三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之二_工艺设计及设备.pdf

2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之二 工艺设计及设备 吴建宁， 郑运焱， 吴弘 ( 宜昌联邦电缆有限公司， 湖北 宜昌443007) 摘要: 对交联聚乙烯绝缘三芯光电复合海底电力电缆的工艺技术及关键的制造装备进行了介绍。 关键词: 三芯光电复合海底电力电缆;交联聚乙烯绝缘;钢丝铠装;工艺;装备 中图分类号: TM247 9;TN818文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 04- 0016- 04 Design and Production of Three Core Power Optical Cable Composite Submarine Cable Part II: Process Technology and Production Equipments WU Jian- ning，ZHENG Yun- yan，WU Hong ( Yichang Union cable Co，Ltd，Yichang 443007，China) Abstract:This paper presents systematically the process technology，production equipment of XLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable Key words:three core power optical fiber cable composite submarine cable;XLPE insulating;steel wire armored; process technology;production equipment 收稿日期: 2011- 12- 01 作者简介: 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 电线电缆 2012 年第 3 期刊登了 三芯光电复 合海底电力电缆的设计与制造之一 结构设 计 ， 本文介绍海底电缆的工艺设计及设备， 并对两 个主要电性能试验项目做了说明。 1三芯光电复合海缆的工艺设计及设备 海底电缆的生产工艺流程如下: 阻水导体绞制、 半导电阻水带绕包导体屏蔽、 绝缘和绝缘屏蔽挤 制去气处理半导电阻水带绕包合金铅套管挤 制塑料增强保护层立式成缆机绞合并复合光缆 单元成缆捆扎钢丝装铠及内衬层、 外被层。 1 1阻水导体的工艺设计 ( 1) 导体一般采用多层正规绞合， 分层嵌入阻 水带， 分层紧压成形， 同时导体与导体屏蔽层之间也 应有绕包的半导电阻水带。绞制阻水导体时， 小截 面的导体加嵌阻水带可采用平拖或随绞笼转动带入 方式， 大截面导体的半导电阻水带可采用与绞线机 同步的绕包头绕包方式。 在绕包导体与导体屏蔽层之间的半导电阻水带 后， 还要加绕一层起防护作用的无纺布带， 这层防护 带在挤制交联聚乙烯( XLPE) 绝缘进入机头前予以 拆除。半导电阻水带与无纺布带应在导线绞制时， 由同步绕包头一次绕包完成。 ( 2) 绞制好的阻水导体如不能及时投入下道工 序， 则必须置于烘房内， 防止阻水带吸潮， 特别是阴 雨天更应注意。否则， 吸潮严重的线芯将严重妨碍 后道工序， 尤其是电缆绝缘的挤制。 ( 3) 随着国内海底电力电缆制造工艺技术的进 步， 110 kV 海底电缆制造长度要求大于 16 km， 35 kV 海缆要求达到 30 40 km。常规的立柱式收、 放 线架已经无法满足大长度海缆的制造工艺需要， 为 此， 设计了转盘式收放线机， 作为海缆制造中间工序 的收、 放线周转。转盘式收放线机典型设计见图 1， 其基本参数为: 转盘最高转速 1 8 2 5 r/min， 内圈 最高收线速度20 m/min， 最大载重量300 600 t， 最 大收线直径 200 mm。可根据不同的海缆制造工序 及用途， 选择相应的结构尺寸， 直径小于 10 m 的转 盘可以不设置外圈承重轮轨系统。 用于承载铜导体， 可选择载重量 350 t 左右、 直 径6 8 m 的移动式转盘。用于绝缘线芯周转， 或是 作为去气房用承线转盘， 可选择载重量 500 t 左右、 直径 10 12 m 带外圈承重轮轨的大转盘。 图 2 是用直径 8 m 的转盘进行铜导体的收、 放 线， 图 3 是在蒙古包形去气房内用直径 10 m 的转盘 图 1转盘式收放线机示意图 1 电缆承线旋转托盘2 回转支撑轴承 3 驱动齿轮箱4 转盘驱动电机 5 承重底盘6 外圈承重轮轨系统 进行绝缘线芯的收、 放线。 图 2直径 8 m 的转盘式收放线机 图 3直径 10 m 的转盘式收放线机 及蒙古包形去气房 1 2三层共挤的工艺设计 ( 1) 导体屏蔽、 绝缘、 绝缘屏蔽采用从德国特勒 斯特( TROESTER) 公司引进的三层共挤交联电缆生 产线制造。