CN111261330A - 一种充油型500kV超高压海底电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充油型500kV超高压海底电缆，本发明的导体支撑管起到支撑梯形导体的作用，工作时绝缘油在里面不断地循环，带走导体热量，降低导体温度，增大导体载流量；双层半导电带绕包层可有效防止产生突起状高压放电现象；铜带屏蔽层，当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流，短路故障时通过短路电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电；芳纶纤维丝和电缆同心螺旋缠绕，致密缝隙小。涂抹沥青，其抗疲劳强度超过钢丝10倍以上，且耐腐蚀、耐刮磨、耐高低温，在海水中使用寿命超过30年。

Description

一种充油型500kV超高压海底电缆

技术领域

本发明涉及海底电力传输用电缆的领域，尤其涉及一种充油型500kV超高压海底电缆。

背景技术

海底电缆指敷设在江、河、湖、海水底的电缆，它的发展历史超过百年，最初用于向近海的灯塔等设备供电，现在海底电缆主要用于海岛与大陆或海岛之间，陆地与海上风场、海上钻井平台之间的电网连接、通讯连接，短程江河跨越等等． 其功能也由单纯的电力电缆、通信电缆发展到现在的能同时进行电力和通讯传输的光电复合电缆。

海底电缆的需求量大，而目前世界上具备高压、超高压海底电缆生产能力的厂家不多，这就给电缆制造业提供了广阔的市场前景。海底地貌复杂，海底电缆的工作环境与地下电缆不尽相同，其技术难点在于:①导体纵向阻水技术;②软接头开发，要有同电缆本体相同的电气性能和机械性能;③金属护套及铠装的防腐、防蚀设计;④大长度海底电缆安全预警和测温控制;⑤大长度电缆和接头的例行试验。

交联聚乙烯绝缘(XLPE)海底电缆发展于上世纪80 年代，多数用于 220 kV 及以下电压等级，其制造和运行经验还远不如充油海底电缆． 截止到目前，电压等级最高的XLPE 交流海底电缆是耐克森(NEXANS)公司正在为位于挪威海的大型 Ormen Lange 天然气田安装的 2. 2 km 长的 420 kV 4 根单心海底电缆． 500kV 交流长距离海底电缆，目前应用的仅有充油电缆。

与充油电缆相比，XLPE 电缆具有以下优点:①XLPE 电缆是固体绝缘，不需复杂的充油系统，不需要检测油位、控制油压，运行费用低;②XLPE 电缆没有铅护套，弯曲半径小、质量轻，可生产、敷设的长度更长，且在敷设安装和运输时都要比充油电缆简单;③XLPE 海底电缆的电气性能和机械性能也都优于充油电缆． 正因如此，XLPE 绝缘海底电缆的发展有着更广阔的前景，但也有众多技术问题尚需解决．

普通的交联聚乙烯电缆在直流电压作用下，电缆绝缘中的空间电荷会在某处集中，从而造成此处局部场强过高而被击穿． 在绝缘材料中采用添加剂可以减缓电缆绝缘中空间电荷累积，使得交联聚乙烯电缆可以用于直流高压供电． 2002 年，第一根挤包型单心直流海 底 电 缆 ( 轻 型 直 流 电 缆，瑞 典 ABB)，电 压±150 kV，长度 40 km，容量 330MW，用于连接纽约长岛和美国的康涅狄格 。 这种直流海底电缆采用 3 层聚合材料挤压成单极性电缆，内外屏蔽层与绝缘层同时挤压，具有高强度、环保和便于掩埋等优点，适用于深海等恶劣环境． XLPE 绝缘直流海底电缆现最高电压可达 320 kV。

