新型海岸滩涂风电场光电复合电力电缆的研制

王科好，马 军，钱子明

(江苏亨通电力电缆有限公司，江苏吴江215234)

0 引言

某沿海潮间带风电场项目工程用光电复合电力电缆(以下简称光电复合缆)要求:

(1)电缆敷设于风电场区潮间带上，电缆直埋于海床下1～2 m，海水深度约2 m;

(2)导体标称截面3×240mm2，额定电压26/35 kV;

(3)电缆段长要求不低于1000 m;

(4)要求径向和纵向阻水;

(5)电气性能符合GB/T 12706—2008要求;

(6)光通信的光单元由8芯低水峰单模光纤(用于信号传输)构成，传输参数符合ITU-T(国际电信联盟电信标准化部)G 652(2000)标准的单模光纤的要求;

(7)必须满足海岸滩涂光电复合缆运输、敷设和海岸滩涂苛刻环境的要求，使用寿命30年。

我公司与某勘测设计研究院合作，根据某沿海潮间带风电场的特点，组织科技人员，利用亨通集团光(电)通信、电力传输方面的产业优势，调动相关资源，对该光电复合缆的用途、要求、敷设路径、运行环境等方面进行了深入研究和探讨，最终形成了成熟的设计方案。

1 海岸滩涂风电场光电复合缆的设计

海岸滩涂风电场光电复合缆的设计重点:一是如何实现苛刻环境下复杂的防水要求;二是必须具备多重耐腐蚀功能;三是光通信的光单元放在复合缆中的哪个位置才能得到很好保护，能经受大张力的绞合成缆、运输、敷设的考验。当然，还应进行复合缆中的电力电缆和光通信的光单元设计。如何满足复合缆的段长要求，也是设计和制造需要考虑的另一个方面。

1.1 复合缆的防水结构

当复合缆长期与水接触时，如果本身结构上没有防水密封，则很容易有水分渗透到复合缆内部。导体遇水长期运行会导致氧化腐蚀，导体电阻偏大;绝缘经水侵蚀，在电场的作用下会产生“水树枝”，导致绝缘加速老化而造成电缆故障。对于用于沿海滩涂的复合缆，如果结构上不考虑防水，则一旦进水，复合缆的使用性能势必急速下降，寿命缩短，因此复合缆的防水性能是否满足使用要求至关重要。

防水性能包括径向防水和纵向防水两个方面，以下分别进行阐述。

1.1.1 纵向阻水功能

因为26/35 kV海岸滩涂风电场光电复合缆为三芯结构，所以纵向阻水必须考虑导体、绝缘屏蔽和纵包金属屏蔽之间的间隙，和成缆后三根绝缘线芯之间的间隙的存在。

通常，为了实现导体的纵向阻水功能，可以采用两个措施:一是采用实心导体;二是导体采用绞合结构，并在绞合过程中，填入吸水膨胀的阻水材料。依据相关标准，采用实心导体显然是不合适的，只能采用绞合结构。由于敷设环境决定了复合缆一旦进水将以极快的速度蔓延，所以各层导体之间都必须考虑阻水，而且导体绞合结构应是正规绞合，在每层绞线外需绕包适当宽度的半导电阻水带，可保证导体的电性能不受影响。采用这种结构，在导体绞合紧压过程中，阻水带会局部破裂，但其中的阻水粉仍会很好地充填于绞线的缝隙中，保持导体的阻水性能。

对于绝缘屏蔽和纵包金属屏蔽之间存在的间隙，采用在绝缘屏蔽和纵包金属屏蔽之间绕包半导电阻水带的方式实现阻水。同时，通过半导电阻水带与单面铜塑复合带金属一面的接触，实现了绝缘屏蔽与铜塑复合带的等电位，起到了均衡电场的作用。

成缆后三根绝缘线芯之间的间隙阻水，常用的有阻水纱、阻水粉及阻水绳。它们的阻水机理是:当水分从复合缆端头或是从护套缺陷中进入后，这种含有吸水膨胀粉末的材料就会迅速膨胀，并阻止了水分沿复合缆纵向进一步扩散，从而将水分的影响限制在局部的受损处，实现了电缆纵向防水的目的。考虑到阻水的实际功能和成本因素，我们采用了阻水绳实现线芯间的纵向阻水。

