三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之二
——工艺设计及设备

吴建宁， 郑运焱， 吴 弘

（宜昌联邦电缆有限公司,湖北宜昌 443007）

三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之二
——工艺设计及设备

吴建宁， 郑运焱， 吴 弘

（宜昌联邦电缆有限公司,湖北宜昌 443007）

对交联聚乙烯绝缘三芯光电复合海底电力电缆的工艺技术及关键的制造装备进行了介绍。

三芯光电复合海底电力电缆；交联聚乙烯绝缘；钢丝铠装；工艺；装备

《电线电缆》2012年第3期刊登了《三芯光电复合海底电力电缆的设计与制造之一——结构设计》,本文介绍海底电缆的工艺设计及设备,并对两个主要电性能试验项目做了说明。

1 三芯光电复合海缆的工艺设计及设备

海底电缆的生产工艺流程如下:阻水导体绞制、半导电阻水带绕包→导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽挤制→去气处理→半导电阻水带绕包→合金铅套管挤制→塑料增强保护层→立式成缆机绞合并复合光缆单元→成缆捆扎→钢丝装铠及内衬层、外被层。

1.1 阻水导体的工艺设计

（1）导体一般采用多层正规绞合,分层嵌入阻水带,分层紧压成形,同时导体与导体屏蔽层之间也应有绕包的半导电阻水带。绞制阻水导体时,小截面的导体加嵌阻水带可采用平拖或随绞笼转动带入方式,大截面导体的半导电阻水带可采用与绞线机同步的绕包头绕包方式。

在绕包导体与导体屏蔽层之间的半导电阻水带后,还要加绕一层起防护作用的无纺布带,这层防护带在挤制交联聚乙烯（XLPE）绝缘进入机头前予以拆除。半导电阻水带与无纺布带应在导线绞制时,由同步绕包头一次绕包完成。

（2）绞制好的阻水导体如不能及时投入下道工序,则必须置于烘房内,防止阻水带吸潮,特别是阴雨天更应注意。否则,吸潮严重的线芯将严重妨碍后道工序,尤其是电缆绝缘的挤制。

（3）随着国内海底电力电缆制造工艺技术的进步,110 kV海底电缆制造长度要求大于16 km,35 kV海缆要求达到30～40 km。常规的立柱式收、放线架已经无法满足大长度海缆的制造工艺需要,为此,设计了转盘式收放线机,作为海缆制造中间工序的收、放线周转。转盘式收放线机典型设计见图1,其基本参数为:转盘最高转速1.8～2.5 r/min,内圈最高收线速度20 m/min,最大载重量300～600 t,最大收线直径200 mm。可根据不同的海缆制造工序及用途,选择相应的结构尺寸,直径小于10 m的转盘可以不设置外圈承重轮轨系统。

用于承载铜导体,可选择载重量350 t左右、直径6～8 m的移动式转盘。用于绝缘线芯周转,或是作为去气房用承线转盘,可选择载重量500 t左右、直径10～12 m带外圈承重轮轨的大转盘。

图2是用直径8 m的转盘进行铜导体的收、放线,图3是在蒙古包形去气房内用直径10 m的转盘进行绝缘线芯的收、放线。

图1 转盘式收放线机示意图

图2 直径8 m的转盘式收放线机

图3 直径10 m的转盘式收放线机及蒙古包形去气房

1.2 三层共挤的工艺设计

（1）导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽采用从德国特勒斯特（TROESTER）公司引进的三层共挤交联电缆生产线制造。由于挤出机的螺杆及流道设计合理、无死角,各个温区温度控制精度较好,不易产生老胶。再加上采用陶氏公司超净化高压XLPE绝缘料,能够连续开机7～10天不停车,保证了大长度的生产。

对于要求单根长度达15～20 km的无接头220 kV绝缘线芯,则可以采用TROESTER公司的含2台主绝缘挤出机的四机共挤XLPE绝缘生产线（见图4）,可以保证600 kg/h的XLPE绝缘挤出量。

图4 四机共挤XLPE绝缘生产线

（2）为了保证大长度海底电缆的质量,应采用高一个电压等级、优质的超净化XLPE绝缘料,不允许采用低档的XLPE绝缘料。否则由于交联机组连续长时间开机,机身滤网上的杂质、老胶的积累,容易出现质量不稳定,甚至击穿。