海底电缆的相关技术问题：

1 海底电缆的防水，当机械应力或外力造成电缆护套及绝缘损伤、接头损坏时，潮气或水分会沿着电缆纵向和径向间隙浸入，降低绝缘的电气强度，因此多数高压海底电缆都具有防止水分入侵的纵向、径向防水措施。 径向措施主要是在绝缘屏蔽和金属屏蔽层外面绕包半导电阻水膨胀带，在金属屏蔽层外面添加金属防水层即金属护套，中压电缆电场强度相对较低，一般使用铝塑复合护套，也有仅用聚合物护套的，高压电缆则采用铅、铝、不锈钢的金属密封套． 聚合物护套具有防水性，但却有一定的吸水率，这是因为其结构主要是由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物． 结晶相结构紧凑，无定形相中的分子排列疏松，分子间存在较大的间隙． 在交变电场的作用下，极性的水分子不断来回翻转，可以透过间隙和晶界缺陷处渗透到绝缘材料中． 采用聚合物护套时，护套里要加具有吸水作用的阻水剂。

纵向阻水主要采用①压紧型线心;②在导线之间和缆心屏蔽区添加阻水性物质，阻断水分在缆心中的扩散通道． 纵向阻水采用阻水粉填充效果好，它的吸水量为自身的几十倍乃至几千倍，吸水强度大、膨胀率高，吸水后可迅速膨胀形成凝胶状物质，阻塞渗水通道，终止水分和潮气的进一步扩散和延伸，使受潮电缆的长度降到最低。

2 软接头技术，连续长度是海底电缆的基本要求之一． 在电缆生产过程中，如果单根电缆长度不能满足要求，可以在制造厂内采用一定的方法，把 2 段或几段电缆的各部分连接起来，连接处的性能满足运行的需要，且连接处的外径与电缆本体相差不大，这种接头处理的方式称为软接头． 软接头与电缆本体一样，不仅要保证电缆的电气性能，还要承受拉、扭、弯曲等机械应力，其技术难度较大，对生产安装环境要求苛刻，目前超高压海底电缆软接头世界上只有少数几个知名厂家能够生产。

在工厂中制作软接头首先进行的是导体连接，采用银焊等直径线芯焊接，焊接时要避免产生未连接上、裂缝、微孔等焊接缺陷，可以用 X 射线检查焊接质量．临近焊接处的导体因为受到煅烧，是薄弱环节，机械强度只有正常导体的 70% 左右。 其次要连接绝缘，先在待连接的电缆两端制作反应力锥，再缠绕与电缆本体相似的绝缘纸带或聚合物绝缘带，或者采用“挤塑模铸法”，用挤塑机将 XLPE 直接挤入成型模具． 为避免一次挤出的厚度过大(15 ～30 mm)，导致在后期加压加热硫化过程中产生大的气孔，可改成分层挤塑硫化处理． 但其结果是加工工期长，可达 1 个多月。 在处理导体屏蔽层和与接头屏蔽层的过渡时，周围环境对产品质量有相当大的影响，必须在有一定湿度和温度控制要求的密闭空间进行． 护套则是用事先套在绝缘外的铅管焊接而成，最后与电缆本体一起装铠，因此可以说软接头是一种隐藏式的电缆接头，除非特殊标注，否则在外观上很难识别．

3 金属护套及铠装的防腐、防蚀设计，海底电缆的寿命某种程度上取决于钢丝铠装的耐腐蚀寿命，因此需要采用一种特殊的钢丝—锌铝镁合金镀层钢丝铠装。由中高密度聚乙烯构成的外护套可以克服沥青的易磨损、易脱落等缺点，且可对钢丝铠装形成更好的保护。钢丝铠装外加装聚丙烯绳外被层，可以提高电缆抗海水侵蚀和施工磨损的能力。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种充油型500kV超高压海底电缆。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种充油型500kV超高压海底电缆，包括有绝缘油循环通道、导体支撑管、梯形铜导体、半导电带绕包层一、半导电导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘半导电屏蔽层、半导电带绕包层二、铜带屏蔽层、铜丝编织层一、垫层一、铅合金保护套、铜丝编织层二、铜合金带加强层、垫层二、聚乙烯防腐护套层、铜合金带防蛀层、垫层三、扁铜带铠装层、高强度纤维棒沥青混合外护套组成。

导体支撑管，是铝合金带联锁扎纹的空管，起到支撑梯形导体的作用，工作时绝缘油在里面不断地循环，带走导体热量，降低导体温度，增大导体载流量。

梯形铜导体，是由单丝形状为梯形的多根铜丝分层绞制而成，采用每层拉拔紧压，减小缝隙的工艺，相较于圆形单丝导体，采用这种形状结构，同截面导体外径要小8%~10%，使整体电缆外径较小。在工作时，导体缝隙处充满绝缘油，可以消除导体中的气隙，杜绝空气中的水气作用。当工作时，随着绝缘油的循环，带走导体热量，增大载流。

