220kV大长度光纤复合海底电力电缆的研制.pdf

2 0 1 0年第 6期 No ． 6 2 O1 O 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 1 0年 1 2月 De c ．， 2 01 0 2 2 0 k V大长度光纤复合海底电力 电缆的研制 沈 佩 芳 ( 宁波海缆研究院 ， 浙江 宁波 3 1 5 0 4 0 ) 摘 要 ： 论 述 了 2 2 0 k V 大 长度 光 纤 复 合 海 缆 结 构 设 计 、 工 艺技 术 与 关键 装 备 的研 究 ， 以及 产 品性 能 试 验 。 关键词 ： 2 2 0 k V光纤复合海底电缆 ；交联聚 乙烯绝缘 ；大长度 ；工艺技术 ；关键装备 ； 试验 中图分类号 ： T M 2 4 7 ． 9 ； T N 8 1 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 6 ~0 0 1 - 0 3 De v e l o pme n t o f a La r g e Le ng t h 2 2 0 k V Su bmar i n e Co mpo s i t e Po we r Ca bl e wi t h Opt i c Fi be r s S HEN Pe i — f a n g ( N i n g b o R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S u b ma r i n e C a b l e s ，N i n g b o 3 1 5 0 4 0，C h i n a ) Abs t r a c t ：I n t e r ms o f a l a r g e l e ng t h 2 2 0 kV s u bma r i n e c o mpo s i t e p o we r c a b l e wi t h op t i c f i be r s ，t h i s pa p e r p r e s e n t s t h e c o ns t r u c t i o na l d e s i g n，ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d t h e i n v e s t i g a t i o n o f t he k e y e q u i p me n t a s we l l a s pr o d uc t p e r — f o r ma n c e t e s t s ． Ke y wo r d s ： 2 2 0 k V s u b ma r i n e c o mp o s i t e p o we r c a b l e wi t h o p t i c fi b e r s ；c r o s s l i n k e d p o l y e t h y l e n e i n s u l a t i o n ；l a r g e l e n g t h； ma n u f a c t u r i n g t e c hn o l o g y；ke y e q ui pme n t ；t e s t 0 引 言 自 2 0世 纪 5 0年代 美 国 G E公 司发 明并应 用 化 学交 联 工 艺 制 造 交 联 聚 乙烯 ( X L P E)电 缆 以 来 ， X L P E电力电缆以其电气性能 良好 、 耐热性能好 、 传 输容量大、 结构轻便 、 易于弯曲、 安装方便等特点 ， 已 逐 步取代 了充 油 电缆 ， 被 广泛 地 使用 在超 高 压 电 网 上 ， 最宜用 于长 距离 、 高落差 的海底 电缆 。 X L P E绝缘 海底 电缆 制造 技 术一 直 是 为世 界 公 认 的大型 复杂 的 技 术 工程 ， 尤其 是 X L P E绝 缘 光 纤 复合海底电缆， 它将光纤单元与电力 电缆复合在一 起 ， 同时输送 电能 和 传输 数 据 ， 既 节 约成 本 ， 又 降 低 敷设施 工次数 ， 还 可在 电缆 运行 过 程 中利用 通 信 光 纤链路 本身来 实现传 感 预警功 能 。 