水底电力电缆概述

水底电力电缆概述水底电力电缆是指过江、河、湖、海敷设在水底的电力电缆。主要使用在海岛与大陆或海岛与海岛之间的电网连接，横跨大河或港湾以连接陆上架空输电线路，陆地与海上石油平台以及海上石油平台之间的相互连接。由于水底的地质和水文情况的特殊性，使水底电力电缆的敷设和运行的条件与陆地上使用的电力电缆有较大差异，因此水底电力电缆在结构上具有不同于陆上电缆的特点。一、水底电力电缆结构特点水底电力电缆的绝缘结构与陆上电缆很相似，但是绝不能简单地把陆地上使用的电力电缆敷设在水下使用。水底电力电缆在敷设或回修时，由于水的深度、电缆的自重以及敷设机械的作用，电缆上会受到很大的机械应力（拉伸、扭转和张力下弯曲）。此外，水底电力电缆运行在复杂的水下环境中还会受到水底腐蚀性物质和水下生物的侵袭、腐蚀，又会受到船只抛锚、捕渔作业等外机械力的破坏。因此，水底电力电缆的基本特点是体现在它的机械性能上。1．水底电缆的结构为了使水底电缆能承受上述各种机械应力的作用，水底电缆一般采用特殊（加强）的护套结构—加强的金属护套、金属加强带和销装钢丝。图3－1所示为一种典型的水底电缆的结构。它的额定电压是直流±100kV，单根传输容量为50MV·A，已被使用在国内某海岛与大陆电网的连接。电缆路径全长10km，最大水深120m。它的结构特点如下：（1）导体。标称截面为300mm2，由61根Φ2．5mm退火铜线分层绞制后紧压而成。紧压系数为0．85，紧压后的导线既柔软又密实，降低了（在事故情况下）海水沿导线空隙渗透的可能性。（2）绝缘。采用黏性油浸渍纸绝缘，绝缘厚度为7．5mm，与陆上电缆相同。（3）金属护套和非金属护套。合金铅护套，厚度为4mm。为了保证铅护套耐腐蚀性能和加强密封，在铅护套外加一层厚度为3．5mm的聚乙烯护套。聚乙烯护套与铅护套之间涂有热溶胶，使其成为一整体，防止聚乙烯护套损坏后海水沿夹层空隙渗透的可能性。这层聚乙烯护套还可以提高铅护套耐疲劳性能2～3倍，这对敷设在深海的电缆极为重要。（4）金属加强带。为加强金属护套的抗应变强度，在聚乙烯护套外绕包二层耐腐蚀的金属加强带。金属加强带材料通常是合金铜、不锈钢（用于单芯交流电缆）或镀锌钢带（用于三芯交流电缆和直流电缆）。（5）铠装钢丝。由于该电缆线路途径某些地质条件差的海域，所以全长10km的电缆中有3km采用双层Φ6．0mm的粗钢丝铠装，以提高电缆在海底的耐磨性能。其余7km采用Φ6．0mm钢丝单层铠装。单、双层钢丝交叉处设有过渡结构，以免刚度不同而造成局部应力集中。为提高铠装钢丝耐腐蚀性能，每根钢丝外加1mm厚的聚乙烯套。为了不使电缆在敷设时中断作业，该工程要求海底电缆的单根连续长度大于10km。制造厂的单根电缆制造长度，由于受设备条件的限制，只能达到5kkm左右，所以中间用软接头连结。软接头的结构如图3－2所示，其导体用等直径焊接，绝缘采用与电缆绝缘相同规格的纸带绕包而成，外壳用铅合金管焊接在电缆铅护套上。软接头的径向尺寸与所连接的电缆相同或略大于电缆的直径。软接头通常是在工厂里制作好后再与电缆本体一起连续铠装。因此，软接头能与电缆一样承受拉伸、扭转和弯曲等各种机械应力的作用。2．水底电缆的机械性能由于敷设和使用的环境条件不同，与陆上电缆相比，水底电缆对机械性能有更严格的要求。水底电缆必须能承受在敷设及回修时的拉、扭等各种应力的作用并使电缆在使用时免受外力（如抛锚、拖网等）破坏。从敷设、安装和使用方面考虑，掌握水底电缆的机械特性是十分必要的。要知道敷设和回收时电缆所受的拉力，必须计算在敷设和回收时电缆各组件（主要是导体和铠装）所承受的机械拉力的分布情况。计算和试验的结果表明，使用一般单层钢丝作为铠装的电缆来说，几乎所有的机械拉力都是由电缆导体承受的。因此，对于深水电缆，有时候决定导体截面的因素是导体的机械拉力而不是导体的载流能力。在特别深的水域，例如水深大于500m，必须使用特别设计的双层铠装，两层铠装的螺旋方向相反。