半导电带绕包层一，是绕包在梯形导体上的半导电的布带。防止挤包的半导电屏蔽层嵌入梯形导体层，而产生突起状高压放电现象。

半导电导体屏蔽层，是挤包在半导电带绕包层一上半导电聚乙烯屏蔽料，起到均衡电场，防止高压放电现象。

交联聚乙烯绝缘层，是挤包在半导电导体屏蔽层外的交联聚乙烯绝缘料，采用的材料为高纯净交联聚乙烯绝缘料，隔离电流与外护层的作用。

绝缘半导电屏蔽层，是挤包在交联聚乙烯绝缘层上半导电聚乙烯屏蔽料，起到均衡电场，防止高压放电现象。该半导电层是和交联聚乙烯绝缘及导体半导电屏蔽层通过立塔式交联生产线共同挤出，接触面相互紧密无缝隙，防止由于间隙而导致高压放电现象。

半导电带绕包层二，是绕包在交联聚乙烯绝缘层上半导电布带，防止铜带金属屏蔽受压损伤绝缘层的作用。

铜带屏蔽层，是铜带绕包在半导电带绕包层二上。当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流，短路故障时通过短路电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电。

铜丝编织层一，是由多股铜线通过金属编织机编织在铜带屏蔽上的铜丝网，起到增大铜带屏蔽层截面的作用，部分作用和铜带屏蔽层一样。

垫层一，是由多层绝缘布带绕包在铜丝编织层一上，起到隔离作用。

铅合金保护套，是由铅合金通过挤压形成致密金属护套层，由于铅合金防腐、防水性能优良，很好地保护电缆内部作用。

铜丝编织层二，是由多股铜线通过金属编织机编织在铜带屏蔽上的铜丝网，当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电。

铜合金加强层，是由铜合金带重叠绕包在铜丝编织层上，保护铜丝编织层，加强电缆的机械强度作用。

垫层二，是由多层绝缘布带绕包在铜合金带加强层上，起到隔离作用。

聚乙烯防腐护套层，是由高密度聚乙烯挤包的护套层，高密度聚乙烯具有防水、防腐的性能，可以很好地防止海水腐蚀缆芯的作用。

铜合金带防蛀层，是由铜合金带重叠绕包在聚乙烯防腐护套层上，防止海水中小型动物啃咬电缆的，破坏电缆的内部结构作用。

垫层三，是由多层绝缘布带绕包在铜合金带加强层上，起到隔离作用。

扁铜带铠装层，是由多根扁形铜带缠绕在电缆上，起到抗拉、抗压作用，保护电缆芯。

高强度纤维棒沥青混合外护套是由芳纶纤维丝组成的纤维棒缠绕在电缆上，任何涂抹沥青，形成电缆外护层。

本发明的优点是：本发明的导体支撑管起到支撑梯形导体的作用，工作时绝缘油在里面不断地循环，带走导体热量，降低导体温度，增大导体载流量；双层半导电带绕包层可有效防止产生突起状高压放电现象；铜带屏蔽层，当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流，短路故障时通过短路电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电；芳纶纤维丝和电缆同心螺旋缠绕，致密缝隙小。涂抹沥青，其抗疲劳强度超过钢丝10倍以上，且耐腐蚀、耐刮磨、耐高低温，在海水中使用寿命超过30年。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种充油型500kV超高压海底电缆，包括有绝缘油循环通道1、导体支撑管2、梯形铜导体3、半导电带绕包层一4、半导电导体屏蔽层5、交联聚乙烯绝缘层6、绝缘半导电屏蔽层7、半导电带绕包层二8、铜带屏蔽层9、铜丝编织层一10、垫层一11、铅合金保护套12、铜丝编织层二13、铜合金带加强层14、垫层二15、聚乙烯防腐护套层16、铜合金带防蛀层17、垫层三18、扁铜带铠装层19、高强度纤维棒沥青混合外护套20组成。

