大水深海底電纜阻水導(dǎo)體技術(shù)研究

中天科技海纜股份有限公司 葉 成 王海洋 杜 強(qiáng) 吳小兵 顧偉偉

隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展和遠(yuǎn)海島嶼的開發(fā)，海底電纜應(yīng)用由近海向遠(yuǎn)海發(fā)展已成為必然趨勢。國內(nèi)海底電纜應(yīng)用場所多為近海風(fēng)電場或近海島嶼，敷設(shè)水深一般在100m以下，海底電纜通常的阻水方式分為徑向阻水和縱向阻水，所謂徑向阻水一般是靠金屬防水層鉛套和聚乙烯護(hù)套來實(shí)現(xiàn)，縱向阻水則通過導(dǎo)體絞合時(shí)在單絲縫隙內(nèi)填充阻水材料和絕緣線芯外繞包阻水帶來實(shí)現(xiàn)。海底電纜用導(dǎo)體一般為緊壓圓形導(dǎo)體，導(dǎo)體單絲絞合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的縫隙，目前國內(nèi)外電纜廠家常用的導(dǎo)體縱向阻水方式為在導(dǎo)體絞合時(shí)分層密實(shí)地填充阻水帶、阻水紗或阻水粉，靠阻水粉吸水膨脹堵住單絲縫隙水流通道起到阻水作用。隨著海底電纜敷設(shè)水深（1000m以上）的增加以及海水中金屬離子的作用下，阻水粉的膨脹性能會(huì)急劇下降[1]，導(dǎo)體縱向阻水成為海底電纜阻水的難點(diǎn)所在。

導(dǎo)體縱向阻水效果取決于導(dǎo)體絞合時(shí)單絲間的縫隙和阻水材料填充效果，為使導(dǎo)體達(dá)到更好的縱向阻水效果，目前行業(yè)內(nèi)通常采用緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)減小單絲間的縫隙，使阻水材料更易阻斷水分侵入通道。而一些特殊的海底電纜如動(dòng)態(tài)纜，其運(yùn)行特點(diǎn)要求導(dǎo)體具有相當(dāng)好的柔軟性，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為非緊壓結(jié)構(gòu)，單絲間的縫隙增大給導(dǎo)體縱向阻水增加了一定的難度；隨著直流電纜的快速發(fā)展，大截面型線導(dǎo)體的優(yōu)勢也逐漸凸顯，在相同傳輸容量的前提下可有效降低電纜成本。

另外，行業(yè)內(nèi)導(dǎo)體縱向透水試驗(yàn)用水一般采用去離子水，對海纜導(dǎo)體阻海水的能力研究較少。目前國內(nèi)外鮮有1000m以上大水深電纜的阻水研究報(bào)道，因此很有必要開展1000m及以上大水深海底電纜導(dǎo)體的縱向阻水技術(shù)研究。本文對常用的阻水材料進(jìn)行選型研究，并通過透水試驗(yàn)對不同截面、不同型式導(dǎo)體的縱向阻水效果進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為行業(yè)內(nèi)大水深海纜導(dǎo)體縱向阻水技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 阻水材料選型研究

1.1 阻水膠研究

現(xiàn)有的可用于填充在導(dǎo)體內(nèi)的阻水膠一般可分為單組份膠和雙組份膠，單組份阻水膠填膠時(shí)需加熱，且交聯(lián)線芯生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)體受熱會(huì)導(dǎo)致膠熔化，甚至?xí)凶杷z從導(dǎo)體表面滲入絕緣層的風(fēng)險(xiǎn)；雙組份膠可在常溫下固化交聯(lián)，熱穩(wěn)定性較好，填膠時(shí)無需加熱，操作方便[2]，其阻水原理是利用阻水膠本身與導(dǎo)體線芯良好的接觸密封性達(dá)到阻止水分在導(dǎo)體內(nèi)縱向流動(dòng)的目的[3]。結(jié)合實(shí)際加工工藝的需要及電纜運(yùn)行的特點(diǎn)，導(dǎo)體內(nèi)填充的阻水膠應(yīng)具備以下性能：