近年来， 随着海洋经济的发展 ， 对高压 X L P E绝 缘海底 电缆需 求逐年 增大 ， 国 内每年海 底 电缆 、 管 道 铺设 长度 接近 5 0 0 0 k m， 海 底 电缆 占整个 铺设 量 的 3 0 ％ 一 4 0 ％ 左右 。2 0 0 7年宁 波东 方集 团承担 了《 大 长度 2 2 0 k V光 电复 合 海底 交联 电缆 工艺 技术 与关 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 — 0 6 — 1 8 基金项 目： 国家 “ 十 一 五” 科 技 支 撑 计划 项 目子 课 题 ( 2 0 0 7 B AE1 9 B 0 2 ) 作者简 介： 沈佩芳 ( 1 9 6 4一) ， 女 ， 高级 工程师 ， 副 总工程 师 ． 作者 地 址 ： 浙 江 宁 波 市 高 新 区 扬 帆 路 9 9 9弄 1号 [ 3 1 5 0 4 0 ] ． 键装备研究》 的“ 十一五” 国家科技支撑计划项 目， 与上海电缆研究所合作 ， 研究大长度 2 2 0 k V光 电复 合海 底 电缆 产业化 工 艺 技术 和 关 键装 备 ， 解 决跨 海 电能和信息传输的网络瓶颈， 适应 中国电力、 电信建 设 和海洋经 济快速 发展需 要 。 1 2 2 0 k V光纤复合海底电缆 结构设计 海底 电缆对使用寿命和技术要求很高， 主要是 海 底 电缆 所处 的环境 恶劣 ， 海底地形 复杂环 境多变 ， 除 了应具 备陆上 电 缆 的基 本性 能 外 ， 还应 具 备 满足 海底 环境 变化所 特需 的各 种性 能 ， 如 海底 电缆 的阻 水性 能 、 机 械性 能 、 耐腐 蚀 性能 、 光 纤 传输 的防 护性 能等 ， 因此对其结构设计有更高的要求。 海 底 电缆 结 构 主 要 包 括 导 体 、 绝 缘 、 半 导 电 屏 蔽 、 纵 向阻水 缓冲层 、 铅套 、 外护套 、 内衬层 、 防蚀层 、 金属丝铠装层和电缆外被层 ， 并在内衬层 中设置光 纤单元。本次研制 的 2 2 0 k V光纤复合海底 电缆型 号规格 为 HY J Q 4 1 1 X 1 6 0 0+ 2 4 D+2 A 1 ， 结 构 示 意 图见 图 1 ， 结 构尺 寸见 表 1 。 海底 电缆导体设计与陆缆不同， 除了满足导电 性能要求外 ， 还必须具有很 高的阻水性能。G B ／ Z 1 8 8 9 0 --2 0 0 2标准规定 1 0 0 0 IT I m 以上导体应采用 分割导体结构， 但海底电缆的特殊使用环境 ， 采用分 割导体较难解决导体热膨胀后的阻水性能。通过对 国外海 缆结 构 的了解和大 量 的试 验验证 ， 截面 1 6 0 0 m m 导体采用 了圆形紧压结构加阻水材料 ， 提高了 2 0 1 0年第 6期 No ． 6 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca b l e 2 0 1 0年 l 2月 De c ．， 2 01 0 图 1 2 2 0 k V光纤复合海底 电缆结构 1 一阻水导体2一导体屏蔽3一X L P E绝缘4一绝缘屏蔽 5一阻水缓 冲层6一铅套7一外护套8一防蚀层9一内衬层 1 O一填充层1 1一光纤单元1 2一铠装层1 3一外被层 表 1 2 2 0 k V光 纤复合海底电缆结构 尺寸 项 目名称 标称厚度／ m m 直径／ mm 阻水导体 4 8 ． 0 导体屏蔽 1 ． 3 5 1 ． O X L P E绝缘 2 4 ． O 9 9 ． O 绝缘屏蔽 1 ． 2 l 0 1 ． 4 半导电阻水带 2 0 ． 5 1 0 4 ． 4 铅套 4 ． 0 1 l 2 ． 4 聚乙烯护套 3 ． 6 l l 9 ． 6 防蚀层 l 0 ． 1 5 l 2 O ． O 内衬层 2 ． 0 1 2 4 ． O 填充层 7 ． 5 l 3 9 ． O 光纤单元 q ,6 ． 0 l 3 9 ． 0 金属丝铠装 6 ． 5 1 5 2 ． 0 外被层 3 ． 5 1 5 9 ． O 导体的透水性 。对于更 大截面的导体结构， 宜采用 拱形 型线结构 。 绝缘采用全干式交联生产工艺， 可以减小微孔 数及 尺寸 。绝 缘层 根据耐 受工频 交流 电压和耐 受雷 电冲击 电压所 需要 的厚度决 定 。