导体支撑管2，是铝合金带联锁扎纹的空管，起到支撑梯形导体的作用，工作时绝缘油在里面不断地循环，带走导体热量，降低导体温度，增大导体载流量。铝合金带采用8000系列稀土铝合金带材，通过联锁铠装机，边与边锁扣后扎纹，经过特殊制造的穿芯履带牵引机，该机能防止支撑管在牵引时压扁，然后圈入立式落线收线框内备用。

梯形铜导体3，是由单丝形状为梯形的多根铜丝分层绞制而成，采用每层拉拔紧压，减小缝隙的工艺，相较于圆形单丝导体，采用这种形状结构，导体紧压系数达到98%，同截面导体外径要小8%~10%，使整体电缆外径较小。单丝拉丝采用异形模具，拉制成梯形单丝，根据工艺，分层绞合，绞合模具为纳米合金拉拔模，拉拔的导体外表圆整、光滑，无缝隙，无需通过分裂导体形式，可一次性绞制成截面达到1000mm²的铜导体。电缆接入输配网系统中，接入充油循环系统，通电时，导体缝隙处充满绝缘油，可以消除导体中的气隙，杜绝气隙中的水气作用。当工作时，随着绝缘油的循环，带走导体产生的热量，增大载流量。这种设计是结合充油纸绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆超高压的所有优点而形成的结合体电缆。

半导电带绕包层一4，是绕包在梯形导体上的半导电的布带。防止挤包的半导电屏蔽层嵌入梯形导体层，而产生突起状高压放电现象。该布带机械强度高、电阻率小，挤包后与半导电屏蔽层牢牢附着在一起，不会产生空隙，影响电性能。

半导电导体屏蔽层5，是挤包在半导电带上半导电聚乙烯屏蔽料，起到均衡电场，防止高压放电现象。该半导电层是和交联聚乙烯绝缘层通过立塔式交联生产线共同挤出，接触面相互紧密无缝隙，防止由于间隙而导致高压放电现象。

交联聚乙烯绝缘层6，是挤包在半导电导体屏蔽层外的交联聚乙烯绝缘料，采用的材料为高纯净交联聚乙烯绝缘料，隔离电流与外护层的作用。由于我们采用超纯净的交联聚乙烯绝缘料，击穿强度平均值达到135kV/mm，超过同期平均击穿强度80kV/mm，所以设计绝缘厚度由32mm降低导28mm，减小了电缆外径。

绝缘半导电屏蔽层7，是挤包在交联聚乙烯绝缘层上半导电聚乙烯屏蔽料，起到均衡电场，防止高压放电现象。该半导电层是和交联聚乙烯绝缘及导体半导电屏蔽层通过立塔式交联生产线共同挤出，接触面相互紧密无缝隙，防止由于间隙而导致高压放电现象。

半导电带绕包层二8，是绕包在交联聚乙烯绝缘层上半导电布带，防止铜带金属屏蔽受压损伤绝缘层的作用。

铜带屏蔽层9，是铜带绕包在半导电带上。当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流，短路故障时通过短路电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电。

铜丝编织层一10，是由多股铜线通过金属编织机编织在铜带屏蔽上的铜丝网，起到增大铜带屏蔽层截面的作用，部分作用和铜带屏蔽层一样。编织的铜丝网为正反两组线定相反方向将铜丝股线交叉织在铜带屏蔽层上。其整体截面根据电缆短路电流而决定。若电缆或设备发生故障，起到导流作用。

垫层一11，是由多层绝缘布带绕包在铜丝编织层上，起到隔离作用。

铅合金保护套12，是由铅合金通过挤压形成致密金属护套层，由于铅合金防腐、防水性能优良，很好地保护电缆内部作用。缆芯通过金属护层挤包机，将铅合金挤包在缆芯上，形成致密的铅合金保护套层。该层是海底超高压电缆重要的防水、防腐层，在挤包过程中经过金属探伤仪无缝隙地检测，若检测导缺陷，修复后经过拉拔紧压。

