海底电力电缆抢修用软接头的研究与展望.pdf

2 0 1 1年第 1 期 No 1 2 01 l 电 线 电 缆 El ec t ric Wi r e Ca b l e 2 0 1 1 年 2月 Fe b， 201 1 海底电力电缆抢修用软接头的研究与展望 丰如 男， 夏峰 ， 钟科 星 ， 张 磊 ， 张永 明 ( 宁波东方电缆股份有限公 司， 浙江 宁波 3 1 5 8 0 1 ) 摘要 ： 结合舟山海域海底 电力电缆项 目的特 点和建设要求 ， 系统介绍 了抢修 用软接 头的研 发过程 ， 从 方案提 出、 设计、 制造与检验、 现场运行等方面进行了详细的介绍。抢修用软接头具有稳定性 高、 性能可靠、 操作方 便、 施工周期不长等功 能， 有着广 阔的 市场前景。 关 键 词 ： 软 接 头 ；海 底 电力 电缆 ；抢修 ；结 构 ；工 艺 ；性 能 中图分类号： T M 2 0 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 1 1 ) 0 1 -0 0 1 2 - 0 4 S t u d y a n d Ma r k e t P r o s p e c t o f t h e F l e x i b l e Ca b l e J o i n t s f l0 r Fi r s t - Ai d Re pa i r o f S ub m a r i ne Po we r C!a bl e s FENG RU n a ne t a l ( N i n g b o O r i e n t a l E l e c t r i c C a b l e C o L t d ， N i n g b o 3 1 5 8 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r p r e s e n t s s y s t e ma t i c a l l y t h e d e v e l o p me n t o f t h e fl e x i b l e c a b l e j o i n t s f o r fi r s t a i d r e p a i r o f s u b ma - r i n e p o w e r c a b l e s ， c o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n s t r u c t i o n r e q u i r e me n t s o f t h e s u b m a ri n e p o w e r c a b l e p r o j e c t s i n Z ho u s ha n S e a Ar e a s I t pr e s e n t s i n d e t a i l t h e p r e s e n t a t i o n o f t he p l a n，de s i g n，pr o d uc t i o n，t e s t i n g a n d fie l d o p e r a - t i o n T h e fl e x i b l e c a b l e j o i n t s for f i r s t a i d r e p a i r f e a t u r e h i g h s t a b i l i t y ，r e l i a b l e p e r f o r ma n c e ，e a s y o p e r a t i o n a n d 8 h o r t c o n s t ruc t i o n t i me，h e n c e h a v e a p r o mi s i n g ma r k e t Ke y wo r d s ：fl e x i b l e j o i n t ；s u b ma r i n e p o we r c a b l e ：f i r s t - a i d r e p a i r ；c o n s t r u c t i o n；p r o c e s s ；p e r f o r ma n c e 0 引 言 以舟山群岛海域为例 ， 其范围内的海底 电力电 缆( 以下简称海底 电缆 ) 工程通 常由终端、 中间接 头、 锚固装置等机械、 电气设备装置等组成。