1.1.2 径向阻水功能

每相线芯采用了“增强铜塑复合护层+特种聚乙烯(PE)护套”阻水防腐层新技术。该技术是国际上已成熟应用了多年的深海电缆的防水结构设计。法国的NEXANS公司、意大利的PRYSMIAN公司和世界上最著名的专业设计制造海缆的英国的JDR公司都有类似结构的海缆。纵包时单面铜塑复合带先经过特殊的工装，进入挤出机机头后挤包特种PE护套。因为铜塑复合带的一侧为高分子材料，所以在成型进入机头后，在高温和一定的压力下，可使特种PE护套与铜塑复合带表面的高分子材料完全粘结密封(纵包铜塑复合带有部分搭盖)，水分几乎无法渗透。线芯成缆后，内、外护套采用阻水效果优良的改性中密度聚乙烯(MDPE)，既可实现径向阻水，又可耐海水腐蚀。

1.2 复合缆的耐腐蚀结构

沿海滩涂复合缆的敷设，必然要穿过海水。海水本身为电解质，有原电池效应，因此复合缆的耐腐蚀功能也是设计考虑的重点。前面径向阻水功能设计中提到的“增强铜塑复合护层+特种PE护套”阻水防腐层，既可实现径向阻水，又有很好的防海水腐蚀作用，而且这种特殊结构还可增强电缆的综合力学性能。复合缆铠装层设计根据滩涂电缆敷设路径及运行环境要求，遵照用户需要采用镀锌钢丝，内护层采用特种憎水型PE材料，外护层采用耐腐蚀改性MDPE材料，进一步增强复合缆的耐腐蚀性能。

1.3 复合缆的光通信的光单元位置

在复合缆中的电力电缆结构确定后，应进行光通信的光单元在复合缆中的位置设计，然后再确定光单元的结构。由于交联聚乙烯绝缘电缆的导体长期允许工作温度为90℃，而光纤的适用温度通常最高不得超过60℃，所以设计时光单元应避免放置在导体内或靠近导体的部位，通常放置在三相绝缘线芯的中心部位或边缘空隙中。如果放在中心部位，复合缆在承受拉力作用时，光单元由于没有绞合节距而呈直线状态，将率先受力，而普通结构的光单元，能承受的短暂拉伸力只有2 kN左右，这无法满足复合缆在制造和敷设时的拉应力。如果光单元放在三相绝缘线芯的边缘空隙中，由于跟绝缘线芯同时绞合成缆，当复合缆中的缆芯受到拉力作用时，光单元和绝缘线芯同时受力，这样所承受的拉力较小，再加上光单元设有一定的光纤余长，拉应力不会对光纤的传输性能构成影响。为避免光单元在与电力电缆的成缆绞合过程中被挤压，将光单元复合在填充物中，这种结构设计可有效保护光单元的安全。

1.4 光单元结构

由于沿海滩涂地貌复杂，高低起伏不平，因此复合缆敷设时将因各种因素制约承受较大的拉力。为确保光单元满足滩涂苛刻使用环境和使用条件，设计了有一定光纤余长的松套层绞式结构。松套管材料采用激光焊接的不锈钢管，不锈钢带材性能应符合GB/T 4239的规定。由于光单元中的光纤为二氧化硅材料，脆而易受损伤，所以在不锈钢套管中采用纤膏。这既可保护光纤，又能防止水分和潮气的渗入而产生氢损现象，保证光纤性能长期稳定。光单元中的内外护套均采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，同样是考虑光单元的防水功能。在光单元与电力电缆的成缆过程中和光电复合缆的敷设过程中，光单元也不可避免地承受一定的拉力，因此，光单元中采用绞合节径比不大于14的低碳镀锌钢丝铠装，然后用绕包带绕包，以保证结构的稳定。光单元结构示意图如图1所示。

图1 光单元结构示意图

1.5 复合缆护层

根据敷设的最大海深，计算出敷设时所需承受最大拉力，确定复合缆铠装层钢丝采用直径为Φ4.0的低碳镀锌钢丝，内外护层采用特种PE材料。

1.6 复合缆结构

在综合考虑了功能的实现、工艺的实现难度、合理的制造成本等因素后，最终确认的复合缆结构见图2。

图2 26/35 kV海岸滩涂风电场光电复合缆结构

1.7 复合缆制造长度的段长

海缆的设计制造合同中往往规定定长供货，即要求提供中间不允许有接头的规定长度的电缆。因此，海缆的生产厂都无一例外地建在江边或海边，有大的收线场地，有自己的码头，以便于大长度电缆的收线和运输、敷设。由于本次海岸滩涂光电复合缆供货段长相对于海缆并不长，只有1000 m，因而只需考虑成缆的收线线盘和成品的装线线盘是否可满足要求。经计算，复合缆的成缆并绑扎后的外径为Φ105mm，成品外径为Φ127mm，而我公司拥有的大型成缆设备可安装超大型收线盘，成缆后缆芯收线长度可达1043 m，成品收线长度可达1061 m，完全可满足复合缆段长不低于1000 m的要求。