由于挤出机的螺杆及流道设计合理、 无 死角， 各个温区温度控制精度较好， 不易产生老胶。 再加上采用陶氏公司超净化高压 XLPE 绝缘料， 能 够连续开机 7 10 天不停车， 保证了大长度的生产。 对于要求单根长度达 15 20 km 的无接头 220 kV 绝缘线芯， 则可以采用 TROESTER 公司的含 2 台主绝缘挤出机的四机共挤 XLPE 绝缘生产线( 见 图 4) ， 可以保证 600 kg/h 的 XLPE 绝缘挤出量。 图 4四机共挤 XLPE 绝缘生产线 ( 2) 为了保证大长度海底电缆的质量， 应采用 高一个电压等级、 优质的超净化 XLPE 绝缘料， 不允 许采用低档的 XLPE 绝缘料。否则由于交联机组连 续长时间开机， 机身滤网上的杂质、 老胶的积累， 容 易出现质量不稳定， 甚至击穿。 1 3绝缘线芯的去气装置 挤塑好的绝缘线芯， 要经过去气处理后才能投 入下一道工序， 这一点对于大长度海底电缆尤其重 要。否则绝缘线芯内产生的大量气体会沿着密封的 铅护套向电缆两端扩散， 影响海底电缆终端或预制 式中间接头的安全运行。 ( 1) 如图 3 所示， 去气在移动或固定式蒙古包 形去气烘房内进行， 并采用转盘式收放线机收卷绝 缘线芯。 ( 2) 大长度海缆由于重量较重， 收卷在转盘上 做去气处理时， 处于转盘底层的绝缘线芯承受的压 力较大。如果去气温度设定得过高， 处于转盘底部 线芯的 XLPE 绝缘层有可能压扁受伤。因此， 转盘 式收放线机直径要设计得大些， 并控制收线转盘上 堆积的绝缘线芯高度。同时， 为避免转盘底部的绝 缘线芯受热而压扁变形， 去气烘房的温度不宜过高， 一般控制在 65 70 即可。如去气房温度设定得 偏低， 可适当地延长去气处理的时间。 1 4铅护套的工艺设计 ( 1) 电缆的铅护套制造采用 150 或 200 螺杆 式连续挤铅机。挤铅机生产线上配置有超声波铅套 厚度测试仪， 用于铅套厚度的无损伤监测， 确保铅层 的厚度和均匀性。 ( 2) 海底电缆合金铅料的选购 大长度海缆采用 E 合金铅。为了保证铅套连 续挤出， 中间不停车， 采购的合金铅料质量一定要 好， 铅料到厂后要做化学成分分析。不得采用非正 71 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 规厂家的废品回收铅， 因为回用铅成分杂， 容易堵塞 熔铅管流道， 造成无法连续挤铅而停车。 ( 3) 挤铅工序注意事项 海底电缆在挤铅工序中， 向电缆盘上收卷时， 要 注意电缆铅套层与层之间要垫衬防粘纸。如果不做 垫衬， 则铅套在重力和相互摩擦的作用下， 会产生粘 滞旋转， 拉坏铅套， 或乱线、 无法放线。 应注意多留出数米的电缆， 以方便制作海缆软 接头并进行电气性能试验。 挤铅机每次开机前， 应全面检修保养， 以保证能 长时间开机不停车。一旦挤铅机因故障停车， 应及 时拖出线芯， 保证整根电缆不被烫伤。拖出的电缆 需要进行剥铅处理， 修复半导电阻水带后， 再重新挤 制铅套。 1 5塑料护层的挤塑 铅护套外的塑料护层常采用改性中密度聚乙烯 护套料。电缆铅套在进入挤出机之前， 加有一台沥 青熔化喷淋装置， 在铅护套外浇上一层沥青， 抹匀 后， 再挤包聚乙烯护套。塑料护层虽然没有厚度要 求， 但也不允许有破洞， 发现有洞要及时修复。 1 6成缆与钢丝铠装绞制方向的设计 海底电缆在成缆及钢丝铠装过程中， 存在着一 定量的剩余扭转应力。在敷设过程中剩余扭转应力 得到释放， 引起海底电缆的径向旋转。在浅海区域 敷设时， 这种旋转是有限的， 不至于产生严重的后 果， 但是在深海区域敷设， 电缆的径向旋转如处理不 当， 会造成比较严重的事故。轻则金属屏蔽层受损， 重则导电线芯或光缆单元直接被拉断。 海底电缆的成缆与钢丝铠装绞制方向的设计应 注意以下几点: ( 1) 海底电缆如采用粗钢丝铠装， 应与客户做 好技术研究和协商， 设计成缆与钢丝铠装绞合方向。 ( 2) 在设计海缆时， 要向采购方询问清楚海缆 的运输及敷设方式， 海缆运输、 敷设船上是否有动力 转盘式收放线机。如果船上没有大型动力转盘， 而 是采用在船舱中自然下垂的盘绕方式收卷海缆， 航 行到敷设海域再采用高位退扭盘绕方式敷设， 如图 5 所示。则单层粗钢丝铠装海底电缆的成缆绞向与 钢丝铠装绞向应设计为同一方向， 一般为左向。 如果采用动力转盘式收放线机收卷和敷设海底 电缆( 见图 6) ， 则海缆成缆绞向与钢丝铠装绞向， 不 受限制， 一般可采用相反的绞制方向。 ( 3) 石油勘采用深海动、 静态电缆和深海敷设 的双层粗钢丝铠装海底电缆， 两层钢丝铠装绞制方 向应相反， 一般内层取右向、 外层取左向。同时应结 图 5盘绕模式收卷、 敷设海底电缆 图 6大型动力转盘收卷、 敷设海底电缆 合海缆铜导体以及内外层钢丝的绞合回扭应力， 以 “无旋转扭矩的平衡电缆” 模式， 计算与选择两层铠 装钢丝的机械强度及钢丝直径， 使电缆的扭应力基 本平衡。