CN102280195B - 一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆 - Google Patents
一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，本电缆的金属屏蔽层(8)为铅套管屏蔽层，在所述第一半导电阻水缓冲层(5)与金属屏蔽层(8)之间设置有由铜丝导线构成的铜丝疏绕屏蔽(6)，所述金属铠装层由非磁性有色金属构成，本电缆具有较好的机械性能，耐腐蚀性能好，电磁损耗小，有足够的瞬态短路电流容量，适用于替代高压、超高压交流输电单芯油浸纸绝缘海底电力电缆，敷设于恶劣的海洋使用环境中，具有更优良的机械性能和适用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种海底电力电缆，尤其是一种机械强度好，耐腐蚀性能好，耐磨损性能好，电磁损耗小，适合用于220～500kV交流电力系统的海底电力电缆。
背景技术
目前国内高压、超高压交流海底电缆输电工程系统所使用的220～500kV级单芯海底电力电缆，常采用油浸纸绝缘交流海底电缆。
油浸纸绝缘交流海底电缆技术绝缘性能较好，电气性能稳定，其应用年代已久。但受其结构设计的局限，海底油浸纸绝缘电缆要具有可靠的油压维持循环、监控系统。
与交联聚乙烯绝缘海底电力电缆相比较，电缆结构机械稳定性差，抗弯曲破坏性能较差，不抗震；当受到外力侵害时容易损伤；常年使用维护较困难，敷设维修成本较高；同时制造技术要求也较高。
随着交联聚乙烯绝缘电力电缆技术日臻成熟，选择交联聚乙烯绝缘海底电缆替代传统的油浸纸绝缘海底电力电缆，则具有更优良的机械性能和适用稳定性能。因此近年来国内、外客户对220～500kV级交联聚乙烯绝缘海底电力电缆的需求也越来越多。为此，我们新设计了一种220～500kV级交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，用于替代早期的油浸纸绝缘单芯交流海底电力电缆及替换普通镀锌低碳钢丝铠装的单芯交流海底电力电缆。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械强度好，耐腐蚀性能好，耐磨损性能好，电磁损耗小，适合应用于高压、超高压交流输电的220～500kV级交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，用于替代早期的高压、超高压交流单芯油浸纸绝缘海底电力电缆，特别是替换掉电磁损耗很大的，用于高压、超高压交流输电的普通低碳钢丝铠装的单芯海底电力电缆。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，其内层至外层依次分别为阻水导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、第一半导电阻水缓冲层、金属屏蔽层、塑料增强保护层、金属铠装层和外被层，所述金属屏蔽层为铅套管屏蔽层，在所述第一半导电阻水缓冲层与金属屏蔽层之间设置有由铜丝导线构成的铜丝疏绕屏蔽，所述金属铠装层由非磁性有色金属合金丝构成。