各装置 设备功能单一且特点不同， 附件应用范围相当广泛。 但是在 日常维护使用时， 海底电缆 因锚害等非正常 损害的现象经常发生 ， 给用户造成 巨大损失 ， 例如 2 0 0 6年 8月舟 山联 网大 陆 1 1 0 k V海 缆 的损坏 导致 电力负荷缺 口高达 3万千瓦。通常 ， 海底电缆损害 后的抢修维护都会使用 中间接头等附件 ， 接头的使 用数量相对于其他附件是较大的。因此 ， 在全国广 阔海域 内， 接头附件的需求数量是相 当庞大的。 海底电缆及光电复合海底电缆的中间接头及抢 修接头可大致分为绕包式和预制绝缘式两种 ， 其中 3 5 k V及 以下的中低压海底 电缆 的接头 以绕包式为 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 6 1 5 基金项 目： 国家科技支撑计 划项 目第 3子课题 “ 2 2 0 k V 光电复合注 塑交联型软接头工艺技术 的研 发 ( 2 0 0 7B AE 1 9 B 0 3 ) 作者简介 ： 丰如男( 1 9 7 3一) ， 女 ， 工程师。 作者地址 ： 浙江宁波市江南东路 9 6 8号 3 1 5 8 0 1 主， 1 1 0 k V及以上海底电缆的接头 以预制绝缘式为 主。各个 型式 的接头 都有 其 自身 的特 点 与缺 陷 ， 比 如预 制绝缘式 接头施 工时 间短 ， 只需 8 h左右 ， 但 相 对稳定性较差； 绕包式接头性能较稳定， 但是对施工 人员的操作要求较高， 需专业人员。由于各接头的 特点和性能的差异 ， 给抢修维护带来了许 多不便 。 为此 ， 本文论述当前海缆抢修接头所存在的不足 ， 从 原理与工艺方面人手 ， 研究 开发了新型的海底电缆 抢修用软接头， 以期加快维护速度 ， 缩短海缆抢修时 间， 减少用户因海缆损坏而造成的损失与不便。 1 海缆抢修 用软接头的结构和工艺流程 1 1 结构 图 1为所开 发 的 1 1 0 k V及 以下 海底 交联 聚 乙 烯( X L P E) 电缆抢修用软接头的结构示意图。 1 2 工艺流 程 抢修用软接头的工艺流程如下： 接头制作前电缆处理一剥铅护套 、 粗削反应 力锥一铜导线焊接一内半导电屏蔽层恢复一 精削反应力锥一接 头预热、 挤塑交联 聚乙烯 料 一高温高压绝缘硫化一交联绝 缘层表面处理 恢复外屏蔽层 斗 铅管护套焊接恢复_ + 电气 性能试验一恢复电缆外结构。 2 0 1 1年第 1 期 No 1 2 0l 1 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 1 1年 2月 F e b， 201 1 图 1 X L P E电力电缆抢修用软接头的结 构示意图 2抢修用软接头 的关键工序 2 1 铜导 线采 用等 直径 银焊接 头 工艺 因银钎焊工艺能保证接头 的电阻性 能要求 ， 为 此 ， 自行研发设计的专用焊接架 ( 如 图 2所示 ) 进行 银钎焊 。经测试 ， 铜线本体 的抗拉强度为 2 0 5 MP a ， 焊接后抗拉强度为 1 8 7 MP a ， 即焊接处导体拉 断力 与本体的比值为 9 1 2 ， 保证 了每根导线接头的抗 拉强度达到其本体强度 的 8 0 以上 的要求。焊接 完成后的导体外径与标准外径的误差为 1 mm， 对 海底电缆的实际使用无任何影响。 H管警 目高 I ， _ - _ - 辜 _ I L I t I I l I 图 2抢修用软接 头导体专用 焊接架结构示 意图 2 2 导体 半导 电屏 蔽层 的恢 复 海底交联电缆接头的导体半导电屏蔽层的恢复 工艺 ， 国际、 国内常采用的是在导体焊接接头上绕包 半导电带恢复内屏蔽层的工艺模式。