对于这类无旋转的双钢丝铠装海底电力电 缆， 应采用动力转盘式收放线机收卷和敷设。 ( 4) 海底电缆的收卷与敷设， 有一个重要原则 是 “怎么收上去的， 怎么放出来” 。不允许采用动力 转盘收卷了海缆， 吊运到敷设现场后， 又采用高位退 扭盘绕方式敷设。 1 7托盘式立式成缆机和钢丝铠装机 为了满足 220 kV 交流三芯光电复合海底电力 电缆的生产要求， 我公司与国内电工机械制造厂合 作， 设计出了托盘式立式成缆机和钢丝铠装机。 将以往海底电缆立式成缆机的线芯装载线盘由 标准立式线盘， 改为卧式的大型托盘。能装载更长 的绝缘线芯， 且设备运行平稳。 同时， 将以往钢丝铠装机采用的双轮牵引机， 改 为履带式牵引机， 使海底电缆的光、 电单元不受到侧 压力和走位形变应力的破坏。 1 8挤塑交联型软接头 由于海缆制造长度所限， 超过一定长度仍需做 81 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 中间接头， 为此开发出了 35 220 kV 级 XLPE 绝缘 海底电缆的挤塑交联型软接头， 具有优良的电气性 能和机械性能， 并已通过了型式试验。 2海底电缆的电性能试验 JB/T 11167 12011 是 参 照 CIGRE- 21- 02- Electra- 189 标准， 并结合近年来国内海底电缆的工 程实践制定的， 以下就大长度海缆的两个主要电性 能试验项目做一说明。 ( 1) 局部放电试验 根据 CIGRE- 21- 02- Electra- 189 标准的要求， 应 在电缆的首端和尾端取一段试样进行局部放电测 量， 如果电缆较短， 应按 IEC 885- 3 整根挤出电力电 缆局部放电测试方法进行。 ( 2) 交流高电压试验 每一根交货长度的海底电力电缆都应做交流工 频高电压试验。如果因电缆太长， 无法做交流工频 高电压试验， 可以参照 IEC 60840 标准采取其它的 试验方法， 但应与客户协商一致。 针对大长度海底电缆高电压试验的特殊要求， 我们采用变频串联谐振高电压试验装置进行耐压试 验。图 7 为 360 kV、 40 500 kVA 变频串联谐振高电 压试验装置。 其最高试验电压为 2 台电抗器串联 360 kV; 试 验频率 20 300 Hz; 试验最大容量 40500 kVA; 电抗 器并联最大工作电流 225 A。可用于长 50 km 的 110 kV 海缆的耐压试验， 或30 40 km 的220 kV 海 缆的耐压试验。 3结束语 我公司生产的 35 110 kV 大长度 XLPE 绝缘 海底电力电缆和挤塑交联型软接头多次送检， 都通 过了严格的型式试验。交付客户使用至今未发生过 图 7变频串联谐振高电压试验装置 断芯和击穿等故障。交付中海油的在渤海湾石油开 采、 钻井平台用的海底电力电缆， 不但代替了价格昂 贵的进口电缆， 节约了大量资金， 同时也保障了国家 海上石油勘采工程的安全。 参考文献: 1CIGRE- 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 2IEC 60840: 2004额定电压30 kV( Um=36 kV) 以上至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 3GB/T 1270632002额定电压1 kV( Um=12 kV) 到35 kV ( Um=405 kV) 挤包绝缘电力电缆及附件S 4JB/T 1116712011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 第 1 部分: 试验方法和要求S 5Thomas Worzyk 著 应启良， 徐晓峰， 孙建生译 海底电力电缆: 设计、 安装、 修复和环境影响M 北京: 机械工业出版社， 2011 6Yusuke Yano，Shinichi Takagawa，Shinicki kazuhike Tsukada，et al Design method of non- rotational torque balance cable for deep- sea research equipmentZ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 勘误: 本刊 2012 年第 3 期刊登的 我国发展直流海底电力电缆的前景 一文勘误如下: 第 6 页右栏表 4 下第 5 行 “油纸电缆绝缘在直流预压后产生空间电荷积聚， 使反极性雷电冲击击穿电压下降， 影响其直流电压下可 靠运行性能。 ” 更正为 “油纸电缆绝缘在直流预压后产生空间电荷积聚， 使反极性雷电冲击击穿电压下降， 但不影响其直流电压下可靠运行性能。 ” 91 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012