2019海底电力电缆设计安装修复和环境影响.docx

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1、海底电缆的设计安装修复和环境影响2022第1章，海底电力电缆的应用11. 2独立电网连接21.4海上石油平台供电41. 5跨越江河海峡短程输电52. 6海底电力电缆的其他应用5参考文献6第2章海底电力电缆及其设计元件73. 1.1实心导体82.1.2圆单线绞合导体82.1.3型线导体92.1.5分割导体102. 1.6导体电阻112. 1.7导体阻水123. 1.8超导导体122.2绝缘系统122.2.1聚乙烯132.2.2交联聚乙烯132.2.3导体屏蔽和绝缘屏蔽142.2.4老化和潮湿对交联聚乙烯绝缘的影响152.2.5交联聚乙烯绝缘的应用162.2.6挤包高压直流电缆172.2.7其他挤

2、包绝缘系统172.2.8用于交流或直流的纸绝缘充油电缆172.2.9用于高压直流的粘性浸渍纸绝缘192.2.10充气海底电缆212.3阻水护套222.3.211242.3.4聚合物护套2524铠装252.4.1防腐282.5夕卜被层302.6三芯电缆302.8同轴电缆342.9光纤复口海底电力电缆352.10五种常用电缆类型36参考文献38第3章设计403.2.2国际大电网会议(CIGRE)推荐试验规范633.2.3导体和铠装之间的机械应力分布643.3.2jj(WelbUlI)713.3.4直流电缆的绝缘设计763.3.5粘性浸渍纸绝缘电缆的绝缘设计773.3.6冲击电场强度793.3.7可

3、用性和可靠性80参考文献80第4章附件824.1海底电缆接头824. 1.1工厂接头824.1 -2近海安装接头844.2 .3各种不同的接头设计884. 1.4海滩接头904.2电缆终端914.2.1岸上交流电缆终端914.2.2岸上直流终端914.2.3近海电缆终端924.3其他附件934.3.1J-管934.3.2锚固装置934.3.3弯曲保护944. 3.4海底电缆固定装置95参考文献95第5章制造和试验965. 1制造965.1.1导体965.1.2交联聚乙烯绝缘电缆975.1.3纸绝缘电缆985.1.4屏蔽1005.1.5成缆1015.1.6铠装1025.17海底电力电缆的储存10

4、45.2试验1055.2.1研究性试验1055.2.2型式试验1065.2.3例行试验1125.2.4工厂验收试验(FAT)1135.2.5安装后试验1145.2.6非电气试验115参考文献116第6章海洋勘测1176.1 海洋勘测范围1186.2 测深11963海底下层测绘1216.6土壤温度和海水温度123参考文献123第7章海底电力电缆安装和保护125713登陆和物流135715海底电缆登陆1397i海底电缆接头1427.1.8组织15172.1J自勺11.1111537.2.4安装后保护16173附录：悬链线162第8章损伤和修复166817自发性损伤1738I8接头故障1748211

5、174822修Ill758.3.1时域反射(TDR)1778. 3.2电桥测量法1799. 3.4光时域反射测量技术18110. 3.5其他方法182&4修复实例183参考文献186第9章：运彳和吃：可靠性1879. 1.1所有类型海底电力电缆的常用措施18711. 1.2仪器仪表18811.1. 3粘性浸渍纸绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆1899.1.4低油压充油、自容式充油和自容式充液电缆1899.1.5电缆终端1899.2.1国际大电网会议的研究1909.2.2大型高压直流电缆工程的故障统计1919.2.3可靠性术语的定义1929.2.4一些海底电力电缆的可靠性192第10章环境问题196

6、10.1环境评估19610.2电缆损耗的影响19710.3电缆设计的相关环境问题19810.3.1导体材料19810.3.2其他电缆材料的选择19910.5海底电力电缆运行对环境的影响20310.5.1向20310.5.22K准则20410.5.3Doa.a.20510.5.4化学影响21010. 6海底电力电缆的再生利用2101第11章轶事21311. 1S/SCastalia的浮动医院21311.2连接英国Lydd和法国Boulogne的高压直流电缆21411.4S向成绩和成圈方向215115可以吃的绝缘2161L6弹球机21611.7 邮票21711.8 不寻常的电缆船218119蛀船虫

