海底电力电缆径向挡水层

王国忠，游靖华

(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)

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:

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，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)

图1 XLPE-26/35 3×185海缆结构

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

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。

［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，2006.139-169.