为了既能满足海底电缆特殊的防腐蚀性能要求而采取铅套管屏蔽结构设计，又要不至于使铅套管屏蔽结构设计的过厚，在铅套管屏蔽层的内部增加了一层与金属屏蔽层相并联的，用多根铜丝导线构成的电气连接铜丝疏绕屏蔽，该层降低了电力电缆金属屏蔽层的综合电阻，提高了电缆金属屏蔽层构件的防雷击瞬态短路电流容量。并能适当地降低高压、超高压交流单芯海底电缆的金属护套环流产生的附加损耗。
为了防止海底电力电缆铅套管屏蔽层破损进水，增强阻水性能，所述铜丝疏绕屏蔽与金属屏蔽层之间设置有第二半导电阻水缓冲层。所述阻水导体与导体屏蔽层之间绕包的半导电阻水带。半导电阻水缓冲层、半导电阻水带同时兼有电缆各层结构设计的电接续功能。
为了减少单芯电力电缆的环流损耗，所述金属铠装层采用非磁性有色金属合金丝，所述非磁性有色金属合金丝可以采用铜合金丝，或采用防腐无磁高锰镍合金丝，或采用防腐蚀硬铝合金丝。
本发明电缆的金属铠装层可采用由非磁性有色金属扁线构成的第一有色金属扁线铠装层，第一有色金属扁线铠装层外设置有粘胶带捆绑层，粘胶带捆绑层能起到固定
为了使本发明电缆获得更好的抗拉强度和抗弯曲性能，所述的第一有色金属扁线铠装层外再设置有由非磁性有色金属扁线构成的第二有色金属扁线铠装层。所述第一有色金属扁线铠装层与第二有色金属扁线铠装层采用异向铠装绕包。
本发明电缆具有较好的机械性能，耐腐蚀性能好，电磁损耗小，有足够的瞬态短路电流容量，适用于替代高压、超高压交流输电单芯油浸纸绝缘海底电力电缆，敷设于恶劣的海洋使用环境中，具有更优良的机械性能和适用性能。特别适用于替换电磁损耗很大的高压、超高压交流输电的普通钢丝铠装单芯海底电力电缆，具有明显的节能效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明电缆的结构示意图。
图2为本发明电缆的另一种结构示意图。
图3为本发明电缆的第三种结构示意图。
具体实施方式
一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，如图1所示其内层至外层依次分别为阻水导体1、导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层4、第一半导电阻水缓冲层5、金属屏蔽层8、塑料增强保护层9、金属铠装层和外被层11，所述金属屏蔽层8为铅套管屏蔽层，在所述第一半导电阻水缓冲层5与金属屏蔽层8之间设置有由铜丝导线构成的铜丝疏绕屏蔽6，所述金属铠装层由非磁性有色金属合金丝10构成。
所述的绝缘层3是由交联聚乙烯绝缘料构成。近年来，交联聚乙烯绝缘材料因其优良的介电和耐热性能已被广泛应用于高压和超高压电力电缆。与油浸纸绝缘海底电力电缆相比较，交联聚乙烯绝缘海底电力电缆的各项机械性能要好许多，在较恶劣的海洋敷设环境中，抗浪涌冲击性能强，有较好的弯曲性能，抗震性好，免维护。因此交联聚乙烯绝缘电缆比油浸纸绝缘电缆更适用于海底电缆恶劣的工作环境。
所述的绝缘层3的绝缘料，采用超高压交联电缆专用的超净化交联聚乙烯绝缘料制造；海底电力电缆的绝缘层如果采用特殊的低水树超净化交联聚乙烯绝缘料制造则更具有技术优势。
所述的导体屏蔽层2、绝缘屏蔽层4采用特制的超光滑半导电聚烯烃屏蔽料制造。导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层4采用三层共挤交联电缆生产线一次挤出制造完成。
所述电缆的阻水导体1由多根铜导线分层绞合、紧压构成，每层导线之间均嵌有半导电阻水带或阻水纱。阻水导体1与导体屏蔽层2之间设置有绕包的半导电阻水带，绕包的半导电阻水带和半导电屏蔽层联合构成导体屏蔽层2。