7、2191110德国士兵战争时寻找一个电缆故障21911.11甚至更多损害22011.12电缆圈2201113电缆船海礁22111.14诗歌2221.1 14.1FlorenceKimballRussel夫人的旅程222参考文献224第12章常用表22512.1 电缆绝缘材料的介质特性2251.2 2铅合金2251.3 非米制导体尺寸：kcmil2261.4 非米制线规2271.5 海水中金属及其合金的电化学序2281.6 各国海底土壤分级2291.7 非米制单位2301.8 8海潮术语230参考文献231附录主要海底电力电缆工程中文名称232缩略语汇总3CThree-CoreCable三芯电缆

8、ICSingle-CoreCable单芯电缆AHTAnchorHandlingTug锚操作拖船AISAutomaticIdentificationSystem自动识别系统CDVCCableDependingVoltageControl电缆电压依赖控制CigreConseilInternationalDesGrandsReseauxlectriques国际大电网会议CLPSCableLoadPredictionSystem电缆负载预测系统DTSa)DistributedTemperatureMeasurementSystem分布式温度测量系统b)DesktopStudy地理地质初步调查EIAEn

9、vironmentalImpactAssessment环境影响评价GILGasInsulated(Transmission)Line气体绝缘(输电)线路GlSGasInsulatedSwitchgear气体绝缘开关IECInternationalElectricalCommittee国际电工委员会1.CALifeCycleAssessment寿命周期评价1.IWLLightningImpulseWithstandLevel雷电冲击耐受水平1.POFLowPressureOilFilled低压充油MBRMinimumBendingRadius最小弯曲半径MIMass-Impregnated粘性浸

10、渍纸绝缘OTDROpticalTimeDomainReflectometry光时域反射仪OWPOffshoreWindPark近海风电场PDPartialDischarge局部放电PLGRPre-LayGrapnelRun预拉锚运行ROVRemoteOperatedVehicle水下机器人RTTRRealTimeThermalRating实时热性额定值SCSingle-CoreCable单芯电缆SCADASupervisoryControlAndDataAquisition监视控制与数据采集(系统)SCFFSelf-ContainedFluidFilled自容式充液SCOFSelf-Conta

11、inedOilFilled自容式充油SIWLSwitchingImpuIseWithstandLevel操作冲击耐受水平STRISwedishTransmissionResearchInstitute瑞典输电研究所第1章海底电力电缆的应用海底电力电缆的使用已超过百年，在近几十年得到广泛的应用。早期海底电力电缆用于向孤立的近海设备供电，如灯塔、医疗船等。随后，向近岸的海岛供电成为海底电力电缆的主要应用。为了获得更好的稳定性和能源利用，20世纪60年代出现了独立电网的连接。现今，近海设备间的连接问题又重新成为研究热点。石油和天然气生产装置需要岸上的电能，近海风电场(O仟ShoreWindPark.

12、OWP)也需要将其宝贵的绿色电能送至岸上电网。1. 1岛屿供电靠近大陆的海岛可采用海底电力电缆连接至大陆电网。通常采用中压交流电缆(52kV),每根电缆的输送容量为1030MWc海底电力电缆替代了岛上低效的发电形式，如柴油发电机。这些电缆的最大经济长度为1030km。为了应对增长的海岛电力需求，外加的电缆常常敷设在不同的路由上，以减少风险并增强海岛上电力的可用性。即使某根电缆发生故障,海岛供电仍能通过其他电缆得到保证。在德国北部，自1944年开始，北FriSian群岛就通过20kV的海底电缆连接至大陆电网1。其他霹鸟，诂知甚重大温哥华岛(VancouverIsland)1美国包约长岛(Long

13、Island),拥有大量人口和大量电力需求，需要许多超高压海底电力电缆线路(见图I-Do由于交流电缆的损耗随着传输距离的增大而显著增加，向远距离海岛供电较为困难。距大陆50km以上的海岛长期没有与大陆实现电力连接。德国Heligoland的旅游岛到2009年才与大陆实现电力连接。瑞典的哥特兰岛(Gotland)距瑞典大陆约100km,曾长期依赖低效的柴油发电。直到1954年，第一根高压直流海底电缆安装，它才与大陆电网实现连接。运河岛屿Jersey岛和Guernsey岛在1987年和2000年先后两次与法国大陆电力连接。意大利的西西里岛(SiCiIy)和撒丁岛(Sardinia)也是用海底电力电