该种工艺模式 虽然简单易操作 ， 但是存在一些明显的缺陷： ( 1 )由 于绕包带模式中金属导线与缠绕的半导电带屏蔽层 之间存在空隙； ( 2 )由于绕包 的半导电带采用 自粘 性合 成橡 胶材 料 ， 恢 复后 的 内屏 蔽 半 导 电层 在 随 后 电缆 接头 硫化 处理 时 ， 有 一些 挥发 性气 体产 生 ， 由此 在内屏蔽层与绝缘层之间形成一层不易观察到的气 隙。上述两项缺陷的存在， 是造成 国内、 国际电缆中 间接头的一项重要电性能指标局放量测试数据 偏高的主要原因之一 。经试验证 明， 一般用绕包半 导电带恢复 内屏蔽层的工艺模式 ， 制造的 X L P E电 力电缆中间接头 ， 其局放量一般都 大于 8 p c， 明显 高 于 国标 G B Z 1 8 8 9 0 1 2 O 0 2要求 ： 局部 放 电试 验 5 p c 。其次 ， 国标 G B Z 1 8 8 9 0 1 2 o 0 2要求 ： “ 半 导电屏蔽层与绝缘层界 面应无大 于 0 0 5 mm的微 孔” 。因此 ， 本软接头的内屏蔽层恢复 ， 采用 的是与 电缆本体相同的半导 电内屏蔽料制作 的专用胶带 ， 以绕包半导 电尼龙专用胶带 ， 再用 紧压模工艺 ， 以 2 5 0 。 C左右 温度 、 保温 2 0 mi n ， 通 过加 压 加 温方 式恢 复内屏蔽层。这样处理后的内屏蔽层与后期填补的 挤包绝缘层之间融合紧密、 无气隙。 2 3反 应力 锥制 作 制作 时需 保证 反应 力锥 表 面光滑无 毛刺 。 2 4挤 包交联 聚 乙烯绝 缘 根据国外的相关资料介绍 ， 目前国际上超高压 交联电缆接头大致有两种方法制作 ： 一是包带模塑 法 ， 二是挤塑模铸法。 前一种方法是 ： 先将 X L P E电缆料制成一定规 格的薄膜带 ， 用核辐射工艺处理先期制成 “ 半硫化 幅照交联带” 备用。接头时用交联带一层层缠绕包 覆在焊接好的线芯上达到一定尺寸， 再用成 型模具 加 0 6 MP a空气压力 、 1 6 0。 C左右高温硫化成型。 第二种方法是 ： 用挤塑机将 电缆 X L P E绝缘料 直接挤入成型模 中， 再在特制硫化模具 中加压 、 高温 硫化成型 ， 国外通常称为 E M J 接头。 上述两种超高压交联 电缆软接头制造方法， 国 际上各个不同国家都有 采用。2 0 0 0年我 国武汉市 1 3 2 0 1 1 年第 i 期 No 1 2 011 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 1 年 2月 Fe b， 2 011 引进的德国 2 2 0 k V X L P E电缆在施工中接头， 采用 的是第一种“ 包带模塑法” 。其缺点是： 一层层缠绕 包覆的交联带虽然经过加压高温硫化 ， 但其层 与层 之间必然存有少量 间隙 ； 制备 的半硫化交联带无法 避免带有污染尘埃 ； “ 包带模塑法” 工艺技术对接头 制作环境、 温度 气候( 是否阴雨潮湿) 要求苛刻 ； 制 作 工艺复 杂 ， 对操 作工艺技 术人 员素质 要求特 高 ， 技 术难掌握。因此使用第一种“ 包带模塑法” 交联电 缆接头技术很难达到优秀的电气性能指标， 通常做 出的交联 电缆接 头 “ 局 放 量 ” 均远 大 于 5 p C， 约 在 8 1 2 p C之 间 。 第二种方法 ， 据有关资料介绍 ： 国外厂家制作超 高压 X L P E电缆的中间接头时， 若挤包 X L P E绝缘 的工 艺过程 中 ， 一 次挤 出的厚度过 大 ( 1 5 3 0 m m) ， 则在后期加压加热硫化工艺中， 将产生大的气孔 ， 这 个难 题 至 今 还 未 解 决 。 因 此 国外 厂 家 对 超 高 压 X L P E电缆如果采用“ 挤塑模铸法” ， 均采取“ 分层挤 塑硫化” 工艺方式。这样势必使每套超 高压 X L P E 电缆 软接 头制造 工 期延 长 。据 报 道 ， 国外 厂 家 制造 1 1 0 k V以上高压交联电缆接头一套三只， 需耗时 3 4个 星期 ， 甚 至工期超 过 1 个 月 。 其次 ， 按 G B Z 1 8 8 9 0 1 2 o 0 2要 求 ： “ 成 品 电 缆绝 缘 中 应 无 大 于 0 0 5 mm 的微 孔 ； 大 于 0 0 2 5 m m、 小 于或等于 0 0 5 m m 的微 孔 换 算 到 1 0 c m 体 积 中微孔数 应不超 过 l 8个 ” 。