这种铠装可以分担较大的机械拉力，从而减低导体的应力，防止在敷设时对绝缘层造成损坏。然而，使用反方向的双层铠装，会使电缆刚性增大，造成盘绕和弯曲困难，因此不能用一般的带固定式平台的敷设船进行敷设，必须使用带旋转平台的敷设船进行敷设。为了抵抗外力损坏，海底电缆通常有单层或双层钢丝（或扁钢丝）制的铠装。不过，当遇到大型的锚或拖网时，这些保护装置仍显不足。最为完善可靠而又实际的保护方法，是在一定海域内把电缆埋设于海（河）床下。至于其埋置的水域范围，则需根据该水域的船舶交通频繁程度和渔业情况而定。水底电缆的机械性能是水底电缆十分重要的品质。水底电缆的机械性能的考核是通过机械性能试验确定的。国际大电网会议（CICRE）推荐的《海底电缆机械试验标准》可以鉴定油浸纸绝缘水底电缆的机械性能。交联聚乙烯绝缘水底电缆还没有这方面的专业标准，但是一般多是参考这一标准执行。水底电缆机械强度试验的主要项目有：（1）盘绕试验。盘绕试验的试样至少有可以盘绕8圈的长度，并且包括不少于2个软接头。试样的两端都制成试验端头，试验端头把电缆导体、铅包、加强带和铠装钢丝等电缆构件连结成一体。盘绕试验有盘绕直径和退扭高度两个重要参数，如图3－3所示。盘绕直径和方向是由制造厂规定的。退扭高度应该小于电缆在制造、装船和敷设时可能发生的最小退扭高度。盘绕试验前，先在整根电缆外表面沿轴向划一条记号线，以观测盘绕试验时电缆的扭转是否均匀。盘绕试验时，试样两端的试验端头不能转动，盘绕次数应该与电缆在制造、装船和敷设时可能发生的盘绕次数相同。盘绕试验后，从电缆试样的中间部位取下一段（包括1个软接头），进行下列项目的解剖检查：①加强带是否断裂；②绝缘纸带是否撕裂；③导体和铠装钢丝是否呈鸟笼状或有明显变形。（2）张力弯曲试验。张力弯曲试验的试样必须取自经过盘绕试验后的电缆试样，长度不小于30m，至少包括1个软接头。软接头与试验端头之间的距离不小于5m或5倍铠装钢丝的节距。试验时，试样绕在试验装置的滑轮上，滑轮的直径不大于敷设船上电缆人水槽的直径。电缆试样与滑轮的接触面大于铠装钢丝的2倍节距，但不能小于半个滑轮的圆周。如果试验包括几个软接头，那么软接头之间的距离不得小于滑轮的一个圆周。试验张力分两种情况选定：1）如果考虑到被试验的电缆一旦发生故障，需要从水底打捞起来回收修理，试验张力按式（3－1）计算：T＝1．3Wh＋40000（N）（3－1）式中W：—每米电缆在水中的重量，N；h：—电缆最大敷设深度，m。2）如果被试验电缆，不考虑在水深超过h′地区的回收修理时，由式（3－2）和式（3－3）中择大者而取之：T＝1．3Wh′＋4000（N）（3－2）T＝1．15Wh＋30000（N）（3－3）式中h′：—制造厂规定的最大回收修理电缆的深度，m。电缆试样须在张力下连续弯曲3次。弯曲时，试样两端的试验端头不能转动，弯曲方向不能改变。在经过机械强度试验后的电缆试样上，取一段规定长度的电缆（至少包括一个软接头），再按电气强度试验标准进行电气强度试验。3．水底电缆的耐腐蚀对于单芯交流水底电缆，必须考虑到由铠装产生的感应电流所造成的腐蚀。只要电缆系统不同相位之间的距离不相同，铠装和海水之间便会产生电流导致腐蚀。产生腐蚀的电流密度与铠装所用金属材料有关，铝合金所产生的电流密度较低，而钢、铜或铜合金所产生的电流密度则较高。由于上述的电流密度与各相电缆的距离有关，因此选择近岸处的电缆路径，也属于重要问题，尤其应尽量避免各相电缆的距离忽大忽小的变化。有些大长度水底电缆工程，为了防止海中杂散电流对铠装钢丝的加速腐蚀，采用阴极保护电极。例如，国外某海底电缆工程，在海峡两岸各安装六个铝合金保护电极，每个电极重约100kg，可望有20年使用寿命。当然，除此以外，也必须在设计系统时，考虑水底腐蚀性物质对电缆产生化学腐蚀的问题。4．水底电缆线路的护层接地大长度（数公里）单芯水底电缆必须注意护层过电压是否会超过聚乙烯防腐护套的绝缘水平。