14、缆连接至大陆。由独立电网供电的海岛有时连接至大陆或邻近岛屿，以增强供电的可用性。海底电力电缆具有备用电厂的功能，以供本地机组停电时的应急电力。某些国家如挪威、菲律宾、日本等由于自身的地理特点，具有在众多岛屿间安装海底电力电缆的长期传统。图17向加拿大温哥华岛供电的海底电力电缆。最初海岛（左下方）采用138kV系统（右下方）连接至大陆（右上方）。随着电力需求的增大，则必须敷设更多的电缆系统，包括交流和直流输电1.2 独立电网连接随着大容量海底电缆的出现，众多电网采用不同的技术实现了互连。海底电缆连接了不同国家的电网（例如英国一法国、瑞典一德国、丹麦一瑞典、摩洛哥一西班牙、希腊一意大利）。利用高压

15、直流技术，可以对采用不同频率控制的地区互连（如丹麦的Store地带、瑞典一德国，挪威一荷兰）。在提到的工程中，互连两端的电网频率均为50Hz,但频率控制方式不同，使其成为异步电网。各国电网的内部互连成为欧盟的首要目标O独立电网的连接有不同的目的和目标：-由于处在不同的时区，或因不同的用电习惯，互连国家或电网的峰值负荷出现在一天的不同时刻。采用海底电缆输电，就有可能共享发电容量，满足电能需求。-互连的国家或电网或许有不同类型的混合发电方式，在使用和定价机制上也有所不同。水电充裕的北欧电网（NordEI）,通过许多高压直流电缆，与依赖化石能源和核能的欧洲大陆电网欧洲电力传输协调联盟（UCTE）互连

16、。“绿色电能”能够跨越国界进行交易。每个电网需要一定量的“备用容量”，即需要一定的发电容量，能在数分钟内切换一到电网。传统上，发电机（水电或热电）在低负荷运转时提供备用容量。很明显，使其连接至另一电网的海底电力电缆是一种更为高效和免维护的备用容量,它能够用来在数分钟内双向切换能流。自从电力市场撤销了管制规定，定价机制变得高度不稳定。利用互连国家或电网间一的价差，电力交易商能够使用海底电力电缆获取收益。有时他们根据电价的波动在一天内数次改变能流方向。大长度高压直流海底电力电缆已用来连接远距离的独立电网：目前最长的高压直流海底电力电缆系统是NorNed的一对580km的电缆。超过200km的许多系

17、统已成功投运（Baltic海底电缆、SwePokBass海底电缆连线），或者正在建设的Brit-Ned、SAP日高压直流海底电力电缆。1.3 近海风电场近海风电场包含一系列风力发电机。各台风力发电机间的距离为30080Om。通过海缆网络使风力发电机互连，并将电力送至岸上。其风电场内电缆为聚合物绝缘的中压三芯电缆（1036kV）o采用中压电缆连至陆上的最长距离约为10km。对于包含许多风力发电机的大输出功率的近海风电场，或距陆地较远的风电场，采用中压传输至陆上产生的损耗可能相当大，采用高压连接会更为经济。在较大的近海风电场中，风力发电机连接至一个装有升压变压器的近海平台。通过变压器平台，用海底电

18、缆（出线电缆）将电能送至岸上。作为出线电缆，运行电压在WOkV以上的三相电缆多用在距离超过30km的场合（见图1-2）o出线电缆也可以采用高压直流电缆，如果采用这种方式，则需要在近海及岸上建立换流站。架设一个基于海上平台的换流站是十分昂贵的，只有在长距离大功率的电力传输场合才有意义。为了降低用于风力发电机系统的电缆的容性损耗及机械需求，已考虑将风力发电机的输出频率降低到50HZ以下。1.4 海上石油平台供电石油和天然气行业的近海生产平台将原油抽出钻井需要消耗大量的电能。电能用于一系列的活动，包括驱动油泵抽取原油，二次注水提高采收率，加热输出流体以分离油、气和水，给压缩机和泵供电以输送油气至炼油

19、厂或岸上，以及为各种平台作业和生活区提供电能。根据本地环境和作业条件，电能的需求显著不同。许多生产平台的电力来源于使用平台自身生产的天然气低效运转的汽轮机或燃气轮机。平台上的发电厂占用宝贵的场地，而它们的运行和维护人员则有额外的居住和交通的需求。所有这些都使平台上的发电成本高昂。随着电能需求的增加，通过海底电力电缆将平台与岸上电网连接成为可行。在挪威，2006年近海产业的二氧化碳排放量占到整个国家排放总量的1/4由于挪威水电资源丰富，海上平台与岸上电网的连接将在减排方面具有很大的潜能（见图1-3）。由于上述原因，越来越多的平台运营商投资海底电力电缆，以为近海平台供电。由于海风和波浪会引起海上漂

