周自強(qiáng)，王少華，鐘曉波

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，大型海島社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、大規(guī)模海上新能源送出迫切需要采用500 kV 跨海輸電。采用海中立塔的大跨越架空輸電方式，工程建設(shè)投資較高，因此500 kV 海纜應(yīng)用十分緊迫。充油海纜存在落差限制、絕緣油泄露污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，XLPE（交聯(lián)聚乙烯）海纜代表技術(shù)發(fā)展方向。500 kV 海纜方面，國(guó)外僅有500 kV 充油海纜，不具備500 kV XLPE 海纜制造能力；XLPE 海纜方面，在舟山500 kV 聯(lián)網(wǎng)輸變電工程之前，國(guó)內(nèi)僅能制造220 kV XLPE 海纜，也不具備500 kV XLPE 海纜制造能力。對(duì)于500 kV 海纜工程，若采用進(jìn)口充油海纜，存在國(guó)外船只掃海帶來(lái)的國(guó)家安全風(fēng)險(xiǎn)，因此無(wú)論是從國(guó)家安全層面、還是專業(yè)技術(shù)層面，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)交流500 kV XLPE 海纜研制均具有重要意義[1]。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)220 kV 及以下電壓等級(jí)海纜和500 kV 及以下陸地電纜進(jìn)行了大量研究，在電纜接頭特性、海纜敷設(shè)受力特性等方面取得了一些成果[2-8]。與陸地電纜相比，XLPE 海纜存在工廠接頭研制、大長(zhǎng)度連續(xù)制造等難點(diǎn)[2-3]。與220 kV XLPE 海纜相比，隨著電壓等級(jí)提高，海纜比重增加、截面增大，500 kV XLPE 海纜在工廠接頭研制、海纜敷設(shè)應(yīng)力釋放、敷設(shè)過(guò)程中船舶穩(wěn)定控制等方面的難度也隨之提高[9-10]。

舟山500 kV 聯(lián)網(wǎng)輸變電工程是世界上首個(gè)交流500 kV XLPE 海纜工程。聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃初期準(zhǔn)備采用全架空方式，總投資高達(dá)134.5 億元，采用500 kV 海纜可顯著降低工程投資。依托本工程，國(guó)網(wǎng)浙江公司聯(lián)合中國(guó)電科院、西安交通大學(xué)、寧波東方電纜等單位，形成“產(chǎn)學(xué)研用”共同體，圍繞交流500 kV XLPE 海纜研制與工程應(yīng)用開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，研制的交流500 kV XLPE 海纜通過(guò)了型式試驗(yàn)、預(yù)鑒定試驗(yàn)、半成品試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)等一系列性能考核。首個(gè)交流500 kV XLPE 海纜工程投運(yùn)后運(yùn)行良好，項(xiàng)目形成的海纜制造及敷設(shè)技術(shù)等方面成果在后續(xù)的12 個(gè)海上風(fēng)電及島嶼聯(lián)網(wǎng)工程中得到推廣應(yīng)用。交流500 kV XLPE 海纜研制與應(yīng)用過(guò)程中，存在高場(chǎng)強(qiáng)工廠接頭研制、半導(dǎo)電屏蔽材料選擇、大截面海纜敷設(shè)控制等諸多技術(shù)難題。

高場(chǎng)強(qiáng)工廠接頭研制技術(shù)難題方面，存在的主要科學(xué)問(wèn)題是XLPE 海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣特性。與220 kV XLPE 海纜相比，500 kV XLPE 海纜的絕緣工作場(chǎng)強(qiáng)更為集中，工廠接頭的恢復(fù)絕緣與本體絕緣的微小差異以及過(guò)渡絕緣的存在，都可能引起XLPE 絕緣發(fā)生電樹(shù)枝劣化甚至絕緣擊穿[11]。為了保障工廠接頭及近接頭海纜擠制絕緣性能的穩(wěn)定性，找到XLPE 絕緣電樹(shù)枝劣化甚至絕緣擊穿的根本原因，需要分析不同注塑方式下，不同區(qū)域LDPE（低密度聚乙烯）熔體密度差異導(dǎo)致的工廠接頭絕緣晶相結(jié)構(gòu)差異，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣性能差異。

