我國是一個海洋大國,擁有1.8萬km長的海岸線,6000多個大小島嶼散布在海岸的外緣。海底電纜是沿海島嶼與城市之間電力與通訊的重要傳輸手段。為同時滿足電力及音頻和視頻信號傳輸?shù)男枨?,光電?fù)合海底電纜也應(yīng)運(yùn)而生。
本文針對大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜在設(shè)計開發(fā)中遇見的幾個問題,本著拋磚引玉的指導(dǎo)思想,簡述了在導(dǎo)體阻水等方面的設(shè)計思路或基本方法。
在導(dǎo)體設(shè)計時除導(dǎo)電性能之外在海底電纜中最重要的就是導(dǎo)體的阻水性能了,一般都需要模擬海纜敷設(shè)的水深在受外力破壞情況下導(dǎo)體中水的傳播距離是有嚴(yán)格要求的,國際大電網(wǎng)會議推薦的技術(shù)規(guī)范,海纜的導(dǎo)體阻水試驗?zāi)M電纜水深最深區(qū)段電纜故障情況,試樣浸入對應(yīng)敷設(shè)水深的壓力的水中,一般至少試驗持續(xù)10天,水溫等于環(huán)境溫度20℃±15℃,對導(dǎo)體切開處作目測檢驗,在這些聲明的部位導(dǎo)體應(yīng)無水。經(jīng)過幾次分析研討以及根據(jù)掌握的國際上的情況,海纜導(dǎo)體的設(shè)計采用圓形緊壓的方式比較普遍。
由于電纜電壓等級高,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜截面大,因而給導(dǎo)體阻水帶來相當(dāng)大的困難,主要原因就是組成導(dǎo)體的單線太粗,絞合緊壓后導(dǎo)體單線之間仍然有很大空隙,阻水效果很難理想。由此可知,多盤數(shù)的框絞機(jī)(至少91盤)是導(dǎo)體絞制的必要條件,這樣就能有效減小單線直徑,減小單線間的空隙,在阻水材料填充后就能達(dá)到良好的阻水效果。
為了設(shè)計合理的導(dǎo)體結(jié)構(gòu),建議導(dǎo)體采用同心式正規(guī)絞合緊壓結(jié)構(gòu),每層導(dǎo)體絞制時加入阻水繩一并絞合。若采用帶材,最好能采用繞包型,這樣就可在導(dǎo)體周圍形成環(huán)狀阻水結(jié)構(gòu),能充分達(dá)到阻水的目的。當(dāng)然不否認(rèn),若采用縱包結(jié)構(gòu),重疊搭蓋效果好也能達(dá)到相同的目的。
高壓電力電纜的屏蔽和鎧裝一般都需要接地,電力安全規(guī)程規(guī)定:35kV及以下電壓等級的電纜都采用兩端接地方式,這是因為這類電纜大多數(shù)是三芯電纜,在正常運(yùn)行中,流過三個線芯的電流總和為零,在金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈,這樣,在金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應(yīng)電壓,所以兩端接地后不會有感應(yīng)電流流過金屬屏蔽層。
但是當(dāng)電壓超過35kV時,大多數(shù)采用單芯電纜,單芯電纜的線芯與金屬屏蔽的關(guān)系,可看作一個變壓器的初級繞組。當(dāng)單芯電纜線芯通過電流時就會有磁力線交鏈金屬屏蔽層,使它的兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與高壓電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比,高壓電纜很長時,護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度,在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時,屏蔽上會形成很高的感應(yīng)電壓,甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。
據(jù)此,高壓電纜線路安裝時,應(yīng)該按照要求,單芯電纜線路的金屬護(hù)套只有一點(diǎn)接地時,金屬護(hù)套任一點(diǎn)的感應(yīng)電壓不應(yīng)超過50-100V(未采取不能任意接觸金屬護(hù)套的安全措施時不大于50V;如采取了有效措施時,不得大于100V),并應(yīng)對地絕緣。
如果大于此規(guī)定電壓時,應(yīng)采取金屬護(hù)套分段絕緣或絕緣后連接成交叉互聯(lián)的接線。為了減小單芯電纜線路對鄰近輔助電纜及通信電纜的感應(yīng)電壓,應(yīng)盡量采用交叉互聯(lián)接線。對于高壓電纜長度不長的情況下,可采用單點(diǎn)接地的方式。為保護(hù)高壓電纜護(hù)層絕緣,在不接地的一端應(yīng)加裝護(hù)層保護(hù)器。