20、浮平台的往复运动，因此其供电是一个特殊挑战，在设计时需作一定考虑。1.5 跨越江河海峡短程输电数百条海底电力电缆已经安装，用于穿越河流、海峡、地峡、峡湾或海湾的电力传输。尽管架空线路能用于长达3km的跨越（如意大利的MessinaStrait海峡），但在许多场合，选用了海底电力电缆，取代架空线路。电缆的隐形对于风景区和自然保护区十分重要。据称，在加拿大的StLawrence河，500kV直流输电线路在穿越时采用了5.1km的海底电缆，以避免对视觉的影响。电缆不会对海峡和河道中航行的船舶造成高度限制。在德国的Ems河,每当上游船厂向北海运送新建超大型邮轮的时候，河上的架空线路就不得不停电。200

21、6年，当该线路为挪威之星号邮轮的经过而被迫停电的时候，架空线路舞动失稳造成欧洲数百万用户停电。为了穿越这条河流，人们已经讨论在其下游敷设电缆，但仍未实现。一条免维护电缆的寿命成本能够低于一条架空线路，因为后者常受到暴风雨、盐雾、覆冰等的威胁。在短距离穿越的应用中，若不需要接头，可采用高压海底电力电缆。通常在较高的运行电压下，电缆本体比相应的接头易于实现。对于一些长度为14001800m的穿越，可从海岸线处采用非开挖水平定向钻进的方法。钻孔内铺设管子，电缆可方便地从管子拉出。对于较长的穿越，则需要常规的海缆敷设技术。1.6 海底电力电缆的其他应用本书无法覆盖许多海底电力电缆的特殊小范围的应用。这

22、里介绍的海底电缆属于中压和低压范围，具体如下：石油和天然气生产用电缆。由于钻井位于很深的海水中，更为尖端技术的设备（如各种类型的潜水泵和压缩机）布置在海床上。如图1-4所示，不同类型的石油和天然气装置都需要海底电力电缆。脐带电缆为铠装的柔性组合体。在一根脐带电缆中，可包含任何型式的电力电缆线芯、信号电缆、输液管道、液压管道等。它们用于海床上的石油和天然气装置以及水下机器人（ROV）o管道加热电缆。海底管道有时需要电加热，以防止产生蜡和水合沉积物。管道本身作为加热元件，通过无金属阻水层的大截面交联聚乙烯绝缘电力电缆供给电能。海底观测站。海啸预警系统和军用侦察阵列需要水下电能。对海洋学研究的日益关

23、注也促进了海底自动观测研究站的建设，以采集数据。所有这些都必须有可靠的海底电能供应。图1-4不同类型的石油和天然气装置都需要海底电力电缆（承美国内务部矿产管理服务部门提供，WWW.mms.gov）第2章海底电力电缆及其设计元件在过去的100多年，已经发明、开发、制造、试验和安装众多类型和形状的海底电力电缆。电缆制造商的展示厅呈现了多种多样的设计，它们的研制与当代工程技艺和企业家精神密不可分。在这一进程中，既有成功，也有失败。本书着重阐述当今（2009年）制造和安装的各种电缆。其他的电缆类型，或还在运行中，或经历着修复工作，将作简要的介绍。本章介绍不同的海底电缆类型及其结构元件，而不过分涉及公式

24、。在本章的2.10节，描述了五种非常典型的海底电缆设计及其应用。2.1导体海底电力电缆承载电流的导体由铜或铝制成。相关于载流的能力，尽管铜的成本比铝更高，但大多数海缆都采用铜导体。选用铜可以实现较小的导体截面，进而减少外层材料（如铅、钢丝等）。然而在某些场合，铝可以作为较好的选择。由于制造成本随不稳定的金属市场显著波动，因而没有最优选择。有时提及铝的耐腐蚀性较差,用以支持将铜用于海底电力电缆。然而，一旦海水对导体产生了腐蚀,说明它已经穿透绝缘，不管导体材料如何，电缆必须进行修复或更换。在某些电缆工程中，部分路由选用铜导体，其他区段采用铝导体。Estlink工程的高压直流电缆在水下部分采用铜导体

