海底电力电缆径向挡水层.pdf

2013 年第 3 期 No． 32013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 6 月 Jun．， 2013 海底电力电缆径向挡水层 王国忠 1， 游靖华2 ( 1． 江苏通光强能输电线科技有限公司， 江苏 海门 226100; 2． 乐星红旗电缆( 湖北) 有限公司， 湖北 宜昌 443004) 摘要: 海底电力电缆常用的径向挡水层有聚合物护套、 综合护层、 金属套等。对于设计寿命不长的水下或海底 挤包固体绝缘电力电缆， 径向挡水层可使用聚合物护套， 在多种聚合物材料中， 应优先采用高密度聚乙烯; 一 般中压海底电力电缆可以使用综合护层结构作为径向挡水层; 高压或超高压海底电力电缆宜以金属套结构 作为径向挡水层， 金属套应做防腐处理。文中给出了一些应用实例， 并对几种类型的径向挡水层进行了性能 比较。 关键词: 海底电力电缆;径向挡水层;高聚物护套;综合护层;金属套;性能比较 中图分类号: TM247． 9文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2013) 03- 0009- 04 The Radial Water Barrier of a Submarine Power Cable WANG Guo- zhong1，YOU Jing- hua2 ( 1． Jiangsu Tongguang Qiangneng Transmission Line Technology Co．，Ltd．，Haimen 226100， China; 2． LS Hongqi Cable ＆ System，Yichang 443004，China) Abstract:Normally，the radial water barrier of a submarine power cable may be made of polymer sheath，laminated metal- polyethylene sheath， or metal sheath． The radial water barrier of polymer sheath can be used in the extruded in- sulation underwater or submarine power cable designed for short- term service． HDPE is selected to use for the radial water barrier prior to other polymer materials． The laminated metal- polyethylene sheath can be used in a general me- dium voltage submarine power cable． The metal sheath can be used in a high or extra- high voltage submarine power cable and has to be protected from corrosion． The paper gives some application examples and compares the perform- ances of several types of radial water barrier． Key words:submarine power cable;radial water barrier;polymer sheath;laminated metal- polyethylene sheath; metal sheath;performance comparison 收稿日期: 2012- 09- 28 作者简介: 王国忠( 1962 － ) ， 男， 高级工程师． 作者地址: 江苏海门市大生路 3966 号［ 226100］ ． 0引言 海底电缆采用纵向阻水和径向阻水设计。为避 免在海底电缆受到机械损伤后，海水从损伤部位向 电缆内部渗透过长， 给电缆抢修造成困难，电缆应采 用纵向阻水型设计。纵向阻水设计是将电缆内各层 结构间存在的间隙里填充阻水纱、 阻水粉或阻水带等 材料， 使电缆在进水时， 阻水材料遇水迅速膨胀， 阻止 水分沿电缆纵向进一步扩散。同时， 海底电缆长期工 作在水下， 径向阻水功能也十分重要。径向挡水层应 设计得既实用， 又经济。海底电力电缆常用的径向挡 水层有聚合物护套、 综合护层、 金属套等。 1聚合物护套 聚合物护套， 尤其是高密度聚乙烯( HDPE) 护 套， 可作为中低压水下或海底电缆的径向阻水层。 