0 0 m m 交联聚乙烯绝缘海底 电力 电缆 ， 电缆的 结构如 图 1 所示 ， 结构尺寸见表 1 。 图 1 6 4 1 1 0 k V海底 电力 电缆 的结构 1 绞合铜导体 2 一导体屏蔽 3 一X L P E绝缘 4 一绝缘屏蔽 5 一半导电屏蔽带 6 一铅合金护套 7 一沥青护层 8 一高密度聚 乙烯护层 9 一 聚丙烯绳 1 O 一镀锌钢 丝铠装层 1 1 一聚丙烯绳 1 2 一 聚丙烯绳 2 盘绕试验 2 1 试验 目的 由于海底 电缆在堆放和倒缆 、 装船和敷设 的过 2 0 0 8年第 6期 No 6 2 00 8 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 1 2月 De c ， 20 0 8 表 1 6 4 1 1 0 k V海底电力电缆的结构参数 序 号 项 目名称 数值 1 绞合铜导体直径 ram 2 0 4 2 导体屏蔽直径 m m 2 2 4 3 X L P E绝缘直径 ram 6 0 2 4 绝缘屏蔽直径 m m 6 2 2 5 半导 电带绕包外径 m m 6 5 2 6 铅合金护套外径 ra m 7 3 2 7 沥青层直径 m m 7 3 7 8 高密度 聚乙烯护层外径 ra m 8 1 7 9 聚丙烯绳绞合后外径 ra m 8 2 3 1 0 镀锌钢丝铠装层外径 ra m 9 7 3 l 1 聚丙烯绳绞合后外径 m m l 0 2 5 l 2 聚丙烯绳绞合后外径 m m l O 7 1 1 3 空气 中重量 ( k g m) 2 9 1 4 水 中重量 ( k s m) 2 0 程中要经受 3 6 0 。 的扭转， 盘绕试验的 目的就是模拟 实际制造、 运输和敷设的工况 ， 验证海底 电缆的抗扭 转水平。盘绕试验后的样品要进行结构检查和后续 的张力弯曲试验。 2 2试 验要 求及 参数 的设定 ( 1 )样 品要求。长度至少保证能盘绕 8圈， 长 度 中 央至少含 两组 工 厂 软 接 头 ， 两组 软接 头 端 部 间 距 离不 少于 可盘 绕 2圈 。 电缆 两端 固定 ， 试 验 前 沿 电缆轴 向标注一条直线 。我们实际试验用的电缆长 度为 3 0 0 r n ， 含两组软接头 ， 两个接头端部间距离大 于 4 0 m。 ( 2 )盘绕次数。盘绕沿相反方 向重复进行 ， 盘 绕次数应和制造、 运输和敷设 中预期的次数相一致 。 我们设定盘绕次数为两次 ， 即仅考虑海底 电缆必须 经历 的堆放和倒缆 、 装船和敷设过程 ， 因为通常情况 下只有在电缆运行 中出现故障， 才会 打捞并 回收电 缆进行修理 ， 因此盘绕次数仅选择两次是合理和正 确 的 。 ( 3 )盘绕直径和高度 。盘绕直径和高度会直接 影响到电缆的受力情况 ， 条件允许时盘绕直径 和高 度愈大， 对电缆愈有利。对于油纸绝缘电缆， 经验数 据为每米扭转 角度不超过 2 5 。 ， 由此最小盘绕直径 4 6 m， 对于固体绝缘 电缆尚无明确的实验数据 。我 们根据电缆堆放场地的实际情况 ， 确定 了最小盘绕 直径为 5 m， 高度为 1 4 1 1 3 。 2 3 试验 装 置 此项试 验 的装 置见 图 2 。 装铠机 a )电缆送入 2号堆场 b )电 缆倒 回 1号堆 场 图 2 盘绕试验过程及装置 3张力弯 曲试验 3 1试验 目的 海底电力电缆在敷设和打捞回收时会受到比较 大 的张力 ， 张力 的大 小显 然和 电缆 重量 、 敷设 深度 以 及海域气象条件有关 。张力弯 曲试验的目的就是模 拟实际的敷设条件 ， 验证海底电缆承受张力的水平 。 3 2 试验要求及参数的设定 ( 1 )样 品要求。样品从做完盘绕试验的电缆上 截取 ， 至少含有一组软接头。样 品长度最少 3 0 m， 软接头与端部的距离至少为 1 0 m或 5倍 的铠装节 距 ， 按照 1 1 0 k V海底电缆外层节距设置 ， 此长度一 般为 71 0 m。样品绕在不大于敷设船上放线轮直 径的鼓轮上， 电缆和鼓轮接触的长度至少为铠装线 节距的两倍 ， 并且不少于鼓轮 圆周的一半。如试样 中包含一个 以上接头 ， 接头间距离 至少为鼓轮的 个 圆周 。 ( 2 )试验次序。依靠适 当的装置 ， 包括软接头 的海缆试样 在鼓 轮上要历经卷绕 、 伸直 、 卷绕共三 次 ， 试验期间不得改变弯曲的方 向。 ( 3 )施 加 的试验 张力 。试 验张 力计 算公 式为 ： 水深 0 2 0 0 m， 按式( 1 ) 计算 ： T =1 3W d+4 0 W( N) ( 1 ) 2 0 0 m 水深 5 0 0 m， 按式( 2 ) 计算 ： T= 1 5W d( N) ( 2 ) 式中， 为海缆在海水 中的重量 ( k g m) ； d为海缆 的最大敷设深度 ( m) 。 ( 下转第 4 2页 ) 2 0 0 8年第 6期 No 。 6 20 08 电 线 电 缆 El ec t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 1 2月 De c ， 2 0 08 缆 的速度 应 为 ： = ( 1+ f ) L = ) 3 海底斜坡敷设海缆速 度变更的时间确定 海缆敷设施工过程 中， 当遇到海底有不 同坡度 的斜面 ， 并在其上进行敷设时， 必须要计算确定何时 变更海缆敷设的速度 ， 也就是说 ， 要计算 出从海缆敷 设船正位于海底倾斜地形变化的起始点到实际敷设 的海缆落到海底倾斜地形终止点所经历 的时间 ( 见 图 5 ) 。 图 5 海缆敷设速度变更时 间的确定 图 5为海缆敷设速度变更 的时间的确定 。如 图 5所 示 ， 假 设 海 缆 船 在 时 间 内的行 驶 距 离 为 ，海缆入水角为 o t ， 从海平面到海缆落地点 的海 水深度为 h ， 可得关系式 ( 1 2 ) ： t a n c t= T ( 1 2 ) 上式可变换为： = h ( V fla n o t ) ( 1 3 ) 那么， 可以知道 ， 如果海缆船通过探测设备确定 海底倾斜变化位置后 ， 可通过式 ( 1 3 ) 计算获得的时 间 后 ， 就要控制海缆敷设速度变更为 ： = 式 中， 正号为在下降倾斜面时， 负号为在上升倾斜面 时 。通过上述海缆敷设速度变更后 ， 才能使得敷设 的海缆紧贴敷设于海底倾斜面上。 4 结束语 以上论述 了海缆敷设施工过程中， 在海底 的不 同斜面上敷设海缆 时， 如何恰 当控制海缆 的敷设速 度 。而在实际施工中， 海缆敷设的环境是相 当复杂 的， 受到潮汐、 海流等诸多 因素的影 响， 为 了不断提 高海缆敷设的质量 ， 使海缆传输系统的构建更加牢 固可靠 ， 进一步深入研究海缆敷设过程 中所面临的 各种问题是很有必要的。 参 考 文 献 ： 1 曾达人 主编 海底 通信 电缆 工程技术 手册 M】 北京 ： 解 放军 出版社 ， 2 0 0 0 2 日本 电子通信 学会 编 ( 王远 程译 ) 海底 同轴 电缆 通信 系统 M 北京 ： 人 民邮电出版社 ， 1 9 8 5 ( 上 接 第 2 7页 ) 计算时将重量单位 ( k g ) 转换为力的单位 ( N) ， 即 1 k g = 9 8 N， 并将计算后的试验张力 大致修约 到 1 0 0 N的整数倍 ， 作为实际施加的试验张力 ， 即实 际的施加张力要与计算 张力相一致， 并略大于计算 值。 参考了大量 国内海缆安装数据 ， 发现 国内海底 电缆的敷设水域 ， 水深基本上 在 1 0 0 1 T I 深度 以 内。 如舟山海域通常为 2 0 7 0 n l 左右 ， 福建海域通常为 3 0 5 O m以内。因此我们选取 d=1 0 0 m， 并计算及 修 约后 ， 可得 T= 3 0 0 0 0 N。施加 的 张力 可 通 过安 装 的拉式负荷传感器进行测量 。 ( 4 )试验鼓轮的设置。 我们走访了包括中英海 底电缆 、 上海基础公司以及上海打捞局等专业海底 电缆敷设机构 ， 比较主流的敷设形式 ， 基本上是采取 履带式牵引送缆并辅助拖体放缆的敷放形式 ， 从履 带牵引出来的海缆穿人船头 的拖体内( 该拖体 的弯 曲半径一般在 3 m左右 ) ， 并 由该 拖体 最终控制 电 缆的施放角度 以及在海底的埋设位置。参考这样 的 典型海底电缆施放方法 ， 我们将 1 1 0 k V海缆的张力 42 弯 曲试验的鼓轮直径设置为 6 m。 ( 5 )端头固定 。按照要求 ， 电缆端头必须采取 特殊的固定形式 ，以确保电缆导体和铠装层同步受 力 。依照这一要求， 设计了特殊结构的牵引头， 采取 导体中心压接和铠装层分层压接 等固定的措 施， 以 改善在试验过程中导体和铠装同步受力的情况。 ( 6 )张力弯曲试验后的样品应进行电缆结构的 检查和后续的电气性能的试验。 4 结束 语 海底电缆工程价值高， 施工条件恶劣， 风险大， 一 有差错会造成巨大的经济损失。因此进行机械性 能试验 以验证所设计的电缆是否满足实际的工作环 境 ， 是十分必要的。同时通过试验积累数据 ， 也可对 堆放和敷设工具提出要求 ， 以保证 电缆的质量。 参 考 文 献 ： 1 Wo r k i n g G r o u p 0 2 1 o f S t u d y C o mm i t t e e 2 1 R e c o m me n d a t i o n s f o r m e c h a n i c a l t e s t o n s u b ma r i n e c a b l e s J E l e c t r a ， 1 9 9 7 ， ( 1 7 1 ) ： 5 9 6 5