新型海岸灘涂風電場光電復合電力電纜的研制

王科好，馬 軍，錢子明

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

某沿海潮間帶風電場項目工程用光電復合電力電纜(以下簡稱光電復合纜)要求:

(1)電纜敷設于風電場區(qū)潮間帶上，電纜直埋于海床下1～2 m，海水深度約2 m;

(2)導體標稱截面3×240mm2，額定電壓26/35 kV;

(3)電纜段長要求不低于1000 m;

(4)要求徑向和縱向阻水;

(5)電氣性能符合GB/T 12706—2008要求;

(6)光通信的光單元由8芯低水峰單模光纖(用于信號傳輸)構成，傳輸參數(shù)符合ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標準化部)G 652(2000)標準的單模光纖的要求;

(7)必須滿足海岸灘涂光電復合纜運輸、敷設和海岸灘涂苛刻環(huán)境的要求，使用壽命30年。

我公司與某勘測設計研究院合作，根據(jù)某沿海潮間帶風電場的特點，組織科技人員，利用亨通集團光(電)通信、電力傳輸方面的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，調(diào)動相關資源，對該光電復合纜的用途、要求、敷設路徑、運行環(huán)境等方面進行了深入研究和探討，最終形成了成熟的設計方案。

1 海岸灘涂風電場光電復合纜的設計

海岸灘涂風電場光電復合纜的設計重點:一是如何實現(xiàn)苛刻環(huán)境下復雜的防水要求;二是必須具備多重耐腐蝕功能;三是光通信的光單元放在復合纜中的哪個位置才能得到很好保護，能經(jīng)受大張力的絞合成纜、運輸、敷設的考驗。當然，還應進行復合纜中的電力電纜和光通信的光單元設計。如何滿足復合纜的段長要求，也是設計和制造需要考慮的另一個方面。

1.1 復合纜的防水結構

當復合纜長期與水接觸時，如果本身結構上沒有防水密封，則很容易有水分滲透到復合纜內(nèi)部。導體遇水長期運行會導致氧化腐蝕，導體電阻偏大;絕緣經(jīng)水侵蝕，在電場的作用下會產(chǎn)生“水樹枝”，導致絕緣加速老化而造成電纜故障。對于用于沿海灘涂的復合纜，如果結構上不考慮防水，則一旦進水，復合纜的使用性能勢必急速下降，壽命縮短，因此復合纜的防水性能是否滿足使用要求至關重要。

防水性能包括徑向防水和縱向防水兩個方面，以下分別進行闡述。

1.1.1 縱向阻水功能

因為26/35 kV海岸灘涂風電場光電復合纜為三芯結構，所以縱向阻水必須考慮導體、絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間的間隙，和成纜后三根絕緣線芯之間的間隙的存在。

通常，為了實現(xiàn)導體的縱向阻水功能，可以采用兩個措施:一是采用實心導體;二是導體采用絞合結構，并在絞合過程中，填入吸水膨脹的阻水材料。依據(jù)相關標準，采用實心導體顯然是不合適的，只能采用絞合結構。由于敷設環(huán)境決定了復合纜一旦進水將以極快的速度蔓延，所以各層導體之間都必須考慮阻水，而且導體絞合結構應是正規(guī)絞合，在每層絞線外需繞包適當寬度的半導電阻水帶，可保證導體的電性能不受影響。采用這種結構，在導體絞合緊壓過程中，阻水帶會局部破裂，但其中的阻水粉仍會很好地充填于絞線的縫隙中，保持導體的阻水性能。

對于絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間存在的間隙，采用在絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間繞包半導電阻水帶的方式實現(xiàn)阻水。同時，通過半導電阻水帶與單面銅塑復合帶金屬一面的接觸，實現(xiàn)了絕緣屏蔽與銅塑復合帶的等電位，起到了均衡電場的作用。

成纜后三根絕緣線芯之間的間隙阻水，常用的有阻水紗、阻水粉及阻水繩。它們的阻水機理是:當水分從復合纜端頭或是從護套缺陷中進入后，這種含有吸水膨脹粉末的材料就會迅速膨脹，并阻止了水分沿復合纜縱向進一步擴散，從而將水分的影響限制在局部的受損處，實現(xiàn)了電纜縱向防水的目的?？紤]到阻水的實際功能和成本因素，我們采用了阻水繩實現(xiàn)線芯間的縱向阻水。