文献［ 1］ 中指出 : “塑料护套并不是绝对防水的， 水 分能够渗透塑料。例如， 一条聚乙烯( PE) 护套纸绝 缘电缆， 在安装后的一至二年， 纸绝缘电阻下降到原 来的十分之一左右。这也说明为什么塑料护套是不 允许用作纸绝缘电缆的防水密封层。 ” 在文献［ 2］ 中 介绍， 如果没有金属套， 聚合物能够作为径向阻水 层。聚合物材料不透水， 但水蒸汽能够渗透它们。 对于中压海缆， 由于电缆的电场强度不高， 能够接受 少量水蒸汽渗透过聚合物护套。最常见的电缆护套 聚合物材料— — —HDPE， 有相当低的水蒸汽渗透性 ［ 145 gμm/( m2 d) ， 在38℃和相对湿度为90%时］ 。 “由于绝缘的电气强度要求不高， 中压( 海底) 电缆 经常不采用金属套结构， 或采用更为简单的护套设 计形式。一种方式是在聚合物护套之下设置吸水 层。聚合物能起到防水作用， 但少量水分以蒸汽的 形式渗透过护套。吸水剂具有足够的吸水量， 能够 在电缆整个经济寿命期间( 或更长时间) 保持绝缘 足够干燥。 ” 文献［ 1］ 和［ 2］ 的观点并不矛盾， 只是从 不同的方面说明聚合物护套的径向阻水作用。可以 得出这样的结论: 聚合物材料有一定的阻水性能， 但 水中的各类离子能够穿过护套向绝缘中渗透［3 ］。 由于油纸绝缘对潮气十分敏感， 聚合物护套不能单 独地用作纸绝缘电缆的护套， 但可用作电气强度要 求不高的挤包固体绝缘中低压海底电力电缆的护 套， 尤其对设计寿命相对较短的海底或水下电缆， 聚 合物护套更为经济实用。虽然水中的离子能够渗透 过护套， 但遇到吸水膨胀阻水材料的作用， 固体绝缘 介质在经济寿命期间不会引发水树， 可以正常工作。 有一个这样的实例， 2005 年 9 月， 武汉天兴洲 大桥项目建设单位向笔者原所在公司采购一条水下 10 kV 交联聚乙烯( XLPE) 电力电缆。在订货交谈 中， 笔者建议施工单位采用铅护套结构的电缆， 以保 证电缆在水下工作的稳定性， 但施工单位认为铅套 结构的电缆成本高， 要求使用成本低廉的电缆结构， 只要能保证其使用一年左右时间便可。于是笔者设 计了一条 10 kV 的铝芯 XLPE 绝缘 PE 内护套粗钢 丝铠装沥青聚丙烯纤维外被的电力电缆。HDPE 内 护套的标称厚度为 3. 0 mm， 比当时国家标准 GB/T 12706. 2—2002 要求的 2. 0 mm 较 厚， 钢 丝 采 用 4. 0 mm， 电缆的其它结构尺寸均按照国标设计。 电缆的型号规格为 YJLY41- 8. 7/10 3 240。电缆当 月供货后立即安装使用， 2 年后， 笔者同施工单位联 系， 被告知该电缆仍在正常使用中。再后来联系， 施 工单位已作业结束， 这条水下电缆完成了它应有的 历史任务。 2综合护层 高聚物能起到径向防水作用， 但长期在一定的 水压下， 水分或离子对其仍具有渗透性，对工作场 强较高的电缆， 单纯采用高聚物护套并不十分妥当， 在海底电缆中添加金属挡水层就显得更为必要。金 属的阻水性是公认的， 只要金属层不破损， 即使金属 层再薄， 也能完全阻止水或离子的渗入。这样， 就出 现了综合护层结构。 综合护层由铅塑复合带、 铝塑复合带或铜塑复 合带等金属复合带粘结到外面的塑料护套上构成。 通常， 复合带是和膨胀阻水的无纺带一起使用， 两者 均放在金属屏蔽的外面和( 或) 里面， 以全面保护电 缆免于潮气从径向或纵向侵入［3 ］。阻水带是由无 纺布带和占重量为 60% 以上的阻水粉即膨胀粉组 成。无纺布带是耐高温的聚酯纤维带， 膨胀粉是一 种高吸水的聚丙烯盐树脂， 吸水量可达自重的 200 倍， 国外最高达 300 倍。金属塑料复合带是两层厚 度约 0. 05 mm 的 PE 或乙烯 － 醋酸乙烯共聚物 ( EVA) 、 丙烯酸酯共聚物( EMAA) 薄膜和中间一层 0. 1 ～0. 15 mm 的金属( 铅、 铝或铜) 带粘合在一起， 纵包到电缆上， 搭盖约 5 ～10 mm， 用热风吹一下， 使 两层搭盖粘合( 注: 许多复合带已不需要热风枪焊 接， 靠挤出机机头温度和挤出的护套温度便能自粘 接) ， 外挤一层 PE 层， 使 PE 层和金属塑料复合带紧 密地粘在一起， 电缆结构紧密， 易于弯曲 ［4 ］。 国内用户由于对综合护层在搭接处金属间存在 一条没有完全密封的缝隙的担忧和纵包金属带结构 的综合护层只用在地下电缆结构中的误解， 在海底 电缆结构中较少采用， 而更多地倾向使用金属套结 构。综合护层结构到底能不能担当电缆长期在海水 中径向阻水的重任呢?答案是肯定的。随便翻翻国 外一些著名的海底电缆制造厂家的产品样本， 就有 综合护层结构的海缆介绍; 打开一些厂家的网站， 也 有综合护层结构的海缆产品。