为了避免铅套产生过高的护层过电压而把聚乙烯防腐蚀护套击穿，必须每隔一定的距离把铅套和金属加强带接地一次。设计接地定点和计算不同定点间的距离时，须根据电缆线路的具体情况而定。为了保证接地点的水密封，接地工作通常是在制造厂内完成的。一般是将接地点设计在工厂软接头内。有些国外产品采用半导电的聚乙烯护套，这样可以避免护套定点接地的麻烦。5．水底电缆的工厂软接头水底电缆工厂软接头是水底电缆线路的一大特点。工厂软接头的结构尺寸与电缆本体相同或者略大一些，它与所连接的电缆一样柔软，一样能承受拉、扭和弯曲等各种机械应力的作用。因此，工厂软接头在结构和性能上与普通接头有很大差异而与电缆本体很相近。图3－2所示为典型的工厂软接头结构。工厂软接头的铠装是与电缆本体一起在制造厂内连续铠装的。因此，如果不用特殊标记指示出软接头的位置就很难从成品电缆上辨认出软接头。任何工厂软接头，即使是应用优良技术制造的软接头，仍然是整个电缆线路的弱点所在。因此，用户应该要求制造厂标记出软接头的位置，以便在敷设和运行时（尤其是对置于深水处的软接头）严密监护。此外，应该尽可能生产大长度的无工厂软接头的电缆，以避免或减少故障，从而降低维修费用。二、水底电缆的种类和应用范围目前国内外使用的水底电力电缆主要有下列品种。1．浸渍纸绝缘电缆包括黏性油浸渍纸绝缘电缆和不滴流油浸渍纸绝缘电缆两个品种。适用于不大于45kV交流电及不大于400kV直流电的线路，图3－1所示的国产100kV直流海底电力电缆就是这一种类型电缆。目前只限安装于水深500m以内的水域，但若将电缆设计加以改良，也可应用于深度达2000m的水域内。浸渍纸绝缘电缆的典型结构如下：（1）导体。为圆形或椭圆形（深水用）的紧压铜导体。（2）绝缘层。绝缘体是黏性浸渍纸。绝缘体的内、外部用半导电纸带组成屏蔽层。（3）铅合金护套。（4）铅护套金属加强带（任选装置）。（5）聚乙烯套管。（6）防海虫蛀蚀的护套（任选装置）。（7）聚丙烯塑料丝衬垫。（8）铠装。由单层或双层的扁钢丝或圆钢丝制成，根据安装情况可加添聚丙烯丝填充护层。早期，国外还有采用充气式浸渍纸绝缘电缆，沿电缆长度充有压氮气以提高电缆的绝缘强度和减小海（河）水进入电缆的可能性（水底电缆甚难避免遭受外机械力的破坏）。由于在水下采用高气压，这就提高了电缆及其附件的设计、制造的难度，国外也没有获得很普遍地使用，国内没有开发和使用这种类型电缆的经验。2．自容式充油电缆适用于高达750kV的直流电或交流电电压。由于电缆为充油式，故此可以毫无困难地敷设于水深达500m的海域，倘若使用特别的油，更可置于深度达2000m的海域。电缆系统的设计根据电缆总长而定，跨距长度越长，油导管直径越大。典型结构如下：（1）导线。中空式，油导管的直径为15～50mm。（2）绝缘层。绝缘体是木纤维纸或合成纤维纸浸渍合成油（十二烷基苯）。绝缘体内、外均以半导电纸带组成屏蔽层。（3）铅合金护套。（4）使用非磁性金属带作补强料。（5）聚乙烯套管。（6）防海虫蛀蚀的护层（任选装置）。（7）聚丙烯塑料丝衬垫。（8）铠装。单层或双层钢丝，为扁形或圆形截面，根据安装情况可加添聚丙烯丝填充护层。三芯自容式充油电缆采用外油道结构，每芯电缆为圆形紧压铜导体（非中空式导体），外面绕包纸带绝缘。三条电缆芯与三条螺旋式金属油导管及纸质填充料绞合在一起，并且皆由织网状的铜条包紧。在使用充油式电缆时，最严重的问题是由于外力（如抛锚、拖网等）破坏使电缆铅护套破裂。这时候要求电缆内的油压必须处于高水平，使海水不致于渗入电缆内，并且供油装置内也必须储藏大量的油，以补充损耗。对于其他类型的电缆而言，充油问题是一项十分复杂的工程问题，然而却是充油式电缆重要的优点之一。因为在出现漏油点而尚未影响到绝缘品质以前，工作人员可以及时测得故障所在，立刻作临时补救，使电缆在维修以前，仍然可以正常运行。至于其他类型的电缆，则只能在停电的情况下，才能寻找和检修故障。