固化時(shí)間介于1小時(shí)至24小時(shí)之間，一方面可避免導(dǎo)體生產(chǎn)中單絲換盤時(shí)設(shè)備內(nèi)阻水膠快速固化，影響后續(xù)阻水膠涂覆效果，同時(shí)也可避免導(dǎo)體內(nèi)已填充的阻水膠長時(shí)間不固化從導(dǎo)體縫隙溢出的情況；阻水膠填充前應(yīng)為膏狀體，固化后應(yīng)為彈性體，滿足填充時(shí)阻水膠不滴流及阻水膠固化后導(dǎo)體彎曲性能要求；對銅材、鋁材無腐蝕性；長期耐溫90℃、短時(shí)耐溫200℃（2小時(shí)以上）、瞬時(shí)耐溫250℃（5s），以滿足電纜長期滿負(fù)荷運(yùn)行、過載運(yùn)行及短路時(shí)的耐溫需要。本文選取了A、B、C、D4種雙組份阻水膠材料，將組份1和組份2按一定比例混合后進(jìn)行性能對比研究。

1.1.1 固化時(shí)間對比

將4種阻水膠混合均勻后涂抹在黃銅帶上，涂覆厚度為5mm，在常溫下測試固化時(shí)間，ABCD4種阻水膠的粘度（MPa·s）及常溫23℃下固化時(shí)間（h）測試結(jié)果分別為：2000～3000/96、8000～10000/8、1200～1400/16、1500000/24，可看出A阻水膠固化時(shí)間最長為96h，其余三種阻水膠固化時(shí)間均在24h以內(nèi)。

1.1.2 固化前后狀態(tài)及對銅材腐蝕性對比

A阻水膠固化前組份1為透明液體、組份2為淡黃色液體，固化后為透明固體，呈現(xiàn)較強(qiáng)的脆性，如圖1所示可見銅帶彎曲后阻水膠即發(fā)生開裂現(xiàn)象，阻水膠與銅帶完全分離，故A阻水膠不適合作為導(dǎo)體縱向阻水的填充材料；B阻水膠固化前組份1與組份2均為半透明膏狀體，混合后粘度適中，具有一定的流動(dòng)性，固化后為半透明狀彈性體，與銅帶可以完全粘合，不會(huì)隨著銅帶的彎曲發(fā)生膠與帶材分離現(xiàn)象，膠與帶材的聯(lián)合體在90℃環(huán)境下保持24小時(shí)銅帶未出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象，圖2為固化后的B阻水膠。

圖1 A阻水膠固化后

圖2 B阻水膠固化后

圖3 C阻水膠固化后

圖4 D阻水膠固化后

圖5 B阻水膠熱失重曲線

C阻水膠固化前組份1為黑色液體、組份2為白色液體，混合后流動(dòng)性較強(qiáng)但粘度相對較小，導(dǎo)體絞合時(shí)不利于阻水膠附著，固化后為黑色彈性體如圖3所示，與銅帶有一定的粘接性，加熱90℃之后銅帶未出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象；D阻水膠固化前組份1、組份2均為白色膏狀體，混合后粘性較大，基本不具備流動(dòng)性，導(dǎo)體絞合時(shí)難以將縫隙填滿，如圖4所示，固化后為白色固體，彈性較差，與銅帶有較強(qiáng)的粘接力，無腐蝕性。

1.1.3 熱穩(wěn)定性對比

由于A阻水膠固化時(shí)間較長且脆性大，與金屬材料無法有效粘接，故排除，選取B、C、D三種阻水膠進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析。將固化后的樣品放入烘箱加熱至250℃持續(xù)3h，樣品狀態(tài)目測無變化，同時(shí)采用TGA測試方法進(jìn)行熱失重對比：在氮?dú)鈿怏w保護(hù)下，樣品測試前進(jìn)行15min40℃環(huán)境下除潮預(yù)處理，后以50℃/min的速度升至250℃，保溫1小時(shí)，測量熱失重?cái)?shù)值（圖5）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，B阻水膠熱失重為2.3%，C阻水膠熱失重為2.5%，D阻水膠熱失重為2.5%，3種阻水膠熱失重結(jié)果相當(dāng)。