25、，登陆段则采用铝导体1。也可能在海蝇由中的深海冷水区送用铝导体,而在重近海淀的K双坡=W采用木段铜导体电场2,铜和铝号体隹够注耀在一起.海底电力电缆的导体可以制成多种型式（参见图2-1）o多数常见的导体型式将在下文介绍。2. 1.1实心导体导体由一根实心单线构成。这一设计用于截面积为40Omm2及以下的场合。这种导体的制造较为容易，且有天然良好的纵向阻水性能，纵向阻水常作为海底电缆的性能要求。挤出绝缘层在光滑的导体表面有时产生滑动的趋势，造成制作终端或接头的电缆切断处的绝缘回缩。这一现象很大程度上取决于绝缘层的挤出技术。对导体采用滚纹或类似的表面处理方式，可增加摩擦力，减轻回缩问题。由于实心导

26、体的截面积限制在40Omm2及以下，它们不能用于工作电压高于150kV的电缆。这些电缆通常具有较大的导体截面。对于三芯或四芯的低压电缆，也可采用扇形实心导体。3. 1.2圆单线绞合导体大多数海底电力电缆的导体由圆单线绞合而成。单线在绞线机上逐层绞合。导体通过模具或根轮装置紧压，既可以逐层紧压，也可在绞合后紧压。紧压减小了单线之间的空隙。紧压圆单线绞合导体的填充系数可以达到92%0由于单线经冷加工紧压，材料的电导率有所减小。有两种不同的绞合方向：右向或左向。根据螺旋形单线的外观形状，有时称它们为Z型绞合或S型绞合。设想将字母Z或S投射在绞线上，怎蓼就会发现字母的中轴线是否与绞线绞合方向平行。文中

27、的图显示了Z型绞合的导体。多数情况下，绞合导体的相邻层绞向相反，渐次取s型绞合和Z型绞合。采用不同的绞向组合或许是为了达到更好的导体稳定性，或7%者是因为其他的制造原因。不管出于任何实际原因，导体的电导率与S型和Z型绞合的顺序无关。如果电缆按顺时针方向圈绕成盘，导体外层应为右向绞合（Z型绞合），使导体在圈绕过程中收紧，防的“心物立力的影*下松脱,可隹会投伤蛆嫌。对于嫌绝境电场,倭里面的城始域后会受力嗫裂0紧压圆单线绞合导体可同样地适用于交流和直流应用。通常导体设计依据国际电工委员会标准IEC60228,2类导体。对于大截面规格或输电级应用，采用型线绞合导体的直流电缆或许更为经济；分割导体的交流

28、电缆也可做到更加经济，稍后将对其进行介绍。交流电缆的大截面导体会产生附加的磁损耗，减小电缆载流量eo导体的“邻近效应”由相邻电缆的磁场产生，使沿导体的电流线产生偏移。单线或成组的导线可通过电气绝缘而减小“邻近效应”。这种绝缘可由纸或塑料带实现，或者通过导线表面涂上漆膜。在正规绞合导体中，采用这一方法却无法减小另一种磁效载流量一词是指电缆的载流能力，最早出现在1951年，由PhelPSDodge电线电缆公司的W.A.DeIMar创造o应“趋肤效应”。早期镀锡铜丝常用于导体制造，但近年来这一理念未被继续采用。2.1.3型线导体导体由截面呈块状的单线构成，有时也称为拱形单线导体。在绞线机上，单线完整

29、地绞合构成圆形的导体。它的填充系数可达到96%,或者更高。导体表面非常光滑，这对后续生产十分有用。大截面高压直流海底电缆常采用型线导体。IEC60228标准未包括型线导体。应用挤压（Conform）工艺，铜型线可以加工成几乎任何形状。成型过程不再需要冷加工，型线成品具有与退火铜一样的良好电导率。2.1.4用于充油电缆的空心导体充油或充液电缆（也称为低油压充油电缆，或自容式充液电缆）内部充有低粘度电缆油。它们的导体内包含中心油道，使电缆油随热膨胀和来自电缆终端处的压力而流动。一些设计包含中心螺旋金属支撑管，避免导体单线陷入中心油道内。螺旋支撑管如图2-2所示。图2-2低油压充油电缆（韩国大韩电线

30、株式会社制造）此处原文可商榷。采用单线绝缘正规纹合导体可以减少导体趋肤效应：一译者注空心导体也可由型线构成。由开槽异形型线绞合成自承式导体结构如图2-3所示。这样可以省去螺旋支撑管。单线间的沟槽面有助于绝缘和中心油道之间电缆油的充分流动。&油道8导体.铜型线绞合.自承式9导体屏蔽10绝缘，低粘度电缆油浸渍纸带1 绝缘屏蔽IQ铅套加强层,青铜带14组 件防腐层，聚乙烯护套防蛀层.铜带内衬层铜扁线铠装垫层铜扁线铠装外被层图2-3开槽拱形单线绞合的空心导体（承意大利Prysmian公司提供）2.I.5分割导体导体中交流电流产生的交变磁场感应产生电磁场（emf）,使电流趋向流入导体外围（趋肤）。电流挤