电缆线芯的绝缘屏蔽层4与铅套管金属屏蔽层8之间，设置有绕包的半导电阻水膨胀带构成的第一半导电阻水缓冲层5和第二半导电阻水缓冲层7。金属屏蔽层8外由密闭性能良好的合金铅套管构成，合金铅套管制成的金属屏蔽层8外设置有塑料增强保护层9。上述各层设置联合形成了海底电力电缆的阻水构造。
由于敷设于海岸或浅海的电力电缆区域，过往船只较多，一旦由于意外(如锚害)使海底电力电缆合金铅套管制成的金属屏蔽层8及塑料增强保护层9均遭破坏，或者是海底电缆整体被船锚拉断，则海底电力电缆的铅套管屏蔽层内部的各层结构可能会进水。因此，海底电力电缆在其径向阻水结构合金铅套管制成的金属屏蔽层8内，绞合紧压阻水导体1内部，阻水导体1与导体屏蔽层2的间隙，电缆线芯绝缘屏蔽层4与金属屏蔽层8的间隙，均设置有阻水构造，一旦海底电力电缆合金铅套管制成的金属屏蔽层8破损进水，各层半导电阻水膨胀带遇水膨胀发挥作用，起到很好的纵向阻水作用，延缓和阻止海水的进一步浸入，减少海水浸害海底电力电缆的长度，方便海底电缆事故后的抢修工作及减少损失。
阻水导体1与导体屏蔽层2之间绕包的半导电阻水带，绝缘屏蔽层4与合金铅套管制成的金属屏蔽层8之间绕包的半导电阻水缓冲层，同时兼有电缆各层结构设计的电接续功能，不可或缺。
在第一半导电阻水缓冲层5的外面为径向密闭的金属屏蔽层8，海底电力电缆的金属屏蔽层8因为有特殊的防海水腐蚀要求和机械性能要求，一般均应采用挤包的铅套管金属屏蔽层结构。所述的铅套管屏蔽层与塑料增强保护层9联合构成海底电缆径向阻水、防腐结构。
对于金属套屏蔽层8，一般均采用合金铅套管屏蔽结构。虽然铅套管屏蔽电力电缆具有柔软、耐腐蚀、易接续且加工工艺性能较好的优点；但由于铅套的熔点较低，电阻率较高，因此合金铅套屏蔽层上单位截面积允许通过的电流也就较低，相对应的防雷击瞬态短路电流也就较低。
对用于高压、超高压交流输电的单芯海底电力电缆，如果单纯采用铅套管屏蔽层要满足电缆的防雷击瞬态短路电流要求，势必要增加电缆铅套管屏蔽层的截面积。由于铅的比重大、资源少，价格较高，增加铅套管屏蔽层的厚度既截面积，势必大幅度增加海底电缆的设计重量和造价。
因此，对于高压、超高压的220～500kV交流单芯海底电力电缆，为了既能满足海底电缆特殊的防腐蚀性能要求而采取铅套管屏蔽结构设计，又要不至于使铅套管屏蔽结构设计的过厚，从而使海底电缆的单位长度重量设计的过重；还要满足电缆金属屏蔽层8的电性能设计要求；我们在高压、超高压海底电力电缆的铅套管屏蔽层的内部增加了一层与金属屏蔽层8相并联的，用多根铜丝导线构成的电气连接铜丝疏绕屏蔽6，铜丝疏绕屏蔽6降低了电力电缆金属屏蔽层的综合电阻，从而提高了电缆金属屏蔽层构件的防雷击瞬态短路电流容量。并能适当地降低高压、超高压交流单芯海底电缆的金属护套环流产生的附加损耗。
在合金铅套构成的金属屏蔽层8的内部，设计由两层半导电阻水缓冲层夹持的多根铜丝疏绕屏蔽6，是为了防止一旦海底电力电缆合金铅套管屏蔽层破损进水，由两层阻水缓冲膨胀带包裹住的铜丝设计结构能起到很好的纵向阻水作用。如果采用单层半导电阻水带结构，则其阻水效能将大打折扣。
电缆合金铅套管屏蔽层的制造采用螺杆式连续挤铅机。用于海底电缆制造的合金铅，依照不同的电缆结构和各电缆制造企业的使用习惯，可以有多种合金铅的配合牌号。应用于大长度海底电缆制备的合金铅材料还应保证长时间、连续挤出性能好。