海纜半導(dǎo)電屏蔽材料選擇方面，存在的主要科學(xué)問(wèn)題是半導(dǎo)電層與絕緣層的電熱匹配特性。目前，我國(guó)110 kV 以上絕緣料和35 kV 以上半導(dǎo)電屏蔽料尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，尚未系統(tǒng)掌握半導(dǎo)電屏蔽材料的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等方面性能。海纜半導(dǎo)電層和絕緣層的電、熱匹配性會(huì)影響海纜電氣性能。針對(duì)500 kV 超高壓XLPE 海纜，盡管有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海纜的結(jié)構(gòu)、材料性能有要求[13]，但對(duì)于海纜的半導(dǎo)電層材料的性能要求、技術(shù)參數(shù)要求研究尚不夠系統(tǒng)、深入，對(duì)于上述因素影響海纜電氣性能的規(guī)律并不清晰。XLPE 海纜半導(dǎo)電層和絕緣層的電、熱匹配情況對(duì)海纜電氣性能的影響規(guī)律研究涉及高電壓、電氣絕緣、界面物理、化學(xué)制備、材料合成等多個(gè)學(xué)科，需要從基體樹(shù)脂、新型填充料、界面匹配、加工工藝等方面，綜合提升其電學(xué)性能、熱學(xué)性能和力學(xué)性能，以滿足高電壓等級(jí)海纜的應(yīng)用需求。

大截面海纜敷設(shè)控制方面，存在的主要科學(xué)問(wèn)題是海纜敷設(shè)大噸位纜盤應(yīng)力分布特性及敷設(shè)系泊穩(wěn)定控制。對(duì)于大截面、高比重海纜，若采用傳統(tǒng)高度退扭方式進(jìn)行敷設(shè)應(yīng)力釋放，退扭架高度過(guò)高且存在殘余的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，不能保障施工平臺(tái)在海上工作的穩(wěn)定性。在海纜施工過(guò)程中，施工船舶在海浪的作用下會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，這種晃動(dòng)會(huì)損壞裝置結(jié)構(gòu)，影響施工人員工作以及機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，使工作條件惡化，并對(duì)施工裝置、施工船舶帶來(lái)諸多不利影響[14-15]。實(shí)現(xiàn)大截面、高比重海纜敷設(shè)應(yīng)力全釋放控制，避免或者減緩海上搖晃對(duì)施工設(shè)施的影響是海纜敷設(shè)需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

本文旨在結(jié)合交流500 kV XLPE 海纜的主要特點(diǎn)，在解決海纜研制與應(yīng)用工程技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，分析上述主要科學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展，為以后更高電壓等級(jí)的XLPE 海纜研制與工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 XLPE 海纜工廠接頭及近接頭海纜的絕緣性能

1.1 LDPE 熔體注塑方式對(duì)絕緣融合的影響

構(gòu)建海纜工廠接頭的仿真模型，通過(guò)有限元仿真對(duì)LDPE 熔體注入并填充的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，定量分析LDPE 熔體在注入并填充過(guò)程中的流動(dòng)速度、流動(dòng)形態(tài)及填充過(guò)程。注塑口直徑為8 mm，塑流量為5.5×10-7m3/s[12]。對(duì)比分析單口注塑、上下雙口注塑等不同方式下的LDPE 熔體注塑效果。不同注塑方式下的LDPE 熔體典型流速分布如圖1 所示。

圖1 不同注塑方式下的LDPE 熔體流速分布

對(duì)比圖1（b）—1（e）可知： 采用上下雙口注塑方式時(shí)，由于靠近注塑口的位置剪切應(yīng)力很大，上下注塑口處的熔體流速很大，依然存在沿圓周方向的速度梯度；與單口注塑方式相比，上下雙口注塑方式時(shí)注塑口位置的速度梯度值減小。隨著位置逐漸遠(yuǎn)離注塑口，注塑口的影響減弱，圓周方向的流速梯度逐漸消失，LDPE 熔體的流動(dòng)趨于均勻。采用此種注塑方式，可使線芯各個(gè)位置絕緣料流速更為接近，從而避免局部融合紋。