1.3 绝缘线芯的去气装置

挤塑好的绝缘线芯,要经过去气处理后才能投入下一道工序,这一点对于大长度海底电缆尤其重要。否则绝缘线芯内产生的大量气体会沿着密封的铅护套向电缆两端扩散,影响海底电缆终端或预制式中间接头的安全运行。

（1）如图3所示,去气在移动或固定式蒙古包形去气烘房内进行,并采用转盘式收放线机收卷绝缘线芯。

（2）大长度海缆由于重量较重,收卷在转盘上做去气处理时,处于转盘底层的绝缘线芯承受的压力较大。如果去气温度设定得过高,处于转盘底部线芯的XLPE绝缘层有可能压扁受伤。因此,转盘式收放线机直径要设计得大些,并控制收线转盘上堆积的绝缘线芯高度。同时,为避免转盘底部的绝缘线芯受热而压扁变形,去气烘房的温度不宜过高,一般控制在65～70℃即可。如去气房温度设定得偏低,可适当地延长去气处理的时间。

1.4 铅护套的工艺设计

（1）电缆的铅护套制造采用φ150或φ200螺杆式连续挤铅机。挤铅机生产线上配置有超声波铅套厚度测试仪,用于铅套厚度的无损伤监测,确保铅层的厚度和均匀性。

（2）海底电缆合金铅料的选购

大长度海缆采用E合金铅。为了保证铅套连续挤出,中间不停车,采购的合金铅料质量一定要好,铅料到厂后要做化学成分分析。不得采用非正规厂家的废品回收铅,因为回用铅成分杂,容易堵塞熔铅管流道,造成无法连续挤铅而停车。

（3）挤铅工序注意事项

海底电缆在挤铅工序中,向电缆盘上收卷时,要注意电缆铅套层与层之间要垫衬防粘纸。如果不做垫衬,则铅套在重力和相互摩擦的作用下,会产生粘滞旋转,拉坏铅套,或乱线、无法放线。

应注意多留出数米的电缆,以方便制作海缆软接头并进行电气性能试验。

挤铅机每次开机前,应全面检修保养,以保证能长时间开机不停车。一旦挤铅机因故障停车,应及时拖出线芯,保证整根电缆不被烫伤。拖出的电缆需要进行剥铅处理,修复半导电阻水带后,再重新挤制铅套。

1.5 塑料护层的挤塑

铅护套外的塑料护层常采用改性中密度聚乙烯护套料。电缆铅套在进入挤出机之前,加有一台沥青熔化喷淋装置,在铅护套外浇上一层沥青,抹匀后,再挤包聚乙烯护套。塑料护层虽然没有厚度要求,但也不允许有破洞,发现有洞要及时修复。

1.6 成缆与钢丝铠装绞制方向的设计

海底电缆在成缆及钢丝铠装过程中,存在着一定量的剩余扭转应力。在敷设过程中剩余扭转应力得到释放,引起海底电缆的径向旋转。在浅海区域敷设时,这种旋转是有限的,不至于产生严重的后果,但是在深海区域敷设,电缆的径向旋转如处理不当,会造成比较严重的事故。轻则金属屏蔽层受损,重则导电线芯或光缆单元直接被拉断。

海底电缆的成缆与钢丝铠装绞制方向的设计应注意以下几点:

（1）海底电缆如采用粗钢丝铠装,应与客户做好技术研究和协商,设计成缆与钢丝铠装绞合方向。

（2）在设计海缆时,要向采购方询问清楚海缆的运输及敷设方式,海缆运输、敷设船上是否有动力转盘式收放线机。如果船上没有大型动力转盘,而是采用在船舱中自然下垂的盘绕方式收卷海缆,航行到敷设海域再采用高位退扭盘绕方式敷设,如图5所示。则单层粗钢丝铠装海底电缆的成缆绞向与钢丝铠装绞向应设计为同一方向,一般为左向。

如果采用动力转盘式收放线机收卷和敷设海底电缆（见图6）,则海缆成缆绞向与钢丝铠装绞向,不受限制,一般可采用相反的绞制方向。

（3）石油勘采用深海动、静态电缆和深海敷设的双层粗钢丝铠装海底电缆,两层钢丝铠装绞制方向应相反,一般内层取右向、外层取左向。同时应结合海缆铜导体以及内外层钢丝的绞合回扭应力,以“无旋转扭矩的平衡电缆”模式,计算与选择两层铠装钢丝的机械强度及钢丝直径,使电缆的扭应力基本平衡。对于这类无旋转的双钢丝铠装海底电力电缆,应采用动力转盘式收放线机收卷和敷设。

