2019海底电力电缆设计安装修复和环境影响

海底电缆的设计安装修复和环境影响2022目 录第1章 海底电力电缆的应用 11.1岛屿供电 11.2独立电网连接 21.3近海风电场 31.4海上石油平台供电 41.5跨越江河海峡短程输电 56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 72.1导体 72.1.1实心导体 81.2圆单线绞合导体 82.1.3型线导体 92.1.4用于充油电缆的空心导体 9215216217218

………………10………………11………………12………………122.2绝缘系统2.2.1聚乙烯

……………………12…………………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 16226挤包高压直流电缆227其他挤包绝缘系统

……………………17……………………172.2.8用于交流或直流的纸绝缘充油电缆2.2.9用于高压直流的粘性浸渍纸绝缘

…………………17……………………19Ⅷ 、安装、修复和环境影响2.2.10充气海底电缆 212.2.11其他绝缘系统 212.3阻水护套2.3.1铅套2.3.2铝套2.3.3铜套

……………………22……………………23……………………24……………………242.3.4聚合物护套 252.4铠装 252.4.1防腐2.5外被层

……………………28………………………302.6三芯电缆 302.6.1单芯和三芯海缆间的选择 322728

……………………33……………………342.9光纤复合海底电力电缆 3510五种常用电缆类型 36参考文献 38第3章 设计 401热性设计 403.1.1单芯高压直流电缆 403.1.2交流电缆 453.1.3热性设计的其他因素 493.1.42K准则 563.1.5热性设计的经济性 583.2机械性能设计 613.2.1敷设过程的张力 613.2.2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 643.2.4其他的力及影响 663.2.5涡致振动 683.3电气设计 703.3.1电气强度的概念 703.3.2威布尔（Weibull）分布 71333交流电缆的绝缘设计334直流电缆的绝缘设计

…………………73…………………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37可用性和可靠性

…………79………………………80目 录Ⅸ参考文献 80第4章 附件 821海底电缆接头4.1.1工厂接头

………………82………………824.1.2近海安装接头 844.1.3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 91422岸上直流终端423近海电缆终端

…………91…………924.3其他附件 934.3.1J-管 93432433

………………93………………943.4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 961.2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 1025.1.7海底电力电缆的储存 1045.2试验 1055.2.1研究性试验 1055.2.2型式试验 1065.2.3例行试验 1122.4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 1171海洋勘测范围 1186.2测深 1196.3海底下层测绘 121Ⅹ 、安装、修复和环境影响6.4目测检验 1226.5土壤取样 1226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 1257.1安装 1257.1.1电缆敷设船 1257.1.2其他船舶 1347.1.3登陆和物流 1351.4海底电力电缆敷设 1367.1.5海底电缆登陆 1397.1.6海底电缆接头 1427.1.7天气 1467.1.8组织 1517.2海底电力电缆的保护 1527.2.1选择合适的电缆路由 1532.2设计合适的电缆铠装 1557.2.3外部保护 1567.2.4安装后保护 1617.3附录：悬链线 162参考文献 164第8章 损伤和修复 1668.1损伤 1668.1.1受损原因 1661.2损伤的统计分布 1678.1.3渔具造成的损伤 1678.1.4锚造成的损伤 1688.1.5敷设过程中的损伤 1718.1.6其他损伤 1728.1.7自发性损伤 1738.1.8接头故障 1748.2修复 1748.2.1备用电缆 1748.2.2修理船 1758.2.3修复团队 1758.2.4修复作业 1768.3故障定位 1778.3.1时域反射（TDR） 177目 录Ⅺ8.3.2电桥测量法 1798.3.3精细定位法 1803.4光时域反射测量技术 1818.3.5其他方法 1828.4修复实例 183参考文献 186第9章 运行和维护：可靠性 1871海底电缆的运行 1879.1.1所有类型海底电力电缆的常用措施 1879.1.2仪器仪表 1889.1.3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海底电力电缆的可靠性 1909.2.1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 1922.4一些海底电力电缆的可靠性 192参考文献 195第10章 环境问题 19610.1环境评估 1962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 19910.4电缆安装的环境问题 20110.5海底电力电缆运行对环境的影响 20310.5.1热的影响 20310.5.22K准则 20410.5.3电磁影响 20510.5.4化学影响 2106海底电力电缆的再生利用 210参考文献 211第11章 轶事 2131S/SCastalia的浮动医院 21311.2连接英国Lydd和法国Boulogne的高压直流电缆 21411.3领航员 21411.4S向成缆和成圈方向 215Ⅻ 、安装、修复和环境影响11.5可以吃的绝缘 21611.6弹球机11.7邮票

……………………216………………………21711.8不寻常的电缆船 21811.9蛀船虫 21911.10德国士兵战争时寻找一个电缆故障 21911甚至更多损害 22011.12电缆圈 22011.13电缆船海礁 22111.14诗歌 22214.1FlorenceKimballRussel夫人的旅程 222参考文献 224第12章 常用表 2251电缆绝缘材料的介质特性 22512.2铅合金 22512.3非米制导体尺寸：kcmil 22612.4非米制线规 22712.5海水中金属及其合金的电化学序 22812.6各国海底土壤分级 22912.7非米制单位12.8海潮术语