1.1.2 徑向阻水功能

每相線芯采用了“增強銅塑復合護層+特種聚乙烯(PE)護套”阻水防腐層新技術。該技術是國際上已成熟應用了多年的深海電纜的防水結構設計。法國的NEXANS公司、意大利的PRYSMIAN公司和世界上最著名的專業(yè)設計制造海纜的英國的JDR公司都有類似結構的海纜?？v包時單面銅塑復合帶先經(jīng)過特殊的工裝，進入擠出機機頭后擠包特種PE護套。因為銅塑復合帶的一側為高分子材料，所以在成型進入機頭后，在高溫和一定的壓力下，可使特種PE護套與銅塑復合帶表面的高分子材料完全粘結密封(縱包銅塑復合帶有部分搭蓋)，水分幾乎無法滲透。線芯成纜后，內(nèi)、外護套采用阻水效果優(yōu)良的改性中密度聚乙烯(MDPE)，既可實現(xiàn)徑向阻水，又可耐海水腐蝕。

1.2 復合纜的耐腐蝕結構

沿海灘涂復合纜的敷設，必然要穿過海水。海水本身為電解質(zhì)，有原電池效應，因此復合纜的耐腐蝕功能也是設計考慮的重點。前面徑向阻水功能設計中提到的“增強銅塑復合護層+特種PE護套”阻水防腐層，既可實現(xiàn)徑向阻水，又有很好的防海水腐蝕作用，而且這種特殊結構還可增強電纜的綜合力學性能。復合纜鎧裝層設計根據(jù)灘涂電纜敷設路徑及運行環(huán)境要求，遵照用戶需要采用鍍鋅鋼絲，內(nèi)護層采用特種憎水型PE材料，外護層采用耐腐蝕改性MDPE材料，進一步增強復合纜的耐腐蝕性能。

1.3 復合纜的光通信的光單元位置

在復合纜中的電力電纜結構確定后，應進行光通信的光單元在復合纜中的位置設計，然后再確定光單元的結構。由于交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的導體長期允許工作溫度為90℃，而光纖的適用溫度通常最高不得超過60℃，所以設計時光單元應避免放置在導體內(nèi)或靠近導體的部位，通常放置在三相絕緣線芯的中心部位或邊緣空隙中。如果放在中心部位，復合纜在承受拉力作用時，光單元由于沒有絞合節(jié)距而呈直線狀態(tài)，將率先受力，而普通結構的光單元，能承受的短暫拉伸力只有2 kN左右，這無法滿足復合纜在制造和敷設時的拉應力。如果光單元放在三相絕緣線芯的邊緣空隙中，由于跟絕緣線芯同時絞合成纜，當復合纜中的纜芯受到拉力作用時，光單元和絕緣線芯同時受力，這樣所承受的拉力較小，再加上光單元設有一定的光纖余長，拉應力不會對光纖的傳輸性能構成影響。為避免光單元在與電力電纜的成纜絞合過程中被擠壓，將光單元復合在填充物中，這種結構設計可有效保護光單元的安全。

1.4 光單元結構

由于沿海灘涂地貌復雜，高低起伏不平，因此復合纜敷設時將因各種因素制約承受較大的拉力。為確保光單元滿足灘涂苛刻使用環(huán)境和使用條件，設計了有一定光纖余長的松套層絞式結構。松套管材料采用激光焊接的不銹鋼管，不銹鋼帶材性能應符合GB/T 4239的規(guī)定。由于光單元中的光纖為二氧化硅材料，脆而易受損傷，所以在不銹鋼套管中采用纖膏。這既可保護光纖，又能防止水分和潮氣的滲入而產(chǎn)生氫損現(xiàn)象，保證光纖性能長期穩(wěn)定。光單元中的內(nèi)外護套均采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，同樣是考慮光單元的防水功能。在光單元與電力電纜的成纜過程中和光電復合纜的敷設過程中，光單元也不可避免地承受一定的拉力，因此，光單元中采用絞合節(jié)徑比不大于14的低碳鍍鋅鋼絲鎧裝，然后用繞包帶繞包，以保證結構的穩(wěn)定。光單元結構示意圖如圖1所示。

圖1 光單元結構示意圖

1.5 復合纜護層

根據(jù)敷設的最大海深，計算出敷設時所需承受最大拉力，確定復合纜鎧裝層鋼絲采用直徑為Φ4.0的低碳鍍鋅鋼絲，內(nèi)外護層采用特種PE材料。

1.6 復合纜結構

在綜合考慮了功能的實現(xiàn)、工藝的實現(xiàn)難度、合理的制造成本等因素后，最終確認的復合纜結構見圖2。

圖2 26/35 kV海岸灘涂風電場光電復合纜結構

1.7 復合纜制造長度的段長

海纜的設計制造合同中往往規(guī)定定長供貨，即要求提供中間不允許有接頭的規(guī)定長度的電纜。因此，海纜的生產(chǎn)廠都無一例外地建在江邊或海邊，有大的收線場地，有自己的碼頭，以便于大長度電纜的收線和運輸、敷設。由于本次海岸灘涂光電復合纜供貨段長相對于海纜并不長，只有1000 m，因而只需考慮成纜的收線線盤和成品的裝線線盤是否可滿足要求。經(jīng)計算，復合纜的成纜并綁扎后的外徑為Φ105mm，成品外徑為Φ127mm，而我公司擁有的大型成纜設備可安裝超大型收線盤，成纜后纜芯收線長度可達1043 m，成品收線長度可達1061 m，完全可滿足復合纜段長不低于1000 m的要求。