1.2 工廠接頭及近接頭海纜的絕緣特性差異

利用交流500 kV XLPE 海纜本體、近接頭海纜和工廠接頭3 個(gè)區(qū)域的絕緣線芯制備試樣，在每個(gè)區(qū)域切取線芯絕緣層，分別選取同一徑向上的外部絕緣、中部絕緣和內(nèi)部絕緣3 種試樣，對(duì)其進(jìn)行工頻擊穿試驗(yàn)及電樹(shù)枝試驗(yàn)。

不同部位切片樣品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)及其變化率如表1 所示。3 種樣品的典型電樹(shù)枝形態(tài)如圖2 所示[12]。

表1 擊穿場(chǎng)強(qiáng)及其變化率

圖2 典型電樹(shù)枝形態(tài)

由表1 和圖2 可知： 工廠接頭絕緣的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)與海纜本體相近，近接頭海纜比海纜本體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低。海纜本體絕緣中的電樹(shù)枝長(zhǎng)度較短，而恢復(fù)絕緣樣品與過(guò)渡區(qū)絕緣樣品的樹(shù)枝長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于本體絕緣樣品，橫向發(fā)展趨勢(shì)明顯。

對(duì)不同部位的絕緣切片進(jìn)行晶相結(jié)構(gòu)檢測(cè)分析，結(jié)合晶相結(jié)構(gòu)特征，對(duì)擊穿電壓和電樹(shù)枝特征差異進(jìn)行分析：

（1）工廠接頭絕緣恢復(fù)的硫化、冷卻和海纜本體擠包絕緣是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程，不同的熱歷史造成了XLPE 不同的晶相結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致工頻擊穿、電樹(shù)枝發(fā)展特征存在一定差異。

（2）相比于海纜本體，近接頭海纜的交聯(lián)度高，結(jié)晶度小，表面能低，晶面間距大，擊穿電壓低。一方面，近接頭海纜絕緣在工廠接頭絕緣恢復(fù)工藝中發(fā)生二次交聯(lián)現(xiàn)象，不同時(shí)間交聯(lián)產(chǎn)生的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間可能會(huì)存在界面，影響電子輸運(yùn)；另一方面，再次經(jīng)歷高溫硫化過(guò)程，近接頭海纜外部絕緣會(huì)發(fā)生一定程度的老化。

500 kV XLPE 海纜的絕緣較厚（超過(guò)30 mm），注塑絕緣厚度較大的工廠接頭時(shí)，為避免一次性硫化過(guò)程中交聯(lián)副產(chǎn)物甲烷不易析出進(jìn)而易在絕緣中產(chǎn)生氣孔，常采用分層擠塑硫化。但是多次加熱會(huì)造成制作工期延長(zhǎng)，XLPE 熱歷史不一致。因此，在工廠接頭絕緣恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)控制硫化條件，使其硫化溫度略低于電纜本體硫化的溫度，并增大壓強(qiáng)，延長(zhǎng)硫化時(shí)間，保證工廠接頭絕緣恢復(fù)的硫化質(zhì)量；同時(shí)注意避免硫化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以防近接頭海纜外部絕緣發(fā)生老化變黃，進(jìn)而影響其介電性能和機(jī)械性能。

2 半導(dǎo)電層與絕緣層的電熱匹配特性

（1）海纜半導(dǎo)電復(fù)合材料理化性能

制備不同LDPE 含量（35wt%，40wt%，45wt%，50wt%，55wt%）和CB（炭黑）含量（20wt%，25wt%，30wt%）的半導(dǎo)電層，分析半導(dǎo)電層組分對(duì)其理化性能的影響，并與海纜商用半導(dǎo)電料進(jìn)行性能對(duì)比。采用SEM（電子掃描電鏡）對(duì)不同CB 含量、不同LDPE 含量的半導(dǎo)電層試樣進(jìn)行微觀形貌掃描；采用FTIR（傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜）對(duì)不同CB含量、不同LDPE 含量的半導(dǎo)電層屏蔽料進(jìn)行表征，并與海纜用半導(dǎo)電屏蔽層進(jìn)行對(duì)比；將不同LDPE 含量和CB 含量的半導(dǎo)電屏蔽層薄膜制成厚度為1 mm、寬度為4 mm 的啞鈴型形狀，對(duì)其進(jìn)行斷裂拉伸試驗(yàn)，并與海纜商用半導(dǎo)電層薄膜進(jìn)行對(duì)比。