本规格 绝缘标称 厚 度 2 4 m m， 有较大的富裕度。 金属铅套其密封性能好 ， 可以防止水分或潮气 进入电缆绝缘 ， 耐腐蚀性能好 ， 弯曲性能好 。铅套厚 度设计 ， 充分考虑了短路容量和机械强度 ， 根据工程 实际情况， 可以增加导流铜线。 光 纤复 合 海底 电缆 光 单元 要求 比较严 格 ， 海底 电缆受 力时光纤 受 到 的应 变 应有 严 格 的 限制 ， 当海 底电缆受到所规定的工作负荷 时， 光纤不应有伸长 量。本结构设计采用两根光纤单元 ， 放置在 内衬层 外 ， 全截 面阻水设 计 ， 激 光 焊接 不 锈 钢松 套 管 ， 填充 ． ’ ． 防止氢损的触变型油膏 ， 外层使用热熔胶粘合剂解 决高密度外护套与不锈钢管间的阻水问题。测温光 纤可有效监测缆芯温度变化， 对过载或高温隐患进 行 预警 ， 提高海缆 长期运 行安 全性 。 为 了保 证高 压海缆 安全运 行和提 高使用 寿命采 用金 属丝铠 装 ， 防止 电缆 在 敷设 和运行 过程 中可能 遇 到 的机 械损伤 ， 同时 承受 机 械拉 力 和 敷设 时 产生 的拖曳力 ， 保证金属护套和塑料护套 的完整性。根 据海底电缆的传输电流和牵 引张力的要求 ， 可采用 扁铜 线和粗 钢丝铠 装结构 。单 芯电缆 宜采用 扁铜线 铠装 ， 若采用镀锌钢丝铠装时， 应充分考虑钢丝铠装 层交 流损耗 对 电缆载 流量 的要 求 。外 被层 由聚丙烯 绳等防水耐磨纤维及沥青复合组成， 能够起到很好 的防护保 护作用 。H Y J Q 4 1 1 x 1 6 0 0+ 2 4 D+ 2 A 1 光 纤复合海底电缆的技术参数见表 2 。 表 2 2 2 0 k V光纤复合海底电缆技术参数 项 目 技术参数 电压 V o ／ U ／ U ／ k V 1 2 7 ／ 2 2 O ／ 2 5 2 额定工频试验 电压／ k V 3 2 0 额定雷电冲击耐受电压峰值／ k V l 0 5 0 2 O ℃导体直流电阻／ ( 0／ k m) O ． 0 l l 3 9 0 ℃导体交流电阻／ ( n／ k m) O ． 0 l 8 7 5 电容／ ( ~ F ／ k m) 0 ． 1 9 3 2 工作拉力／ k N l 3 0 电缆外 径／ mm l 5 9 电缆空气中重量／ ( k g ／ m) 6 1 ． 5 电缆水中重量／ ( k g ／ m) 4 1 ． 0 2 大长度海缆工艺技术与关键装备研究 ( 1 )大长度绝 缘挤 出 。为 了保证关 键 的海底交 联电缆挤出工艺质量 ， 公司引进 了专门为海底 电缆 大长度 生 产 设计 的德 国 T R O E S T E R 交 联 设 备 。三 层共挤锥形机头 ， 流路畅通 ， 可开机时间长。交联热 源可分别从导体和绝缘表面双 向传人 ， 降低绝缘表 面温度 ， 提高传热效率， 并大大地降低了绝缘的热应 力 。采 用进 口的超净 X L P E绝 缘料 和超 光 滑半导 电 料， 可以保证大长度内外屏蔽及绝缘的无缺陷挤制。 ( 2 )收放线系统。针对大长度海底电缆生产， 自主设计制造了具备主动收放线功能的大型转盘式 的收放 线 系 统 。其 装 盘 容 量 大 ， 2 2 0 k V 1 x 1 6 0 0 m m 海缆单 根装 盘长度 可达 1 0 k m； 具 有 自动退 扭 、 同步 自动调节功能， 保证大长度无扭式收线。另外 还专门为大长度 电缆生产设计制造 了移动烘房， 可 以对大长度海缆进行脱气处理。烘房采用剩余气体 ●2 3 4 5 6 7 8 9 m B 2 0 1 0年第 6期 No． 6 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 1 0年 1 2月 De e ．， 2 01 0 压力检测 技术 ， 用 以精 确检 测 大 长度 电缆 绝缘 中残 余气体量 ， 可保证剩余气体压力在受控范围。 ( 3 )大长度铅套挤包 。采用连续挤铅机， 确保 了金属套的大长度生产及全密封 ， 使水分难以渗入。 还专 门引进 了在线 监 测铅 套 厚 度 的测 厚 仪 ， 其测 量 范 围大 ， 最 大 可测 量 外径 1 5 0 mm， 最 大可 测 厚度 为 6 ． 