为 达到 上 述要 求 ， 并 缩短制作时间 ， 提高电气性能 ， 本软接头的制作采取 如下 措施 ： ( 1 )采用与电缆本体同一种绝缘料挤制恢复绝 缘层 ； ( 2 )采 用专用 的交联 料挤塑 机和特 制 的模 具进 行绝缘层的恢复。 针对 接 头工 艺及 施 工环 境 的特 殊需 要 ， 设计 研 制了海上环境 中专用 X L P E料挤塑机， 供 X L P E软 接头 的制 作 。该 挤 塑 机 具 有 不 锈 钢 密 闭式 加 料 系 统 ， 更换料快 ， 不断料 ， 不滞料 ， 螺杆拆卸清洁方便， 挤塑机头与挤塑成型模具联接方便 ， 挤塑机温度稳 定 ， 调控方便 ， 在浪高不超过 0 7 m的海上环境中能 很好地使用等特点 而 特制的挤塑模具， 能很好地 与挤塑机头配套连接 ， 并采用特殊结构 ， 根据海浪起 伏的情况 自行调节 ， 保证挤塑均匀 ， 极大地减少了导 体的偏心。在模具 内部设置有弹性 内衬层 ， 使模具 有一定的弹性模膨胀空隙。挤塑时先将模具内腔温 度升至 1 0 5 。 C， 然后进行挤塑， 直到模具内注满绝缘 料为 止 。 2 5接头绝 缘的加 压硫化 针对 X L P E绝 缘 快速 硫 化 需 要 ， 研 发 设 计 了抢 修专用快装式高压 、 高温氮气硫化筒。 通常在 悬链 生产 线 中绝 缘 硫化 温 度控 制 在 3 5 0 。 C左右 ， 压力为 1 01 2 M P a 。为 了保证抢修 用软 接头 的施 工质量 ， 硫 化温 度控 制 在 3 0 0 o C左右 ， 压力为 1 4 M P a ， 同时适当延长硫化时间， 以保证硫 化质 量 ， 也避 免 了绝 缘 过度 硫 化 而导 致 出现 一 系列 问题 。 2 6 采用 X光 测偏摄像 仪对接 头进行质 量监 测 交联软接头制作工序 中， 采用弱 x光测偏摄像 仪 ， 对每一根 中间接头工序过程进行必要的测控摄 像 ， 并可根据客户要求提供每套接头的测控摄像资 料 。 ： 2 7 恢复 电缆铅管 护套 铅管护套的恢复采用径向环状焊接工艺。铅管 焊接采用氢氧火焰焊接 ， 保证焊接的牢 固性与整体 的密 封性 。 2 8电缆铠 装层 的恢复 抢修用软接头制作完成后 ， 随后立即进入下一 步铠装层恢复工序。本公司下属的海缆研究院分析 研究 了海底电缆的实际使用状况， 针对海底电缆抢 修的特点 , fl行开发设计了专用铠装层恢复用保护 外壳 ， 如 图 3所示 。 图 3 铠装层恢复用保 护外壳结构示意图 该铠装层恢复用保护外壳不仅能很好地保护内 生影响。在保证内部 电气性能运行 良好的同时 ， 铠 部抢修用软接头， 而且能连接受损两端 的铠装层钢 装层恢复用保护外壳又能很好地起到与海床礁石的 丝 ， 起到恢复铠装层的作用 ， 同时对整体抢修用软接 缓冲耐磨作用 ， 并对抢修用软接头 的机械和电气性 头进行密封防腐， 以防止水分进入后对电气性能产 能起到了双层保护。 2 0 1 1 年第 1 期 No 1 2Ol l 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 1年 2月 Fe b ， 2 011 3抢修用软接头的测试试验 为保证接头质量 ， 在研发阶段 对软接头 的各项 电气性 能及 机械 性能 做 了全面 测试 。物 理机 械性 能 和 电气 性能 测试 结果 见表 1 和 表 2 。 表 1 软 接 头 物 理 机 械 性 能测 试 结 果 检验项 目 技术要求 检验结果 绝缘微 L 数量( 直径 5 0 m) 0 0 绝缘微孔数量( 直径 2 5 Ix m， 5 0 m) 3 0 4 热循环试验 ( 热循环期 间施加 电压 ： 2 U 0 ) 符合要求 老化前绝缘性 能 抗 张强度 MP a 1 2 5 1 9 3 断裂伸长率 2 0 0 5 l O 老化后绝缘性能( 1 3 5 。 