所述的合金铅套管制成的金属屏蔽层8与塑料增强保护层9联合构成海底电缆径向阻水、防腐结构。合金铅套管外用挤塑机连续挤制包覆一层塑料增强保护层9。合金铅套管与塑料增强保护层9之间涂有一层粘接剂，使其成为一整体，防止塑料增强保护层9损坏后海水沿夹缝空隙渗透的可能性。这层塑料增强护层可提高电缆铅管护套的耐疲劳性2～3倍。这对深海敷设的电力电缆极为重要。同时塑料增强保护层9对电缆的金属屏蔽层8有很好防止化学的、电性的双重腐蚀作用，塑料增强保护层9对处于海洋恶劣环境中的高压、超高压海底电力电缆的合金铅套管制成的金属屏蔽层8，是设计中不可或缺的增强保护构件。
合金铅套管的塑料增强保护层9根据海底电力电缆的不同使用环境和敷设条件，可采用聚乙烯(PE)塑料或其它聚烯烃塑料制成。目前常采用半导电聚烯烃塑料制造，作为优选可采用海底电力电缆专用的改性半导电中密度聚乙烯制造，该材料机械性能较好，不易龟裂。用半导电聚烯烃塑料制成的塑料增强保护层9，除了能满足对合金铅套管屏蔽层的机械保护作用，并对合金铅套管屏蔽层具有很好的防腐蚀作用，并同时能满足高压、超高压单芯海底电力电缆的特殊电性能连续要求。
所述的塑料增强保护层9外为金属铠装层，金属铠装层由圆周排列的多根非磁性有色金属合金丝10构成。对于传输大功率交流电能的单芯海底电力电缆而言，如果采用镀锌低碳钢丝做电缆的金属铠装层，势必使单芯海底电力电缆增加了一重由铁磁材料形成的交变磁场及较高的电磁感应电势，从而产生较大的磁滞损耗和涡流损耗，进而增大了单芯电力电缆的环流损耗。这些电磁损耗因数的增加，增大了电缆内部钢丝铠装层的发热量，从而大幅度降低了单芯钢丝铠装海底电力电缆的额定载流量。因此对于传输大功率交流电能的单芯海底电力电缆，尤其是对于高压、超高压交流输电的单芯海底电力电缆而言，应避免采用低碳钢丝做单芯海底电力电缆金属铠装层的设计。
对于高压、超高压交流输电的单芯海底电力电缆的金属铠装设计，敷设于陆地淡水环境的江河、湖泊中的单芯水下电力电缆，可采用有较高机械强度的硬铝合金丝做铠装材料。这样即能满足设计技术要求，同时硬铝合金丝铠装的单芯水下电力电缆制造成本也较低。
对于高压、超高压交流输电的220～500kV级单芯海底电力电缆的金属铠装设计，敷设于盐分浓度较高的海水中的单芯海底电力电缆，可采用有较高机械强度、防腐性能好的非磁性有色金属合金丝做铠装材料。例如铜合金丝，或者是专用于单芯海底电力电缆铠装的防腐无磁高锰镍合金丝，也可采用特制的防腐蚀硬铝合金丝做铠装材料。
所述金属铠装层外为外被层11。对于大长度的高压、超高压交流输电的220～500kV级单芯海底电力电缆，其外被层可采用聚丙烯(PP)绳+沥青浸渍混合防腐外被层，即可使制造加工也较为方便，又能满足单芯海底电力电缆的电气设计需要。
近年来，随着高压、超高压海底输电工程应用技术领域的拓展，尤其是在使用环境较恶劣的海上石油平台输电工程系统，海上风能发电工程系统中，选择交联聚乙烯绝缘海底电力电缆替代传统的油浸纸绝缘海底电力电缆，则具有更优良的机械性能和适用性能。从而使交联聚乙烯绝缘海底电力电缆在高压、超高压交流海洋输电工程系统中得到越来越广泛的应用。
如图2所示，本发明电缆的金属铠装层采用由非磁性有色金属扁线构成的第一有色金属扁线铠装层12。第一有色金属扁线铠装层12外设置有粘胶带捆绑层13，粘胶带捆绑层13可以固定第一有色金属扁线铠装层12。