對于大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜,以上辦法都難以達(dá)到目的。因為長度長,電纜感應(yīng)電勢將達(dá)到一個很大的值,使得電纜金屬護(hù)層發(fā)熱,從而很大程度上影響了電纜的輸電功率。為了有效的消除電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電勢,我們不妨假定電纜能采用合理的途徑進(jìn)行多點(diǎn)接地。
但我們知道,電纜金屬徑向防水層外都要采用防腐層結(jié)構(gòu),從而使電纜無法接地。因此,很多電纜專家為此傷透了腦筋,而目前國內(nèi)已有相關(guān)企業(yè)通過工藝創(chuàng)新,已基本上解決了這一難題。
光纜單元在光電復(fù)合海底電纜結(jié)構(gòu)中是最薄弱的環(huán)節(jié),設(shè)計時不僅要考慮光纜單元的光學(xué)性能,而且更多地要考慮光纜單元的機(jī)械性能。從理論上看,光纜單元的放置地方只能是在電纜的護(hù)層內(nèi),為了防止粗鋼絲對光纜單元的損壞,必須要保證鋼絲鎧裝層的作用力不直接施加到光纜單元上,因此,光纜單元要加強(qiáng)防護(hù),經(jīng)過研究探討,我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,將光纖很好地放置在鋼絲層內(nèi),使光纖得到有效的保護(hù)。
對于單芯電纜,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在交流系統(tǒng)場合,鎧裝層要采用非磁性材料,而使用于海底的鎧裝層不僅要有一定的防腐性能,而且要有足夠的抗拉強(qiáng)度,因而鋁絲鎧裝并不適合。在此,仍然建議采用不銹鋼絲進(jìn)行鎧裝;在實際應(yīng)用場合,考慮到成本問題,很多用戶選用普通的鍍鋅鋼絲再加隔磁結(jié)構(gòu)。設(shè)計時,根據(jù)實際載流能力的需要,可以酌情選用。
對于高壓及超高壓大長度的光電復(fù)合海底電纜的生產(chǎn),最難實現(xiàn)的就是保證整根無接頭交貨。在目前競爭比較激烈的情況下,哪家企業(yè)生產(chǎn)的長度長,就可以占據(jù)先機(jī),能迅速搶占市場。因此,眾多海底電纜生產(chǎn)企業(yè)都在探討實現(xiàn)大長度的方案,并且部分企業(yè)已經(jīng)開始著手實施。
大家都知道,要實現(xiàn)大長度無接頭最大的困難就是電纜噸位大、長度長,中間制造環(huán)節(jié)周轉(zhuǎn)無法實現(xiàn)。比如,110kV 1×500的海底電纜,就算是用5米的電纜盤,最大長度也做不到6000米,而對于十幾公里甚至更長的電纜就只能考慮工廠接頭的方案了(目前,國內(nèi)海纜接頭技術(shù)已經(jīng)成熟)。
大長度光電復(fù)合海底電纜生產(chǎn)裝備的研究應(yīng)圍繞解決各生產(chǎn)工序收、放線設(shè)備能力及半制品周轉(zhuǎn)靈便等海纜生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)存具體問題進(jìn)行。實際上,受廠房及其它條件制約,現(xiàn)有海纜生產(chǎn)企業(yè)難以解決更大長度光電復(fù)合海底電纜生產(chǎn)的瓶頸問題。新(待)建海纜生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行廠房等的設(shè)計時,應(yīng)結(jié)合設(shè)備產(chǎn)能及其將來可能改造、提升的產(chǎn)能確定好廠房高度、內(nèi)部物流通道等關(guān)鍵數(shù)據(jù),以實現(xiàn)生產(chǎn)更大長度光電復(fù)合海底電纜的目標(biāo)。
由于大長度海底電纜不同于普通電纜盤裝運(yùn)的電纜,不便于移動運(yùn)輸,因此要求電纜試驗的電源系統(tǒng)重量輕,可以運(yùn)輸?shù)诫娎|存放現(xiàn)場。建議采用輸出電壓不低于320kV,頻率范圍30-300Hz的串聯(lián)諧振電源系統(tǒng),該試驗系統(tǒng)目前被廣泛開發(fā)利用。
然而,由于電纜長度超長,電纜試驗設(shè)備的容量難以達(dá)到電纜局部放電試驗的要求,一般可以采用在原電纜成品上進(jìn)行取樣來測量電纜的局部放電量作為電纜電性能的指標(biāo)依據(jù)。
任何海底電纜在敷設(shè)和運(yùn)行時,都難以保證電纜不被意外損壞,甚至被拉斷,于是電纜及時搶修工作尤為重要。以下推薦一種110kV光電復(fù)合海纜搶修接頭的方案。
110kV光電復(fù)合海纜搶修接頭示意圖
本方案采用的是電纜和光纜接頭分開進(jìn)行的方式,并采用了防水措施,接頭后體積小,操作方便,有效地解決了光電復(fù)合電纜的搶修困難、修理不便的難點(diǎn),值得推廣應(yīng)用。
(編自《電氣技術(shù)》,原文標(biāo)題為“大長度高壓及超高壓光電復(fù)合海底電纜研究”,作者為高翔、陳洋 等。)