图5 盘绕模式收卷、敷设海底电缆

图6 大型动力转盘收卷、敷设海底电缆

（4）海底电缆的收卷与敷设,有一个重要原则是“怎么收上去的,怎么放出来”。不允许采用动力转盘收卷了海缆,吊运到敷设现场后,又采用高位退扭盘绕方式敷设。

1.7 托盘式立式成缆机和钢丝铠装机

为了满足220 kV交流三芯光电复合海底电力电缆的生产要求,我公司与国内电工机械制造厂合作,设计出了托盘式立式成缆机和钢丝铠装机。

将以往海底电缆立式成缆机的线芯装载线盘由标准立式线盘,改为卧式的大型托盘。能装载更长的绝缘线芯,且设备运行平稳。

同时,将以往钢丝铠装机采用的双轮牵引机,改为履带式牵引机,使海底电缆的光、电单元不受到侧压力和走位形变应力的破坏。

1.8 挤塑交联型软接头

由于海缆制造长度所限,超过一定长度仍需做中间接头,为此开发出了35～220 kV级XLPE绝缘海底电缆的挤塑交联型软接头,具有优良的电气性能和机械性能,并已通过了型式试验。

2 海底电缆的电性能试验

JB/T 11167.1—2011是参照CIGRE-21-02-Electra-189标准,并结合近年来国内海底电缆的工程实践制定的,以下就大长度海缆的两个主要电性能试验项目做一说明。

（1）局部放电试验

根据CIGRE-21-02-Electra-189标准的要求,应在电缆的首端和尾端取一段试样进行局部放电测量,如果电缆较短,应按IEC 885-3整根挤出电力电缆局部放电测试方法进行。

（2）交流高电压试验

每一根交货长度的海底电力电缆都应做交流工频高电压试验。如果因电缆太长,无法做交流工频高电压试验,可以参照IEC 60840标准采取其它的试验方法,但应与客户协商一致。

针对大长度海底电缆高电压试验的特殊要求,我们采用变频串联谐振高电压试验装置进行耐压试验。图7为360 kV、40 500 kVA变频串联谐振高电压试验装置。

其最高试验电压为2台电抗器串联360 kV；试验频率20～300 Hz；试验最大容量40500 kVA；电抗器并联最大工作电流225 A。可用于长50 km的110 kV海缆的耐压试验,或30～40 km的220 kV海缆的耐压试验。

3 结束语

我公司生产的35～110 kV大长度XLPE绝缘海底电力电缆和挤塑交联型软接头多次送检,都通过了严格的型式试验。交付客户使用至今未发生过断芯和击穿等故障。交付中海油的在渤海湾石油开采、钻井平台用的海底电力电缆,不但代替了价格昂贵的进口电缆,节约了大量资金,同时也保障了国家海上石油勘采工程的安全。

图7 变频串联谐振高电压试验装置

［1］CIGRE-21-02-Electra-189 挤塑绝缘型大长度交流海底电缆试验推荐标准［S］.

［2］IEC 60840:2004 额定电压30 kV（Um=36 kV）以上至150 kV（Um=170 kV）挤包绝缘电力电缆及其附件——试验方法和要求［S］.

［3］GB/T 12706.3—2002 额定电压1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件［S］.

［4］JB/T 11167.1—2011 额定电压10 kV（Um=12 kV）至110 kV（Um=126 kV）交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件第1部分:试验方法和要求［S］.

［5］ThomasWorzyk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.

［6］Yusuke Yano,Shinichi Takagawa,Shinicki kazuhike Tsukada,et al.Design method of non-rotational torque balance cable for deepsea research equipment［Z］.

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Com posite Submarine Cable Part II:Process Technology and Production Equipments

WU Jian-ning,ZHENG Yun-yan,WU Hong
（Yichang Union cable Co.,Ltd.,Yichang 443007,China）

This paper presents systematically the process technology,production equipment of XLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable；XLPE insulating；steel wire armored；process technology；production equipment

TM247.9；TN818 文献标识码：A 文章编号：1672-6901（2012）04-0016-04

2011-12-01

吴建宁（1952-）,男,高级工程师.

作者地址：湖北宜昌市猇亭区民主路1号［443007］.