铜丝编织层二13，是由多股铜线通过金属编织机编织在铜带屏蔽上的铜丝网，当电缆正常通电时金属屏蔽层通过电容电流；将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；均化电场，防止轴向放电。

铜合金带加强层14，是由铜合金带重叠绕包在铜丝编织层上，保护铜丝编织层，加强电缆的机械强度作用。

垫层二15，是由多层绝缘布带绕包在铜合金带加强层上，起到隔离作用。

聚乙烯防腐护套层16，是由高密度聚乙烯挤包的护套层，高密度聚乙烯具有防水、防腐的性能，可以很好地防止海水腐蚀缆芯的作用。

铜合金带防蛀层17，是由铜合金带重叠绕包在聚乙烯防腐护套层上，防止海水中小型动物啃咬电缆的，破坏电缆的内部结构作用。该层采用双层绕包，每层重叠缠绕在防腐护套上，重叠率不小于30%。搭盖处在生产时连续涂敷粘合剂，封堵铜带缝隙，防止海洋微小生物侵入电缆内部蛀咬护层。

垫层三18，是由多层绝缘布带绕包在铜合金带加强层上，起到隔离作用。

扁铜带铠装层19，是由多根扁形铜带缠绕在电缆上，起到抗拉、抗压作用，保护电缆芯。缠绕层紧密，缝隙最大不超过0.2mm

高强度纤维棒沥青混合外护套20，是由芳纶纤维丝组成的纤维棒缠绕在电缆上，任何涂抹沥青，形成电缆外护层。芳纶纤维棒和电缆同心螺旋缠绕，致密缝隙小。涂抹沥青，其抗疲劳强度超过钢丝10倍以上，且耐腐蚀、耐刮磨、耐高低温，在海水中使用寿命超过30年。

本产品工艺流程：联锁支撑管扎纹——绞制导体——绕包半导电带——三层共挤（导体半导电屏蔽、交联聚乙烯绝缘、绝缘半导电屏蔽）——绕包半导电带、铜带屏蔽——编织铜丝屏蔽——绕包垫层——挤包铅合金护套——拉拔紧压铅合金护套——编织铜丝屏蔽层——绕包铜合金加强层——绕包垫层——挤包聚乙烯护套——绕包垫层——缠绕铜合金铠装——缠绕芳纶纤维棒、涂抹沥青。

Claims (10)

1.一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：由内向外依次包括有导体支撑管、梯形铜导体、半导电带绕包层一、半导电导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘半导电屏蔽层、半导电带绕包层二、铜带屏蔽层、铜丝编织层一、垫层一、铅合金保护套、铜丝编织层二、铜合金带加强层、垫层二、聚乙烯防腐护套层、铜合金带防蛀层、垫层三、扁铜带铠装层和高强度纤维棒沥青混合外护套，所述的导体支撑管为空心的，导体支撑管的内腔为绝缘油循环通道。

2.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的导体支撑管是铝合金带联锁扎纹的空管；所述的梯形铜导体是由单丝形状为梯形的多根铜丝分层绞制而成，采用每层拉拔紧压的方式。

3.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的半导电带绕包层一和半导电绕包层二分别为绕包在梯形铜导体和绝缘半导电屏蔽层上的半导电的布带。

4.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的半导电导体屏蔽层和绝缘半导电屏蔽层分别是挤包在半导电带绕包层一和交联聚乙烯绝缘层上的半导电聚乙烯屏蔽料。

5.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于： 所述的铜丝编织层一和铜丝编织层二均是由多股铜线通过金属编织机编织而成的铜丝网。

6.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的垫层一、垫层二和垫层三均是由多层绝缘布带绕包层。

7.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的铅合金保护套是由铅合金通过挤压形成的护套层；所述的铜合金带加强层和铜合金带防蛀层均是由铜合金带重叠绕包而成的。

8.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的聚乙烯防腐护套层是由高密度聚乙烯挤包而成的。

9.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的扁铜带铠装层是由多根扁形铜带缠绕在所述的垫层三上的。

10.根据权利要求1所述的一种充油型500kV超高压海底电缆，其特征在于：所述的高强度纤维棒沥青混合外护套是由芳纶纤维丝组成的纤维棒缠绕在所述的扁铜带铠装层上。

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