2 金属护套感应电势计算

由于金属护套是采用的单面铜塑复合带，且金属一面通过半导电阻水带与绝缘屏蔽接触(满足均衡电场的需要)，而铜塑复合带外面又有特种PE护套(防水功能实现需要)，很显然该三芯电缆的金属屏蔽层是互相不接触的，所以不能适用电线电缆手册第一册第三篇电力电缆第2.3.5节金属护套多芯电缆护套感应电压可以忽略不计的结论。因此，必须通过计算，以确定其护套感应电压是否能够满足安全要求。

因为三芯电缆的金属屏蔽层互相不接触，可以依据《电力电缆结构设计原理》中等边三角形敷设三相电缆护套的感应电压计算方法来计算，只不过导体间距不同而已，计算过程如下:

电缆的电感的计算:

式中，Xs为电缆的电感(H/m);Ds为电缆金属护套的平均直径(Ds=45.3mm);S为导体间距离(S=48.3mm);ω 为角频率(ω =2πf)。

将上述已知参数代入上式可得:

电缆金属护套感应电压的计算:

式中，Us1、Us2、Us3分别为 A 相、B 相、C 相电缆金属护套的感应电压有效值;I1、I2、I3分别为A相、B相、C相电缆工作电流。

已知S=S1=S2=S3;I1=I2=I3=465 A，则

由于客户要求段长仅为1000 m，因此该电缆金属护套的感应电势符合不大于50 V的安全要求。

3 复合缆的试验

3.1 纵向透水试验

阻水导体经交联三层共挤后，应通过IEC 60502附录D中的透水试验。试样须进行10次加热循环，每一次热循环持续8 h。在整个试验期间，试样的两端未有水分渗出，符合标准的规定。

3.2 径向阻水试验

电缆的径向阻水性能，通常参照通信电缆行业标准(YD/T 322—1996铜芯聚烯烃绝缘铝塑综合护套市内通信电缆)中的试验标准来判定其径向防水的实际功能，即电缆充入50～100 kPa的干燥空气或氮气，在电缆全长气压均衡后3 h(有外护层电缆6 h)内，电缆内的气压不应降低。样品经检验，满足要求。

3.3 耐海水腐蚀试验

成品电缆的耐海水腐蚀性能(针对成品的改性MDPE外护套)应满足表1所列的指标。

表1 耐海水腐蚀试验

3.4 其它常规试验

光电复合缆的其它常规试验，包括直流电阻、局部放电、工频耐压例行试验均依照GB/T 12706—2008标准执行;光纤衰减试验应符合表2所列的G652D单模光纤技术指标。抽样试验相比普通电力电缆，增加相线阻水充气试验(试验指标同第3.2节)、光单元渗水试验(光单元一端接1 m水柱连续24 h，另一端无水渗出)和光单元结构尺寸检查。

表2 G652D单模光纤技术指标

4 结束语

(1)我公司设计的海岸滩涂光电复合缆方案在经客户确认后，试生产部分样品，经检测完全符合设计要求。

(2)电缆的设计开发，首先考虑的当然是功能的实现。在功能和使用寿命可以满足使用要求时，再要考虑的重点就是成本因素。采用“增强铜塑复合护层+特种PE护套”阻水防腐层新技术，加上改性防腐护层的设计，既可满足使用要求，适应海岸滩涂的使用环境，又降低了产品成本。该复合缆可以说是为沿海滩涂使用环境量身定做的一款产品，具有广阔的发展前景，市场潜力很大。

［1］王春江主编.电线电缆手册第1册［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］刘子玉，王惠明.电力电缆结构设计原理［M］.西安:西安交通大学出版社，1995.

［3］GB/T 12706—2008 额定电压1 kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件［S］.

［4］YD/T 322—1996 铜芯聚烯烃绝缘铝塑综合护套市内通信电缆［S］.