新型海岸滩涂风电场光电复
新型海岸滩涂风电场光电复合电力电缆的研制
2010
年第
2
期
No.
2
2010
电
线
电
缆
Electric
Wire
&
Cable
2010
年
4
月
Apr.
,
20
)
摘要
:
介绍了该种新型海岸滩涂风电场光电复合电力电缆的结构
、
功能设计和金属护套感应电势计算
,
以及对
成品电缆进行的阻水试验
、
耐海水腐蚀试验和其它常规试验
。
关键词
:
光电复合电力电缆
;
纵向阻水
;
径向阻水
;
耐海水腐蚀
;
设计
;
试验
中图分类号
:
TM247.
1
;
TN818
文献标识码
:
A
文章编号
:
1672-
6901
(
2010
)
02-
0019-
04
Development
of
a
New
Power
Cable
Composite
with
Optical
Fibers
for
Coastal
Wind
Farm
WANG
Ke-
hao
,
et
al
(
Jiangsu
Hengtong
Power
Cable
Co.
,
Ltd.
,
Wujiang
215234
,
China
)
Abstract
:
In
this
paper
,
in
terms
of
a
new
power
cable
composite
with
optical
fibers
for
coastal
wind
farm
,
the
con-
struction
,
performance
design
and
calculation
of
the
inductive
potential
of
the
metal
sheath
are
presented.
Also
pres-
ented
are
the
water
blocking
test
for
the
finished
cable
,
test
of
resistance
to
corrosion
by
sea
water
and
other
routine
tests.
Key
words
:
power
cable
composite
with
optical
fibers
;
longitudinal
water
blocking
;
radial
water
blocking
;
resistance
to
corrosion
by
sea
water
;
design
;
test
收稿日期
:
2009-
08-
14
作者简介
:
王科好
(
1968
-
),
男
,
工程师
.
作者地址
:
江苏吴江市七都工业区
[
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
×
240
mm
2
,
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
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
,
zui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ZD
:
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zui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ZD
。
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zui
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ZX部位或边缘空隙中
。
如果放在ZX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
。
·
0
2
·
2010
年第
2
期
No.
2
2010
电
线
电
缆
Electric
Wire
&
Cable
2010
年
4
月
Apr.
,
2010
![](http://bcs.wenku.bdimg.com/docconvert255-nj/%2Fwk%2Fd354d85548e4e00fb67d47bb2b494e60%2F0.png?sign=MBOT:y1jXjmMD4FchJHFHIGN4z:5YfQCZy%2FByGIP1mwZl+m+XAWhps=&time=1382327374&range=7903-58059&response-cache-control=max-age=2592000&response-expires=Wed%2C%2020%20Nov%202013%2010%3A49%3A34%20+0800)
图
1
光单元结构示意图
1
-
钢丝铠装层
2
-
HDPE
内护套
3
-
不锈钢松套管
4
-
光纤
5
-
纤膏
6
-
HDPE
外护套
1.
5
复合缆护层
根据敷设的zui大海深
,
计算出敷设时所需承受
zui大拉力
,
确定复合缆铠装层钢丝采用直径为
Φ
4.
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
,
zui终确认的复合缆结构见
图
2
![](http://bcs.wenku.bdimg.com/docconvert255-nj/%2Fwk%2Fd354d85548e4e00fb67d47bb2b494e60%2F0.png?sign=MBOT:y1jXjmMD4FchJHFHIGN4z:5YfQCZy%2FByGIP1mwZl+m+XAWhps=&time=1382327374&range=7903-58059&response-cache-control=max-age=2592000&response-expires=Wed%2C%2020%20Nov%202013%2010%3A49%3A34%20+0800)
。
图
2
26
/35
kV
海岸滩涂风电场光电复合缆结构
1
-
阻水铜导体
2
-
导体半导电屏蔽
3
-
XLPE
绝缘
4
-
绝缘半
导电屏蔽
5
-
半导电阻水带
6
-
铜塑复合带
7
-
特种护套
8
-
防水填充
9
-
成缆包带
10
-
特种内衬层
11
-
镀锌低碳钢丝铠
装
12
-
耐海水腐蚀外被层
13
-
光纤单元
14
-
海缆特种纤膏