2 金屬護套感應電勢計算

由于金屬護套是采用的單面銅塑復合帶，且金屬一面通過半導電阻水帶與絕緣屏蔽接觸(滿足均衡電場的需要)，而銅塑復合帶外面又有特種PE護套(防水功能實現(xiàn)需要)，很顯然該三芯電纜的金屬屏蔽層是互相不接觸的，所以不能適用電線電纜手冊第一冊第三篇電力電纜第2.3.5節(jié)金屬護套多芯電纜護套感應電壓可以忽略不計的結論。因此，必須通過計算，以確定其護套感應電壓是否能夠滿足安全要求。

因為三芯電纜的金屬屏蔽層互相不接觸，可以依據(jù)《電力電纜結構設計原理》中等邊三角形敷設三相電纜護套的感應電壓計算方法來計算，只不過導體間距不同而已，計算過程如下:

電纜的電感的計算:

式中，Xs為電纜的電感(H/m);Ds為電纜金屬護套的平均直徑(Ds=45.3mm);S為導體間距離(S=48.3mm);ω 為角頻率(ω =2πf)。

將上述已知參數(shù)代入上式可得:

電纜金屬護套感應電壓的計算:

式中，Us1、Us2、Us3分別為 A 相、B 相、C 相電纜金屬護套的感應電壓有效值;I1、I2、I3分別為A相、B相、C相電纜工作電流。

已知S=S1=S2=S3;I1=I2=I3=465 A，則

由于客戶要求段長僅為1000 m，因此該電纜金屬護套的感應電勢符合不大于50 V的安全要求。

3 復合纜的試驗

3.1 縱向透水試驗

阻水導體經(jīng)交聯(lián)三層共擠后，應通過IEC 60502附錄D中的透水試驗。試樣須進行10次加熱循環(huán)，每一次熱循環(huán)持續(xù)8 h。在整個試驗期間，試樣的兩端未有水分滲出，符合標準的規(guī)定。

3.2 徑向阻水試驗

電纜的徑向阻水性能，通常參照通信電纜行業(yè)標準(YD/T 322—1996銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內(nèi)通信電纜)中的試驗標準來判定其徑向防水的實際功能，即電纜充入50～100 kPa的干燥空氣或氮氣，在電纜全長氣壓均衡后3 h(有外護層電纜6 h)內(nèi)，電纜內(nèi)的氣壓不應降低。樣品經(jīng)檢驗，滿足要求。

3.3 耐海水腐蝕試驗

成品電纜的耐海水腐蝕性能(針對成品的改性MDPE外護套)應滿足表1所列的指標。

表1 耐海水腐蝕試驗

3.4 其它常規(guī)試驗

光電復合纜的其它常規(guī)試驗，包括直流電阻、局部放電、工頻耐壓例行試驗均依照GB/T 12706—2008標準執(zhí)行;光纖衰減試驗應符合表2所列的G652D單模光纖技術指標。抽樣試驗相比普通電力電纜，增加相線阻水充氣試驗(試驗指標同第3.2節(jié))、光單元滲水試驗(光單元一端接1 m水柱連續(xù)24 h，另一端無水滲出)和光單元結構尺寸檢查。

表2 G652D單模光纖技術指標

4 結束語

(1)我公司設計的海岸灘涂光電復合纜方案在經(jīng)客戶確認后，試生產(chǎn)部分樣品，經(jīng)檢測完全符合設計要求。

(2)電纜的設計開發(fā)，首先考慮的當然是功能的實現(xiàn)。在功能和使用壽命可以滿足使用要求時，再要考慮的重點就是成本因素。采用“增強銅塑復合護層+特種PE護套”阻水防腐層新技術，加上改性防腐護層的設計，既可滿足使用要求，適應海岸灘涂的使用環(huán)境，又降低了產(chǎn)品成本。該復合纜可以說是為沿海灘涂使用環(huán)境量身定做的一款產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景，市場潛力很大。

［1］王春江主編.電線電纜手冊第1冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］劉子玉，王惠明.電力電纜結構設計原理［M］.西安:西安交通大學出版社，1995.

［3］GB/T 12706—2008 額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［4］YD/T 322—1996 銅芯聚烯烴絕緣鋁塑綜合護套市內(nèi)通信電纜［S］.