充油电缆的注油方式大致上分为两类：较短的电缆线路，通常使用压力箱注油，其压力约为0．1～0．6MPa。较长的电缆系统，通常使用泵油站注油，其压力约为1．6～3MPa。此外，单芯充油电缆的油导管内每隔0．5～2km安装一限流装置，可以有效地限制海水渗入电缆内，从而减低因海水渗透而造成损坏的范围。3．交联聚乙烯绝缘电缆适用于220kV及以下交流电压等级。至于在直流电方面的应用，目前使用的还比较少。由于交联聚乙烯绝缘电缆在水中容易产生“水树枝”放电。因此，如果电压超越35kV时，使用交联聚乙烯绝缘式的水底电缆须另加不透水的铅护套。4．单芯式电缆和三芯式电缆（1）上述各种类型的电缆可以是单芯式电缆，也可以是三芯式电缆。一般地说，只有在较低电压等级的范畴，才适宜选择使用三芯电缆。在下列一些情况下，都有可能使用三芯电缆：1）充油式电缆：150kV及以下电压等级、小截面导体交流电缆。2）浸渍纸绝缘电缆：45kV及以下电压等级、小截面导体交流电缆。3）交联聚乙烯绝缘电缆：110kV及以下电压等级、小截面导体交流电缆。实际上，选择单芯或三芯电缆，需考虑的因素有很多，不能一概而论。（2）采用三芯电缆的优点：1）减少电缆的数目。如果重要的电缆线路需要（为安全计）设后备电缆的话，则二条三芯电缆相当于四条单芯电缆的功能。在不设后备电缆的系统内，一条三芯电缆相当于三条单芯电缆的功能。减少电缆的数目，具有下列优点：①减少埋置电缆的工程造价（减少水下挖沟、敷设及埋缆的作业）。如果埋设电缆工程需在全线进行或在极大部分的缆段进行，可节省可观的资金，其优点显而易见。②缩窄电缆通道的宽度。③降低电缆受外力（如抛锚、拖网等）破坏的机率。2）减低功率损耗。三芯电缆可以减低功率损耗，原因如下：①三芯电缆的销装损耗极微，相比之下，单芯电缆的铠装损耗极大。②使用两条电缆时（其一为备用电缆），通常可以用并联方式操作。单芯电缆和三芯电缆的损耗比例约为6：1。根据这个比率，再行计算跨接长度、能源成本、电缆的负荷系数（按年计）及利息等经济因素，不难比较出两者的经济效益。（3）采用三芯电缆有下列的缺点：1）使用软接头增多。由于制造电缆的成缆机的功能所限，三芯电缆必然会增加软接头的数量。2）由于三芯电缆的外径一般比较粗大，在运输及敷设时困难较多。3）由于三芯自容式充油电缆采用外油道结构，一旦受外力损坏而漏油时，损耗的油量会较大，因此在设计紧急充油系统时，会遭遇较大困难。因此，在为各个水底电缆线路系统选择单芯或三芯电缆时，需谨慎衡量上述各项优劣因素。三、水底电缆的载流能力和电力传输限制1．水底电缆的载流能力原则上水底电缆的载流能力可以用与同类的陆上电缆相同的方法确定。按照IEC287标准所指示的方法，在正确测定水底土壤温度、热阻系数等条件后，根据电缆结构尺寸不难计算出所选用的水底电缆的载流量。但是，在确定水底电缆线路的载流能力时，必须考虑以下几个特点：（1）敷设条件。海底电缆一般情况下多是简单地敷设于水底的海（河）床上或埋设于水底沟坑内。在近岸处（即大约10～15m水深水域处），为保护电缆免受机械外力（如锚等）破坏，通常把电缆埋人海（河）床下1～1．5m深处。水底砂土的热阻系数（约为0．7℃·m／W）通常比海岸附近的土壤热阻系数低许多，因此埋于海岸附近的电缆段常成为整个电缆系统的温度限制因素。（2）感应电流。就单芯水底电缆而言，水底电缆和陆地电缆的另一个重要区别在于金属护套产生的感应电流。由于单芯水底电缆的相位之间距离极大（约数十米），可等效看做一根同轴电缆，就是说铠装所产生的感应电流，约相等于导体电流，无法避免大量的铠装功率损耗。减少铠装功率损耗的方法是使用导电性更好的铠装材料，例如使用铜质铠装材料代替钢质销装材料。（3）充电电源。水底电缆和陆上电缆的另一个主要区别是充电电流。由于水底电缆线路通常较长，在确定导体的实际总电流时，不能把充电电流忽略不计。因此，水底电缆可能比陆上电缆需要较大尺寸的导体，来传输指定的电流。2．水底电缆的电力传输限制由于水底电