本发明电缆金属铠装层也可以采用双层非磁性有色金属扁线铠装结构。即在粘胶带捆绑层13外设置有第二有色金属扁线铠装层14，如图3所示。
为保证单芯海底电力电缆的第一有色金属扁线铠装层12的电连续性能，第一有色金属扁线铠装层12可采用硬铜扁线、铜合金扁线。对敷设于陆地淡水环境的江河、湖泊中的单芯水下电力电缆，可采用有较高机械强度、较低电阻率的硬铝合金扁线做铠装材料。
单芯海底电力电缆的第二有色金属扁线铠装层14可采用与第一有色金属扁线铠装层12同一种材料制造，也可采用有较高抗拉强度，耐磨损、耐腐蚀性能好的其它非磁性有色金属扁线制造。第一有色金属扁线铠装层12采用导电性能好的材料，第二有色金属扁线铠装层14采用机械强度较好的材料，可使单芯海底电力电缆的铠装层构造具有较好的综合机械性能和电气性能。作为优选第二有色金属扁线铠装层14可采用单芯海底电力电缆铠装专用无磁高锰镍合金扁线制造。
单芯海底电力电缆的第一有色金属扁线铠装层12和第二有色金属扁线铠装层14的制造工艺，一般设计成异向铠装绕包，若第一有色金属扁线铠装层12采用左向铠装绕包，第二有色金属扁线铠装层14则选择右向铠装绕包。海底电力电缆的两层金属扁线铠装层设计成异向绕包型式有较好的抗拉强度和较高的抗弯曲性能。
如果单芯海底电力电缆的导电线芯截面积较大，就导电线芯的抗拉强度，即能满足海底电缆敷设、安装或打捞等的施工设计机械强度要求，并且海底电力电缆在海底的敷设、深埋环境较好，则可以采用单层的有色金属扁线铠装结构。
在有双层有色金属扁线铠装海底电力电缆中，所述的塑料增强保护层9可以采用半导电聚烯烃塑料制造，作为优选可采用海底电力电缆专用的改性半导电中密度聚乙烯制造。用半导电聚烯烃塑料制成的塑料增强保护层9，除了能满足对海底电力电缆合金铅套管制成的金属屏蔽层8的机械保护作用，并对电缆的合金铅套管屏蔽层具有很好的防腐蚀作用，并同时能满足高压、超高压单芯海底电力电缆的特殊电性能连续要求。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，其内层至外层依次分别为阻水导体（1）、导体屏蔽层（2）、绝缘层（3）、绝缘屏蔽层（4）、第一半导电阻水缓冲层（5）、金属屏蔽层（8）、塑料增强保护层（9）、金属铠装层和外被层（11），其特征在于：所述金属屏蔽层（8）为铅套管屏蔽层，在所述第一半导电阻水缓冲层（5）与金属屏蔽层（8）之间设置有由铜丝导线构成的铜丝疏绕屏蔽（6），所述金属铠装层由非磁性有色金属合金丝（10）构成；铜丝疏绕屏蔽（6）与金属屏蔽层（8）之间设置有第二半导电阻水缓冲层（7）。
2.一种高压、超高压交联聚乙烯绝缘单芯海底电力电缆，其内层至外层依次分别为阻水导体（1）、导体屏蔽层（2）、绝缘层（3）、绝缘屏蔽层（4）、第一半导电阻水缓冲层（5）、金属屏蔽层（8）、塑料增强保护层（9）、金属铠装层和外被层（11），其特征在于：所述金属屏蔽层（8）为铅套管屏蔽层，在所述第一半导电阻水缓冲层（5）与金属屏蔽层（8）之间设置有由铜丝导线构成的铜丝疏绕屏蔽（6），所述金属铠装层为由非磁性有色金属扁线构成的第一有色金属扁线铠装层（12），第一有色金属扁线铠装层（12）外设置有粘胶带捆绑层（13）；铜丝疏绕屏蔽（6）与金属屏蔽层（8）之间设置有第二半导电阻水缓冲层（7）。
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