不同LDPE 含量的半導(dǎo)電層的傅里葉紅外圖譜如圖3 所示。由圖3 可知，與海纜商用半導(dǎo)電層對(duì)比，LDPE 含量不同的半導(dǎo)電層試樣的紅外傅里葉圖譜所對(duì)應(yīng)的峰位置基本一致。

圖3 不同LDPE 含量的半導(dǎo)電層的傅里葉紅外圖譜

半導(dǎo)電層組分對(duì)其理化性能影響的分析結(jié)果表明： CB 含量對(duì)整體結(jié)構(gòu)疏松程度影響較大；LDPE 含量對(duì)試樣微觀形貌影響顯著；隨LDPE含量的增加，半導(dǎo)電屏蔽料的斷裂伸長(zhǎng)率先增加后減小；隨CB 含量的增加，半導(dǎo)電層屏蔽料的斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、最大拉力逐漸減少。

（2）海纜半導(dǎo)電層與絕緣層的熱匹配特性

采用激光閃射儀對(duì)不同CB 含量、不同LDPE含量的半導(dǎo)電層及絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。試樣厚度為1 mm，測(cè)量電壓為250 V，脈沖寬度為400 ns。采用熱膨脹儀對(duì)半導(dǎo)電層與絕緣層的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，試樣為直徑6 mm、高度20 mm 的圓柱。結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

由圖4 可知： 隨著溫度升高，海纜半導(dǎo)電層和絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)約為絕緣層的2 倍；溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)下降。

由圖5 可知： 海纜半導(dǎo)電層和絕緣層的熱匹配性能較好，隨著溫度升高，二者呈現(xiàn)同比例增加；相同溫度下，海纜絕緣層比半導(dǎo)電層高出約1.5 倍。

（3）海纜半導(dǎo)電層與絕緣層的電匹配特性

圖5 海纜半導(dǎo)電層與絕緣層熱膨脹系數(shù)對(duì)比

采用半導(dǎo)電橡膠電阻測(cè)試儀測(cè)試半導(dǎo)電屏蔽層的電阻率，樣品長(zhǎng)度115 mm，寬度50 mm，測(cè)試溫度30～110 ℃，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 海纜半導(dǎo)電層、絕緣層電阻率隨溫度變化

以500 kV 海纜絕緣料為原料，采用平板硫化機(jī)制備海纜絕緣層試樣，厚度為0.15 mm；采用電壓擊穿儀進(jìn)行海纜絕緣層擊穿性能測(cè)試，升壓速度為1 kV/s。電纜用半導(dǎo)電屏蔽層的擊穿性能無(wú)法準(zhǔn)確地直接測(cè)量，分別制備半導(dǎo)電層試樣與XLPE 絕緣層試樣后，將半導(dǎo)電層與絕緣層熱熔接在一起，熱熔接后的半導(dǎo)電層、絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣總厚度約為0.45 mm，尺寸為10 mm×10 mm，擊穿場(chǎng)強(qiáng)按照絕緣層厚度進(jìn)行計(jì)算。海纜絕緣層以及海纜半導(dǎo)電層、絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 海纜絕緣層與半導(dǎo)電層、絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

由圖6 可知： 隨著溫度升高，海纜半導(dǎo)電層的電阻率增加不明顯；隨著溫度升高，海纜絕緣層的電阻率減低較為明顯，下降約2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

由圖7 可知： 隨著溫度升高，海纜絕緣層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低；隨著溫度升高，海纜半導(dǎo)電層、絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降幅度不大。說(shuō)明海纜半導(dǎo)電層和絕緣層具有較好的熱穩(wěn)定性，尤其是在高溫下保持了良好的擊穿性能。