31、入导体的外层部分，导体内部的电流密度减小，从而减少了导体内部对电流传输的作用。趋肤效应明显减小了大截面导体的载流量。20世纪30年代，美国H.Milliken申请了两项专利，描述了一种减小趋肤效应的导体设计4.5。为了制造分器导体,工厂H先轿Bi单线纹合成标赛的身体股娃。这些股娃再底器成三角宸影.并进行预扭。最后,数个股块姣合成一个卸形导体。导体外影如0B2-2所示。分刈导体可能包含中心飨214中心导经。分行体也称为Milkken身体。对于标准的导体，每根单线与导体中心线的距离沿导体是一定的。每根单线按与导体特定中心线距离，积累感应产生的电磁场。与之相反，在分割导体中，每根单线沿导体的径向位置

32、从靠近中心到远离中心，位于中心的电磁场与位于边缘的电磁场方向相反，相互部分抵消，这就显著减小了它的趋肤效应。分割导体的股块中绞合单线数量越多，对趋肤效应减小的效果越明显。实际上，股块数一般取五个到六个。然而,曾有最多九分割的导体设计网，为了充分利用分割导体中复杂的电流形式，主要的是，要使电流不能在单线间“跳动”，而是要沿着单线流动。每根单线间的绝缘油膜有助于减小趋肤效应。单线之间外加绝缘能进一步减小趋肤效应。这种陋1设计既可应用于股块机也可在每个脱块的防纹骄）,还可以在每根单网.或备是三者的任意组合。此外,还可仅在所有单线中一部分绝黑。绝缘可包寿城或IR合物材料包带或通过单线表面涂深实现。分割

33、导体的制造成本较高，仅用于大截面规格（2120Omm2,铜导体）。2.1.6导体电阻导体电阻是电缆导体最为重要的性能参数。导体材料的电阻率与温度相关，表达式如下：Rff=R201+（9-20）式中，Ro为在温度81C）时的电阻率6；R2Q为20时的电阻率；为电阻的温度系数。铜和铝的电阻率和温度系数见表2-1o电阻率和温度系数都完全依据金属材料而定。给定导体的有效电阻不仅与导体截面有关，而且与单线绞合节距相关，这是因为电流在绞合导体中不得不流过较长的路径。单线根数和绞合过程中的紧压也会影响电阻。导体中阻水材料的存在，使各单线间无接触点，导致导体电阻增大。在制造过程中，单线经受不同程度的冷加工。与

34、退火金属比较，冷加工的铜和铝的电阻率较大。电力电缆规范一般不仅规定导体截面，还规定了导体电阻值。IEC60228标准列出了导体电阻值，包括绞合节距对它的影响（参见第3章的表37）。表2-1铜和铝的电阻率及其温度系数铜铝他0：20cC时的电阻率（C-mm2m）0.017860.02874:20时电阻率的温度系数/（1/K）0.003920.0042采用挤压工艺，型线可以不用冷加工制造，就获得比紧压圆单线更高的电导率。达到规定的导体电阻,型线导体的外径可比紧压圆单线导体做得较小。电力电缆采购方首要关注的不是特定的截面规格，而是具备一定电阻（或导电）的电缆。例如，订购160Omm2的铜芯电缆，采购方

35、实际是根据IEC60228购买导体电阻不大于0.0113km的电缆。这一数值是计算系统损耗和载流量的基础。然而，这一问题涉及制造商的工艺技术，用尽可能少的铜达到要求的电阻值，包括对单线生产方法、节距、紧压系数、原材料等级等方面最佳技艺的选择。IEC60228和许多国家标准中列出了标准的导体规格。然而，海底电缆经常是原文将specificresistivityw作为“电阻率有误。specificresistance和resistivity”均为电阻率:以下同此e译者注为了某一特定工程而定制的产品。一般依据实际需求，而不是标准值，来确定适合的导体截面积。为满足实际的需求，已出现过一些奇怪的数值选择