C， 7 d) 抗张强度变化率 2 5 1 8 断裂伸长率变化率 2 5 1 4 将试样 弯曲成 U字形 ， 导体加热 到 9 51 0 0 。 C， 以加热 8 h 、 自然冷却 1 6 h为一个周期 ， 每个周期内导体温度 在规定的温度 范围 内至少保持 2 h ， 共进行 2 0个周期。 表 2软 接 头 电 气 性 能 测 试 结 果 检验项 目 技术要求 检验结果 导体直 流电阻 ( 1 l k m) 0 0 3 6 6 0 0 3 6 1 弯曲试验后局部放 电量 ( 1 5 U 0 ) p C 5 1 2 冲击 电压试验 不击穿 未击穿 ( 9 51 0 0 。 C； 5 5 0 k V 1 0次 ) 冲击 电压试验后的交流电压试验 不击穿 未击穿 ( 1 6 0 k V， 1 5 m i n ) 老化前 ( 9 0 。 C) 导体屏蔽电阻率 ( n m) 1 0 0 0 1 4 2 l 绝缘屏蔽电阻率 ( n n 1 ) 5 0 0 0 5 2 4 相容性老化试验后 ( 1 0 0 。 c， 7 d ) 导体屏 蔽电阻率 ( n m) l 0 0 o 1 5 6 7 绝缘屏蔽 电阻率 ( n m) 5 0 0 2 0 9 在海上环境 中抢修海底 电缆 ， 做上述各项测试 具 有很 大难 度 ， 且 对海 底 电缆 的本 体存 在 损 害 。 因 此 ， 在这种情况下， 可通过耐高压测试来进行检测。 大长度海底交联电缆抢修用软接头的现场试验采用 “ V F S R 1 2 0 0 0 1 6 0型 0 1 H z 超 低 频 交 流 高 压 测 试 仪 ” 。 使用 0 1 H z 交 流高压测试仪 V F S R不会 损害 良好状态下 的电缆绝缘 ， 相比直流高压测试设备 ， 可 在 电压更低 的情况下发现电缆故障。 4 海底 电缆 抢修用软接头 的施 工要点 本接 头 于 2 0 0 7年初 通 过 了工厂 内部 试验验 收 ， 2 0 0 7年 5月 开始 小范 围在 舟 山群 岛 海域 应 用 ， 连续 安全 运行 至今 ， 证 明抢 修用 软接 头安 全 可靠 ， 完 全实 现 了设 计 目标 。 应该说 ， 抢修用软接头 的制作环境要求并不苛 刻， 关键是要保证在接头工期 内海上有 良好 的气象 环境条件， 无大风大雨即可进行操作。接头工作船 要 保证 连续 的水 电供 应 。通 常 ， 接 头工 作 船 应 预 先 设 置 四方锚 ， 保证 船体 不得 随 潮汐 任意 漂移 和打转 ； 接头工作船引缆出水 两端 固定牢靠 ； 接头区内电缆 相对稳定不发生拉拔位移 ， 其它工作条件与环境要 求与陆上接头相同。整个施工过程所需时间大致为 9 h左 右 ， 相 比较 现 有 的预 制 式 接 头 的 施 工 制 作 时 间大 约为 8 h ， 施 工 时 间几 乎 相 等 ， 但 在 电气 性 能 的 可靠程度上却更具优势。 5 结束 语 本抢修用软接头实现了在海上环境进行施工制 作 ， 对天气条件要求不高， 并能满足电气性能及机械 性能 的各 个指 标 。配有 专用 交联 料挤 塑机 和特 制模 具 的工程 施工 人员 能 在 接 到 抢 修 维 护任 务 后 ， 在 极 短的时间内对故 障点进行抢修维护， 从 而大大减少 了电力用户的经济损失 ， 且抢修维护后 的受损点性 能稳定 ， 可靠性好 ， 避免了在同一受损点反复维护所 带来的损失。本软接头的研发成功对海底 电缆的抢 修 维护 具有 重大 意义 ， 可 大大缩 短 了抢修 维护 周期 ， 提高了抢修维护质量 ， 减轻 了工人劳动强度等。展 望海底电缆的发展， 该抢修用软接头有着广阔的市 场应用前景。 参 考 文 献 ： 1 G B Z 1 8 8 9 0 1 2 o 0 2额定 电压 2 2 0 k V( U =2 5 2 k V) 交 联 聚乙烯绝缘 电力 电缆及 其 附件 第 1部 分 ： 额定 电压 2 2 0 k V ( U =2 5 2 k V) 交联 聚乙烯绝 缘 电力电缆 及其 附件的 电力 电 缆系统试验方法 和要求 S 2 G B T 1 6 9 2 7 2 1 9 9 7 高 电压试 验技术 第二 部分 ： 测量系统 S