3 海纜敷設(shè)大噸位纜盤應(yīng)力分布特性及敷設(shè)系泊穩(wěn)定控制

（1）大噸位海纜敷設(shè)船纜盤的應(yīng)力分布特性

掌握大噸位海纜敷設(shè)船纜盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特性是實(shí)現(xiàn)大截面、高比重海纜敷設(shè)全應(yīng)力釋放控制的關(guān)鍵?；谟邢拊獢?shù)值仿真，分析纜盤底板厚度、托輪個(gè)數(shù)、托輪平面布置等關(guān)鍵因素對(duì)5 000 t 電纜盤應(yīng)力、應(yīng)變的影響規(guī)律。不同托輪個(gè)數(shù)，纜盤底板應(yīng)力分布如圖8 所示；不同底板厚度，纜盤底板應(yīng)力分布如圖9 所示。

由圖8 和圖9 可知，底板厚度和托輪個(gè)數(shù)對(duì)纜盤底的應(yīng)力分布規(guī)律影響基本相同，同樣為受力遠(yuǎn)端應(yīng)力值大于受力近端大于受力點(diǎn)，且高應(yīng)力區(qū)域集中在底板與托輪接觸面處。

（2）復(fù)雜海浪作用下海纜敷設(shè)系泊穩(wěn)定特性

圖8 托輪個(gè)數(shù)對(duì)纜盤底板應(yīng)力分布的影響

圖9 底板厚度對(duì)纜盤底板應(yīng)力分布的影響

采用數(shù)值模擬和物理模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方式，考慮系泊方式、來(lái)波方向、波高、波浪周期等多種因素，進(jìn)行水深100 m，流速2.57 m/s，風(fēng)速20.7 m/s，4 種系泊方式（10°，16.6°，20°，30°夾角），7 種來(lái)波方向（0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°），波高2 m，4 種波浪周期（7 s，8 s，9 s，10 s）共計(jì)112 種工況的海纜敷設(shè)船舶水動(dòng)力性能分析。船?？s尺比為1∶49。

以荷載方向?yàn)?°工況為例，不同系泊方式工況下，船舶自由度對(duì)比情況如圖10 所示。由圖10可知，荷載方向?yàn)?°時(shí)，縱蕩、垂蕩在不同的系泊方式條件下相差不大；綜合比較，10°系泊方案更優(yōu)。

112 種工況下海纜敷設(shè)船舶水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬和物理模擬試驗(yàn)結(jié)果表明： 荷載方向?yàn)?°時(shí)，綜合比較，10°系泊方案更優(yōu)；荷載方向?yàn)?0°時(shí)，綜合比較，20°系泊方案更優(yōu)；荷載方向?yàn)?0°和90°時(shí)，不同系泊方式條件下自由度均較大。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合世界上首個(gè)交流500 kV XLPE 海纜工程，論述了500 kV XLPE 海纜工廠接頭絕緣性能及近接頭海纜的絕緣特性、半導(dǎo)電層與絕緣層的電熱匹配特性、海纜敷設(shè)大噸位纜盤應(yīng)力分布特性及敷設(shè)系泊穩(wěn)定控制等方面的主要科學(xué)問(wèn)題，為更高電壓等級(jí)的XLPE 海纜研制與工程應(yīng)用提供了重要參考。揭示了LDPE 熔體密度分布差異對(duì)海纜工廠接頭及近接頭海纜絕緣性能的影響，為工廠接頭制造提供了理論依據(jù)；揭示了海纜半導(dǎo)電層和主絕緣層的電、熱匹配情況對(duì)海纜電氣性能的影響規(guī)律，為海纜制造所用半導(dǎo)電料與絕緣料的匹配選擇提供了理論依據(jù)；揭示了底板厚度、托輪個(gè)數(shù)等關(guān)鍵因素對(duì)大噸位海纜盤應(yīng)力分布的影響規(guī)律以及海上敷設(shè)船舶的水動(dòng)力性能，為大噸位海纜施工船的設(shè)計(jì)制造、海纜敷設(shè)系泊方式選擇提供了理論依據(jù)。