36、（如790mm2.1410mm2）o只有在极少的情况下，人们才从标准截面的海底电力电缆库存中购买产品。2.1.7导体阻水海底电力电缆通常要求纵向阻水特性，在故障后阻止水分侵入电缆内部。在运输或安装时，也应避免水分从密封不严的端部封帽侵入。出于这一目的，阻水粉、阻水带或阻水纱在导体绞合时加入各层之间。一旦遇水，这些阻水材料便会显著膨胀，有效阻塞水分的侵入通道。多数阻水材料遇淡水时的阻水性能优于盐水的情况。其他疏水性复合物也可用于阻止水分迁移。石油膏是一种凡士林基的材料，可达到同样的阻水目的。曾讨论过在导体单线上挤一层聚合物基材，以实现高阻水性能。充油电缆和粘性浸渍纸绝缘电缆具有纵向阻水性能，不需

37、要采取附加措施。2.1.8超导导体除铜和铝以外，目前没有其他导体材料用于商业化海缆的制造。有研究机构探讨用高电导率的碳纳米管制作导体的可能性。在1986年发现高温超导现象后，发明了一系列超导临界温度超过77K的氧化物7ZK是最低液氮温度。超导技术已开始进入许多实际应用。一些材料系统（如包钢铜氧、皱锯钙.铜氧和鸵顿_钙_铜一氧Z处于研究的前沿。就在近期，低温超导电缆的实验室样品已经设计出来。对于电缆标域的应用，将超导材料做成带状，包绕在铜质基材上。最终，超导带材绞制成电缆导体，且在临界温度下具有巨大的载流能力。试验电缆已经制造出来，关于低温材料的电介质研究也在努力进行，但仍然存在一些主要的障碍：

38、制冷过程所需的能量只是略小于所节省的损耗。对于海底的应用，仍然没有合适可用的低温电缆。2.2绝缘系统电缆的绝缘为内外电势表面间极高的电势差提供了有效屏障。绝缘系统做到绝对的纯净和均质是至关重要的。此外，绝缘必须具有机械强固性、耐热性和抗老化性能。在海底（通信和电力）电缆发展的150多年间，曾尝试、研制、放弃或确认了许多不同的绝缘材料。与陆缆相比，海底电缆的绝缘材料没有区别；然而，两者的制造和应用条件或许有所不同。今天，用于中压和高压等级的海底电力电缆仅采用很少的几种不同材料制造。有关介质特性和电缆绝缘材料化学结构的进一步信息可在其他文献中44158。鱼里介姐的是一生维绛材料倭.要的林性相关!缰

39、豺科的性隹见第3率的表格。2.2.1聚乙烯聚乙烯是一种碳氢化合物，包含CH3TCH2）,LCH3分子长链。除碳和氢以外，它不含有其他元素。该材料为非极性和半结晶质。它的分子链可能会有分支。它具有热塑性，理论上能够重融。作为绝缘材料，它在不同的密度范围内可以使用,如低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯。不同种类聚乙烯材料的密度在090.97gc之间。与纸绝缘相比，聚乙烯具有较低的损耗因数和较低的介电损耗，在20世纪60年代初就用于63kV的电缆。在法国.低密度聚乙烯在20世纪90年代成功用于50OkV电缆。然而，本书作者并不了解是否有制造热塑性聚乙烯绝缘海底电缆的情况。由于聚乙烯电缆的导体运

40、行温度有限（7080C）,因此聚乙烯随后被交联聚乙烯替代，后者的运行温度为90,且短路温度可超过200。然而，由于电缆运营商目前正在努力避免导体太热而产生的大量损耗,热塑的聚乙烯绝缘可能会经历复苏（见表2-2）。表2-2电缆绝缘材料的使用温度正常使用温度短路温度低密度聚乙烯70125oC交联聚乙烯90250乙丙橡胶90250oC粘性浸渍纸绝缘5055充油电缆绝缘8590oC2.2.2交联聚乙烯自1973年开始，交联聚乙烯已用于海底电缆，用于陆缆的时间则更早。始于聚乙烯，交联聚乙烯是通过交联工艺，将低密度聚乙烯的长分子链形成三维网状。交联过程是不可逆的，防止了聚合物在提高的温度下熔融。热塑性聚乙

41、烯在加热到80110时，会发生软化，并最终熔融，取决于其密度。与之相反，交联聚乙烯在相当高的温度下保持稳定。它在超过300时会高温分解，而不会融化。有机过氧化物已用作交联工艺的引发剂。在绝缘料工厂，就将其添加入原料。在挤出机头内，原材料挤出包覆在导体上。交联反应发生在挤出机头后的含有惰性气体的高温高压管道内。在挤出机的交联区域，气体副产品能在仍为柔软的交联聚乙烯中形成气泡。为了抑制气泡的产生，挤出电缆必须进一步输送至压力管道内，直到冷却的交联聚乙烯获得足够的强度。冷却过程必须缓慢进行，以释放其内应力。交联聚乙烯电缆在交联段、冷却段和应力松弛段中经过的总长能够超过150m。在立式生产线和悬链生产