1.1.4 體積電阻率對比

分別取B、C、D阻水膠壓片，固化后參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1410《材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法》測量體積電阻率，測試結(jié)果分別為1.29×1014Ωm、2.6×1013Ωm、8.4×1013Ωm，說明三種阻水膠均有良好的絕緣性。

結(jié)合以上性能分析，本次研究選取固化時(shí)間適中、粘度適中、對銅材無腐蝕性、有良好的金屬粘接性、熱穩(wěn)定性較好的B阻水膠試制導(dǎo)體樣品。

1.2 阻水帶研究

阻水帶是由聚酯無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時(shí)間內(nèi)迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水份的作用[4]。本研究選擇行業(yè)內(nèi)常用的三種不同的阻水帶，采用JB/T10259-2014《電纜和光纜用阻水帶》推薦的測試方法分別進(jìn)行阻水帶材膨脹速率和膨脹高度測試，試驗(yàn)用水為3.5%濃度的鹽水。在3.5%鹽水下膨脹速率（mm/min）和膨脹高度mm/5min）a阻水帶（厚0.35mm）分別為2.9/3.7，b阻水帶（厚0.35mm）分別為0.6/0.6，c阻水帶（厚0.3mm）分別為1.7/2.7，故選取膨脹性能相對較好的a阻水帶驗(yàn)證導(dǎo)體的縱向阻水效果。

2 導(dǎo)體縱向透水試驗(yàn)及結(jié)果

本文選取150mm2/630mm2/1600mm2緊壓圓形導(dǎo)體、400mm2非緊壓導(dǎo)體、400mm2/2500mm2型線導(dǎo)體絕緣線芯進(jìn)行阻水性能研究。其中150mm2/630mm2/1600mm2緊壓圓形導(dǎo)體采用常規(guī)正規(guī)絞合結(jié)構(gòu)，400mm2非緊壓導(dǎo)體根據(jù)動(dòng)態(tài)纜柔軟性的特點(diǎn)采用127根細(xì)銅絲結(jié)構(gòu)，400mm2/2500mm2型線導(dǎo)體采用梯形銅絲結(jié)構(gòu)。

2.1 熱循環(huán)預(yù)處理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T32346.1-2015《額定電壓220kV(Um=252kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件第1部分：試驗(yàn)方法和要求》推薦的試驗(yàn)方法，絕緣線芯進(jìn)行透水試驗(yàn)前應(yīng)至少經(jīng)受3次熱循環(huán)預(yù)處理，以確保電纜已經(jīng)受適當(dāng)?shù)臒崤蛎洝Ｃ看螣嵫h(huán)包含8h加熱及隨后16h冷卻，每個(gè)加熱循環(huán)保證導(dǎo)體溫度維持95℃～100℃至少2h。

2.2 導(dǎo)體縱向透水試驗(yàn)及結(jié)果

GB/T32346.1-2015標(biāo)準(zhǔn)中推薦的透水試驗(yàn)方法為：將測試的絕緣線芯整個(gè)放入透水容器中，試樣的一端應(yīng)漏出導(dǎo)體約50mm，另一端應(yīng)適當(dāng)密封。由于整根絕緣線芯在容器內(nèi)水壓下會(huì)受到徑向擠壓力，不利于水分在導(dǎo)體內(nèi)的縱向滲透，本次試驗(yàn)選取條件更加苛刻的試驗(yàn)方法：將試樣的一端放置容器內(nèi)，導(dǎo)體剝出約50mm，另一端伸出容器外并對端頭適當(dāng)密封。透水試驗(yàn)裝置具備降壓后自動(dòng)補(bǔ)水功能以保證試驗(yàn)水壓穩(wěn)定（圖6）。