文献［ 5］介绍， 欧洲 各国已广泛地采用铝塑综合防水层， 使用在 110 kV 高压电缆上已经成熟。早在上个世纪 80 年代， 上海 电缆研究所在电力电缆的负荷循环条件下进行了透 潮试验的研究工作。在水温为 40℃ 时测得电力电 缆用综合防水层径向透潮量为 4. 6PPM。PPM 为透 潮量单位， 1PPM 相当于 1. 23 10 －9g/( m s) 。按透 潮公式计算， 每米电缆在 30 年中的电缆含水量为: W = 4． 6 1． 23 10 －9 3600 24 365 30 = 5． 4 g 每米 110 kV 电缆膨胀粉含量 45 g， 吸水倍数为 200 倍， 几百年内电缆绝缘也不会受潮［5 ］。 文献［ 5］ 主要介绍的是陆上使用的防潮高压电 缆。对于海底电缆， 综合护层结构同样适用。几年 前， 笔者在山东东营解剖了一条法国某公司的海底 电缆和一条日本某公司的海底电缆样品， 两条海底 电缆的结构均采用综合护层结构。具体结构尺寸见 表 1。 从表 1 中可以看出， 两种结构海缆的绝缘厚度 都为 11. 2 mm， 比陆上电缆标准要求的 10. 5 mm 厚 了 6. 7%， 这样， 电缆的工作场强比标准规定电压等 级的电缆低。这一点， 我们在设计海底电力电缆绝 缘时应予以借鉴。海缆绝缘厚度较厚也说明， 海底 或水下电缆结构要求不应按陆上电缆的标准生搬硬 套。从表 1 还可看出， 金属屏蔽和金属挡潮层在结 构上分开， 法国电缆的金属屏蔽截面为 25 mm2。按 照电缆采购时有效的 GB 12706. 3—1991 中 5. 3. 3. 1 条规定， 额定电压 U0为 1 kV 及以上电缆应有金属 屏蔽层， 金属屏蔽有铜丝屏蔽和铜带屏蔽两种型式， 01 2013 年第 3 期 No． 32013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 6 月 Jun．， 2013 额定电压为 21 kV 及以上， 同时标称截面为 500 mm2及以上电缆的金属屏蔽应采用铜丝屏蔽结构。 在 5. 3. 3. 2 中规定， 铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成， 其表面应用反向铜丝或铜带扎紧。铜丝屏蔽的标称 截面分 16、 25、 35 及 50 mm2四种， 可根据故障电流 容量要求选用。这样， 两种结构海缆的屏蔽型式均 满足陆上电力电缆标准的金属屏蔽形式和尺寸要 求。图 1 是法国公司海底电缆的结构。 表 1国外 XLPE －26/35 3 185 海缆结构 ( 单位: mm) 生产厂家日本公司法国公司 规格芯数 截面/mm23 185 导体结构① 根数/直径37/2. 60 导体外径16. 2 导体屏蔽平均厚度0. 81. 2 绝缘层平均厚度11. 211. 2 绝缘屏蔽平均厚度0. 80. 8 金属屏蔽方式② 铜带左向绕包， 厚度 0. 1; 铜带外缠绕半导电阻水带， 厚度为 0. 08 铜丝疏绕 + 反向铜带扎紧。 铜丝根数/直径: 39/0. 9; 反向扎带宽度/厚度: 10/0. 09 综合护层 结构铅塑复合带纵包 + PE 护套铝塑复合带纵包 + PE 护套 复合带厚度0. 30. 2 PE 护套厚度 2. 02. 4 成缆填充材料聚丙烯撕裂膜聚丙烯撕裂膜 成缆包带 材料塑料包带聚酯带 层数 厚度2 0. 122 0. 06 沥青 钢丝铠装 厚度0. 500. 50 根数 直径54 5. 850 6. 0 外被层结构 沥青 + 双层反向 PP 绳， 外面涂覆白垩粉 沥青 + 双层反向 PP 绳， 外面涂覆白垩粉 电缆外径约 135约 135 ①紧压导体， 间隙内填充阻水粉。 ②金属屏蔽间隙内填充阻水粉。 图 1 XLPE- 26/35 3 185 海缆结构 1 － 阻水导体2 － 导体屏蔽 3 － XLPE 丝绝缘 4 － 绝缘屏蔽5 － 铜丝屏蔽 6 － 反向扎紧铜带 7 － 铝塑复合带8 － PE 护套9 － 聚丙烯撕裂膜填 充10 － 聚酯包带及聚丙烯绳内衬层11 － 镀锌 钢丝铠装12 － 聚丙烯绳及沥青涂覆外被 3金属套 金属套一般有铅套( 或合金铅套) 、 铝套等结 构。在金属套结构中， 由于铅比铝的机械强度低， 加 工制造更方便， 并且， 用作电缆的护套后， 弯曲性能 较好， 在海水中铅比铝的化学性能更稳定， 故较多地 采用铅套结构。近来， 一些用户在招标文件中对铅 层的厚度要求越来越厚， 笔者认为这并不妥当。铅 套厚度太厚， 不仅制造成本高， 不利于环保， 还由于 铅套的密度大， 使得制造的电缆重量重， 给施工敷设 造成诸多不便。对于中压电缆， 铅套厚度的选择可 更多地从机械性能考虑， 应以薄层为宜。当然， 如果 铅层厚度太薄， 给挤( 压) 铅工序造成困难， 出现砂 眼的概率就高。 