三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之一——结构设计.pdf

2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 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) 摘要: 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。 关键词: 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 中图分类号: TM247 9;TN818文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 03- 0020- 04 Design and Production of Three Core Power Optical CablePart :Structure Design WU Jian- ning，ZHENG Yun- yan，WU Hong ( Yichang Union cable Co ，Ltd ，Yichang 443007，China) Abstract:This paper presents systematically the structure design of a long AC XLPE insulating three core power opti- cal fiber cable composite submarine cable Key words:three core power optical fiber cable composite submarine cable; XLPE insulation;structure design;pro- duction 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: 湖北宜昌市亭区民主路 1 号 443007 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 阻水导体2 导体屏蔽3 XLPE 绝缘 4 绝缘屏蔽5 半导电阻水层 6 合金铅套 7 塑料增强保护层8 填充条9 成缆捆扎带 10 内衬层11 钢丝铠装 12 外被层 13 光缆单元 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 3 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 名称标称厚度/mm外径/mm 阻水导体58 根/386300 半导电阻水带 + 导体屏蔽0 3 +14334 XLPE 绝缘 16 5664 绝缘屏蔽1 2688 半导电阻水带1 0 5703 合金铅套2 8759 塑料增强保护层2 6811 填充条( 成缆外径)1746 成缆捆扎带2 0 21754 内衬层2 01794 钢丝铠装92 根/601914 外被层 + 包带4 0 +021998 24 芯光缆单元 15 ( 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: T = 0 03Dg+ 0 8 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 合金名称 合金 牌号 合金元素与成分配比( 重量) /% 锑锡铜铅 铅锑铜合金A04 06002 0 06余量 铅锑锡合金E015 025 035 045余量 铅锑锡合金EL006 010 035 045余量 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 12 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 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 30822008 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 1 单模光纤2 光纤膏3 高模量聚酯松套管 4 填充绳5 中心增强钢丝 6 缆芯填充物 7 铝塑复合带纵包8 PE 护套 9 轧纹镀铬涂塑钢带纵包10 PE 护套 11 合金铅套防腐层12 高密度聚乙烯增强保护层 ( 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 1 单模光纤2 光纤膏3 高模量聚酯松套管 4 填充油膏 5 不锈钢松套管6 铠装内层磷化钢丝 7 铠装外层磷化钢丝8 高密度聚乙烯增强保护层 ( 下转第 26 页) 22 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 V2= b( D2 1 D 2 2) U2/4K2 =47( 752342) U2/4K2=52 510 75U2K2 式中， 碳粉下料电机转速 U2; 减速比 K2; 螺旋输料器 螺杆内径 D2= 34; 螺旋叶轮外径 D1= 75; 螺距 b = 47。由成型和螺旋下料体积相同得出: U2=318U3K2/52 510 75( 3) 假设螺旋输料减速比 K2= 50 时， 根据式( 3) ， 成型最小线速度为 1 920 mm/min， 得出螺旋输料器 的电机最小转速为 582. 5 r/min; 布料成型公称设计 线速度为 3. 5 m/min 时， 得出螺旋输料器电机的公 称设计转速为 1 062. 5 r/min。符合一般伺服电机 的选型要求， 运行速度有调高的空间。 4结束语 柔性阳极电缆是一种新型器材， 它的生产工艺 涉及的技术比较多， 集成多项关键技术。我们研究 生产工艺的目的， 主要为完成此工艺的生产设备的 研究奠定良好基础。工艺的可行性还要通过在生产 设备的研发过程中验证， 进行改进、 提高和完善。为 了支持国内柔性阳极电缆的生产， 打破国外公司在 该行业的垄断， 我们已研发出全自动电缆同轴包裹 碳粉生产柔性阳极特种电缆专用设备， 它是典型的 光机电一体化智能设备， 属多项现代先进技术的集 成创新项目。 参考文献: 1张有良， 王茹， 张国安， 等 提高热缩膜包装机送膜速度的 研究 J 食品与包装机械， 2011， 29( 5) : 21- 24 2张有良， 常晓煜， 张国安， 等 . 枕形袋立式包装机的膜预牵引 和成形制袋的研究J 食品与包装机械， 2010， 28( 5) : 20- 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 23 ( 上接第 22 页) 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。 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) 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 12706 32002额定电压 1 kV( Um= 1 2 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 S 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 殏 殏 殏 殏 电线电缆 编辑部声明 为适应我国信息化建设需要， 扩大作者学术交流渠道， 本刊已在“万方数据- 数字化期刊群” 全文上 网， 被 中国核心期刊( 遴选) 数据库 、 中国学术期刊综合评价数据库和中国科技期刊数据库( 全文版) 全文收录。作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意将文章编入该数据库， 请在来稿 时声明， 本刊将做适当处理。 凡在来稿中不明确表示作者不愿在 中国核心期刊( 遴选) 数据库 、 中国学术期刊综合评价数据库 和中国科技期刊数据库( 全文版) 收录及刊载者， 本编辑部均认为作者同意该文编入上述的信息网及数 据库， 并收录和刊载。 电线电缆 编辑部 62 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012