5 m m， 测试精度高， 生产时若有偏差能立即报警， 以确保大 长度海 缆生 产铅 套 厚度 的均匀和 无缺 陷挤 包 。 ( 4 )大长度 海缆成 缆铠装 。为 了保证 大长度 高 等级海底电缆生产 ， 独创立式成缆原理 ， 设计开发了 具有 自主 知 识 产 权 的 立 式 成 缆 机 ( 发 明 专 利 号 Z L 2 0 0 5 1 0 0 5 0 7 7 5 ． 0 ) ， 整 条 流 水 线 可 同 时 完 成 海 缆 及光纤复合海缆 的成缆 、 钢丝铠装 、 外被层绕包以及 石油膏涂 敷等工 序 。 采用立式成缆技术， 运用立式转盘结构 ( 见图 2 ) ， 拓展 了设 备放 置 的空 间 。 回转盘 子 水平 放 置 有 利于回转盘直径的放大 ， 使得大长度大截面电缆的 生产成 为现 实。立 式成缆 机 回转 盘直径 为 1 4 m， 能 放置直 径 4 5 0 0 m m 的放 线 盘 3只 、 直 径 2 0 0 0 mm 的放线盘 3只。可生产海缆最大单线直径 9 0 mm， 最大成缆直径 2 4 0 mm， 实现 2 2 0 k V光纤 复合海缆 长度 达 到 5 k m 以上 。 图 2立 式 回转 盘 钢丝铠装和外被层 的绕包工艺， 采用两段式绞 笼结构 ， 可装 1 1 2个 线盘 ， 线 盘 规格 6 3 0 m m， 在 绞 线出线端增加了单线预成型装置 ， 钢丝能同时绞合， 每段绕包绞体可放置 8 0盘聚丙烯( P P ) 绳。 成 品海缆采 用 的收线 方 式 为直 径 1 6 m 双联 收 线池， 足以满足 2 2 0 k V光纤复合海缆大长度的储 线 ， 确保满足了大长度海缆的生产。 3海底 电缆性能试验 根据 C I G R E推荐 的相关规范 ， 制订 了 2 2 0 k V X L P E绝缘 海底 电缆企业 标准 。研制 的 HY J Q 4 1 1 1 6 0 0+ 2 4 D+ 2 A 1 光纤复合海缆按企业标准要求进 行了性能试验 ， 部分结果见 表 3 。有关软接头 的研 究 和试 验将另 有论文 介绍 。 表 3 2 2 0 k V海缆试验数据 项 目名称 技术要求 试验结果 不应有 以下 现象 ： ( 1 ) 卷绕试验 电缆绝缘 、 金属套 和外 通过 张力弯曲试验 护套破损 ； ( 2 )导体或 铠装永久变形 试验后光纤衰减 1 3 1 0 n m波长 ≤0 ． 3 5 d B ／ k m O ． 3 2— 0 ． 3 4 1 5 5 0 n m 波 长 ≤0 ． 2 l d B ／ k m O ． 1 8～ O ． 1 9 介质损耗 ≤81 0一 4 xl O一 热循环试验及随后的局放试 无超过规定的灵 未检出放电 验( 1 ．5 U o ) 敏度下可测放 电 冲击电压试验及随后的工频 电压试验 冲击 电 压 试 验 ( 9 5 ℃ 一 不击 穿或闪络 通过 1 0 0 ℃ ； 1 0 5 0 k V； 1 0次) 工 频 电压 试 验 ( 2 U o ， 1 5 不击穿或闪络 通过 rai n ) 绝缘微孔和杂质含量 > 0 ． 0 5 m m的微孔 无 无 >0． 0 2 5 mm ． ≤ 0． 0 5 mm ≤ 1 8 ／ 1 0 c m 0 的微孔 > 0 ． 1 2 5 mm的不透 明杂 无 无 质 >0． 0 5 mm．≤ 0 ．1 2 5 mm ≤6 ／1 0 c m 0 的不透明杂质 > 0 ． 1 6 m m的半透明棕色 无 无 杂质 半导电屏蔽层与绝缘层界面 无 无 微孔 和突起 透水试验 ( 透水长度) ≤l O m 9 m 4 结束语 宁波东方集团公司致力于打造国内海缆第一品 牌 ， 已完成许多重大的海底 电缆工程项 目， 1 1 0 k V 大长度海底 电缆 国内市场 占有率达 9 0 ％以上。研 制的2 2 0 k V大截面 1 6 0 0 m m 光纤 复合海底电缆 系统已通过了国家电线电缆质量监 督检验中心检 测， 产品性能达到国际先进水平。公司通过对海缆 工艺技术和关键装备 的研究， 已具备 2 2 0 k V X L P E 绝缘海底 电缆产业化、 规模化生产能力。同时 2 2 0 k V光纤复合海底 电缆将 在国家电网舟 山输 电线路 工程 项 目投入运 行 。 ． ．