笔者原所在的公司， 在 2003 年供给浙江某电力 公司的 35 kV 3 150 XLPE 海底电力电缆， 按照陆 11 2013 年第 3 期 No． 32013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 6 月 Jun．， 2013 上电缆的国标， 铅层的标称厚度应为 1. 8 mm， 最薄 厚度为 1. 61 mm， 实际生产按供需双方签订的技术 协议要求， 铅层的标称厚度只有 1. 5 mm， 最薄厚度 为 1. 2 mm， 电缆经多年使用， 并未因铅层厚度薄而 引起质量问题。 电缆采用金属套后， 应在金属套外涂敷一层电 缆改性沥青防腐。如果是铝套， 还必须在外面挤包 聚合物护套， 以防海水与铝套的直接作用， 对铝套造 成腐蚀。 4径向挡水层的性能比较 中压海底电缆常用的几种径向挡水层的性能比 较见表 2。 表 2径向挡水层性能比较 主要性能高密度聚乙烯护套综合护层( 以铝塑综合护层为例)铅护套 环境友好性生产和使用过程均无污染， 对生物无害生产和使用过程均无污染， 对生物无害 生产和使用环节存在重金属污染 问题 电缆重量 与其它径向挡水层结构的电缆比， 单位重 量最小 铝的比重 2. 7 g/cm3， 一般铝塑复合带中 铝箔厚度为 0. 15 mm， 使用铝塑复合综合 护层的电缆单位重量较小 铅的比重 11. 34 g/cm3， 电缆使用 的铅护套一般较厚， 会显著增加 电缆的单位重量 电缆径 向阻水性 对于电气强度要求不高的挤包固体绝缘 电缆， 径向挡水性能良好， 能够在电缆整 个经济寿命期间( 或更长时间) 保持绝缘 足够干燥 实际阻水性能良好， 但存在对纵包铝带的 搭接处一条没有完全密封的缝隙的担忧 阻水性能良好， 通常铅套采用挤 包结构， 理论上是无缝的金属管 耐海水腐蚀高密度聚乙烯护套完全耐海水腐蚀 纯铝在海水中腐蚀速率为 0. 025 ～ 0. 03 mm/年， 但由于铝塑复合带外面是一层高 密度聚乙烯护套， 铝带不会直接接触海 水， 理论上铝塑复合护套结构完全耐海水 腐蚀 金属 铅 在 海 水 中 腐 蚀 速 率 为 0. 01 ～0. 015 mm/年， 但如果在铅 套涂覆一层沥青或挤包塑料护 套， 将大大改善铅在海水中的耐 腐蚀性 使用寿命 海底电缆的使用寿命取决于铠装钢丝在 海底的寿命， 即铠装钢丝在海水中被腐蚀 掉或被磨蚀掉， 电缆失去机械保护， 电缆 的寿命宣告终止， 与 HDPE 护套的径向阻 水性能关系并不十分密切 海底电缆的使用寿命取决于铠装钢丝在 海底的寿命， 即铠装钢丝在海水中被腐蚀 掉或被磨蚀掉， 电缆失去机械保护， 电缆 的寿命宣告终止， 与铝塑复合护套结构 无关 海底电缆的使用寿命取决于铠装 钢丝在海底的寿命， 即铠装钢丝 在海水中被腐蚀掉或被磨蚀掉， 电缆失去机械保护， 电缆的寿命 宣告终止， 与铅护套结构无关 设计寿命建议小于 5 年25 年25 年 5结束语 海底电力电缆常用的径向挡水层有聚合物护套、 综合护层、 金属套等。对于设计寿命相对较短的水下 或海底挤包固体绝缘电力电缆， 径向挡水层可使用聚 合物护套， 在多种聚合材料中， 应优先采用 HDPE; 一 般中压海底电力电缆可以使用综合护层结构作为径 向挡水层; 高压或超高压海底电力电缆宜以金属套结 构作为径向挡水层， 金属套应作防腐处理。 参考文献: ［1］郑肇骥， 王琨明． 高压电缆线路［M］． 北京: 水利电力出版 社， 1983．48- 48． ［2］Thonas 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， 2011．22- 25． ［3］Kenneth E Bow 著， 王国忠译． 中压电缆的防水综合护层［J］． 电线电缆， 1996( 6) : 9- 13． ［4］蒋佩南． 国产 110 kV 高压交联电缆的结构设计与选型 ［C］/ /交联电缆论文集． 上海电缆研究所信息中心， 2006． 118- 123． ［5］蒋佩南． 高压超高压交联电缆的综述分析［C］/ /交联电缆论 文集． 上海电缆研究所信息中心， 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱檱檱 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱檱檱 殗 殗 殗 殗 2006．139- 169． 建设清洁能源打造一流电网 21 2013 年第 3 期 No． 32013 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2013 年 6 月 Jun．， 2013