42、线中，应避免交联聚乙烯绝缘和管道内壁接触，从而达到绝缘表面的高质量。立式生产线还可以防止重力影响下的绝缘偏心。在非常规工艺中，可通过硅烷或电子辐照工艺实现交联。交联聚乙烯是海底电缆绝缘材料的首选。在交联聚乙烯电缆制造的早期，这一材料因其对水分的敏感而名声不佳。在水分、电场和杂质的复合作用下，可能会诱发水树，即一种绝缘内部出现树状损伤结构的现象。这些“树”将会生长，在某些情况下最终导致绝缘击穿。在20世纪80年代和90年代，对水树进行了广泛研究，并在许多印象深刻的照片中记录下来，支持了交联聚乙烯电缆对水分敏感的观点。然而，许多关于交联聚乙烯电缆的经验来自于湿法交联和屏蔽与绝缘挤出工艺，从而为水分

43、和灰尘进入绝缘提供了途径。更糟的是，它作为新型绝缘材料首次使用的时候，一些裸绝缘的电缆直接敷设在水中。如今，所有优秀的制造商采用三层共挤和干式交联管制造交联聚乙烯电缆。通过上述及其他改进措施，自20世纪80年代，交联聚乙烯绝缘的质量和击穿电压有了显著改善。对水树现象的全面研究和可供进一步阅读的大量参考资料见本章参考文献9。家柄作为一个同息再没它更多的报道。与之对闲.交取聚乙偌已开发作为既可用于暗境又用于海统由绝缘均存。交联京乙烯供应商提供了具有不同性能的一系列电缆材料。树脂基料和添加剂的良好配方能够获得优异的绝缘性能、良好的加工性、抗水树性和抗老化性能。对于高性能、高可靠性的绝缘系统，推荐使用

44、由富有经验的电缆制造商推荐的优质交联聚乙烯绝缘材料和半导电屏蔽材料。不同类型和牌号的交联聚乙烯，其绝缘性能有所不同。在电缆设计中，绝缘强度或许是最为重要的性能，它不是一个定值。它不仅取决于材料的配方设计，还与制造条件、样品制备、温度、试验电压形式等因素有关。绝缘强度的概念基于对一定绝缘设计的样品击穿电压的统计分布(威布尔分布)。有关绝缘强度威布尔分布的详细介绍可在多数电线教科书中找到，这里不再赘述。在一篇国际大电网会议(CIGRE)论文中，论述了威布尔分布在电缆绝缘的应用，并列有这一主题全面的参考书目1。交联聚乙烯电缆在海底的应用受可用的接头的限制。虽然交联聚乙烯电缆本体作为陆缆可用于最高55

45、0kV的运行电压，但这一电压水平没有可用的接头。虽然偶尔可以制作电压为245345kV的软接头，但对更高的电压仍为只有电缆而无软接头。此因素限制了海底电缆整根生产的最大长度。170kV交流海底电力电缆的工厂制造长度可达50km或更长。2.2.3导体屏蔽和绝缘屏蔽如果将交联聚乙烯绝缘直接在导体上挤出，导体的凹陷、隆起和不规则的情形会产生局部电场应力集中，并显著减小绝缘的绝缘强度。为了避免这种情况，一层半导电交联聚乙烯挤包在导体上，在朝向交联聚乙烯绝缘上产生非常光滑的介质界面。由于内半导电层十分圆整,表面光滑，将不会存在电场应力集中的情况。采用热油浴方法，可以观察内屏蔽层的表面。交联聚乙烯在130。C时变得透明，显现出内半导电层的表面结构细节。三层共挤技术还提供了绝缘层外的半导电层，以形成稳定的介质表面，并免受外部屏蔽层的影响。三层结构”导体屏蔽一绝缘一绝缘屏蔽”组成了电缆的绝缘系统。为了实现高质量的绝缘，三层结构应在三层共挤机头中持续同步挤出。半导电交联聚乙烯层由聚乙烯为基材的共聚物混合40%炭黑制成。根据相关国际标准，它的体积电阻率应不大于250-m（欧洲电工标准）,或不大于500Q-m（美国爱迪生照明协会标准，国际电工委员会标准）。如果屏蔽材料的电阻率过高，电缆系统内的冲击电压将在半导电材料中引起很大的电场强度