試驗(yàn)用水選擇3.5%濃度的鹽水，每種試樣長度為40m，試樣需在10MPa水壓下進(jìn)行持續(xù)10d的透水測試，試驗(yàn)結(jié)束后對線芯進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，在鹽水的作用下阻水帶中的阻水粉均有膨脹現(xiàn)象，150mm2緊壓導(dǎo)體及400mm2型線導(dǎo)體由于單絲間隙較小，阻水粉膨脹后完全填滿單絲間縫隙從而起到阻隔水分的作用，而400mm2非緊壓導(dǎo)體及630mm2緊壓導(dǎo)體由于單絲間隙較大，阻水粉膨脹后未能填滿單絲間隙；150mm2緊壓導(dǎo)體、400mm2型線導(dǎo)體、400mm2非緊壓導(dǎo)體、630mm2緊壓導(dǎo)體內(nèi)填充的阻水膠完全填滿單絲間的縫隙，阻水膠呈現(xiàn)均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效的切斷了水分侵入的通道；1600mm2緊壓導(dǎo)體由于單絲間隙較大，阻水膠未有效填滿單絲間隙；2500mm2型線導(dǎo)體部分單絲間的縫隙未填滿阻水膠，分析原因可能為該型線導(dǎo)體的填充系數(shù)高達(dá)0.97、單絲間的縫隙非常小，由于阻水膠具有一定的粘度，導(dǎo)體絞合時(shí)阻水膠受到流動(dòng)性的限制，難以填充到細(xì)小的縫隙。

圖6 導(dǎo)體透水試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在10MPa水壓下持續(xù)10天，150mm2緊壓導(dǎo)體、400mm2型線導(dǎo)體采用阻水帶型式或阻水膠型式，導(dǎo)體縱向透水長度分別為3m、1.3m、4m、2m；400mm2非緊壓導(dǎo)體阻水帶線芯全部透水，阻水膠線芯透水長度為3m；630mm2緊壓導(dǎo)體阻水帶線芯在加壓1.5h后全部透水，阻水膠線芯透水長度為5m；1600mm2緊壓阻水膠線芯、2500mm2型線阻水膠線芯在加壓1h后均全部透水。

2.3 電性能驗(yàn)證測試

為驗(yàn)證阻水膠對絕緣線芯電性能的影響，選取完成金屬屏蔽層擠制的220kV1600mm2阻水膠線芯和220kV2500mm2阻水膠線芯進(jìn)行局放、耐壓試驗(yàn)測試。局放試驗(yàn)大廳現(xiàn)場背景噪聲＜2pC，參照GB/T32346.1-2015標(biāo)準(zhǔn)中要求，在導(dǎo)體和金屬屏蔽層施加工頻電壓，試驗(yàn)電壓逐步上升至222kV（1.75U0），保持10s，然后緩慢下降至190kV（1.5U0），在此電壓下測量絕緣線芯的放電量。局放測試完成后在導(dǎo)體和金屬屏蔽層施加445kV（3.5U0）工頻電壓進(jìn)行裕度試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間1h。局部放電測試過程中未發(fā)現(xiàn)超過背景噪聲的放電量，絕緣線芯在1h耐壓裕度試驗(yàn)中未發(fā)生擊穿。

630mm2及以下截面導(dǎo)體通過合理設(shè)計(jì)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體內(nèi)填充阻水膠材料或阻水帶材料可滿足1000m水深的阻水要求，且填充阻水膠的導(dǎo)體縱向阻水效果優(yōu)于填充阻水帶的導(dǎo)體。隨著導(dǎo)體截面的增大，導(dǎo)體內(nèi)單絲縫隙越來越大，阻水帶的阻水作用逐漸變差，阻水膠更適合作為大水深條件下大截面導(dǎo)體的縱向阻水填充材料。隨著導(dǎo)體截面的增大，阻水膠越難有效填滿單絲間隙，需要對阻水膠性能和填充工藝進(jìn)一步研究。