………………230…………………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3C Three-CoreCable 三芯电缆1C Single-CoreCable 单芯电缆AHT AnchorHandlingTug 锚操作拖船AIS AutomaticIdentificationSystem 自动识别系统CDVC CableDependingVoltageControl 电缆电压依赖控制Cigré ConseilInternationalDesGrandsRéseauxÉlectriques 国际大电网会议CLPS CableLoadPredictionSystem 电缆负载预测系统DTS a）DistributedTemperatureMeasurementSystem 分布式温度测量系统b）DesktopStudy 地理地质初步调查EIA EnvironmentalImpactAssessment 环境影响评价GIL GasInsulated（Transmission）Line 气体绝缘（输电）线路GIS GasInsulatedSwitchgear 气体绝缘开关IEC InternationalElectricalCommittee 国际电工委员会LCA LifeCycleAssessment 寿命周期评价LIWL LightningImpulseWithstandLevel 雷电冲击耐受水平LPOF LowPressureOilFilled 低压充油MBR MinimumBendingRadius 最小弯曲半径I s-pd 粘性浸渍纸绝缘OTDR OpticalTimeDomainReflectometry 光时域反射仪OWP OffshoreWindPark 近海风电场PD PartialDischarge 局部放电PLGR Pre-LayGrapnelRun 预拉锚运行ROV RemoteOperatedVehicle 水下机器人RTTR RealTimeThermalRating 实时热性额定值SC Single-CoreCable 单芯电缆集（）SCFF Self-ContainedFluidFilled 自容式充液SCOF Self-ContainedOilFilled 自容式充油SIWL SwitchingImpulseWithstandLevel 操作冲击耐受水平STRI SwedishTransmissionResearchInstitute 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（OffshoreWindPark，OWP）也需要将其宝贵的绿色电能送至岸上电网。11 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10～0W。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10～30km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，1944年开始，Frisian群岛就通过20kV的海底电缆连接至大陆电网[1。其他海岛，诸如加拿大温哥华岛（VancouverIsland）和美国纽约长岛（LongIsland），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1-1）。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（Sicily）和撒丁岛（Sardinia）也是用海底电力电缆连接至大陆。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。第1第1章海底电力电缆的应用PAGE3PAGE2PAGE2、安装、修复和环境影响图1-1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[2]12 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—法国、瑞典—德国、丹麦—瑞典、摩洛哥—西班牙、希腊—意大利）。利用高压直流技术，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—德国，挪威—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。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（NordEl），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。“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[3]。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的许多系统已成功投运（Baltic海底电缆、SwePol、Bass海底电缆连线），或者正在建设的Brit-Ned、SAPEI高压直流海底电力电缆。13 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300～800m。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（10～36kV）。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，用海底电缆（出线电缆）将电能送至岸上。作为出线电缆，运行电压在100kV以上的三相电缆多用在距离超过30km的场合（见图1-2）。

图1-2近海风电场布置，采用34.5kV风电场内部用电缆，风电场与海岸线间连接采用138kV的出线电缆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。14 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。

图1-3挪威天然气生产平台“TrollA”，由一对高压直流电缆供电（承瑞典ABB公司提供）15 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St.Lawrence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。2006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1400～1800m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。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14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）。。，。，[4。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[5]。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，\hwww.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。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。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，登陆段则采用铝导体[1]。也可能在海缆路由中的深海冷水区选用铝导体，而在靠近海滩的直埋较温区采用末段铜导体电缆[2]。铜和铝导体能够连接在一起。海底电力电缆的导体可以制成多种型式（参见图2-1）。多数常见的导体型式将在下文介绍。

图2-1导体设计第2第2章海底电力电缆及其设计元件PAGE11PAGE8PAGE8、安装、修复和环境影响2.11 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400mm2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。由于实心导体的截面积限制在400mm2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。2.12 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。导体通过模具或辊轮装置紧压，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%。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，就会发现字母的中轴线是否与绞线绞合方向平行。文中的图显示了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[3]。如果导体在圈绕应力的影响下松股，可能会损伤绝缘。对于纸绝缘电缆，最里面的纸绝缘层会受力破裂。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㊀

。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㊀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.DelMar创造[31]。应“趋肤效应”。㊀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。2.13 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。2.14 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（韩国大韩电线株式会社制造）㊀此处原文可商榷。采用单线绝缘正规绞合导体可以减少导体趋肤效应。译者注第2第2章海底电力电缆及其设计元件PAGE11PAGE10PAGE10、安装、修复和环境影响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。序 号组 件序 号组 件1油道导体，铜型线绞合，自承式导体屏蔽绝缘，低粘度电缆油浸渍纸带绝缘屏蔽铅套加强层，青铜带8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29310411512613714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）2.15 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30年代，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为了制造分割导体，工厂首先将圆单线绞合成标准的导体股线。这些股线再压制成三角扇形并进行预扭最后数个股块绞合成一个圆形导体导体外形2-2所示。分割导体可能包含中心油道或中心导线。分割导体也称为Milliken导体。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[6]。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[7]。这种绝缘设计既可应用于股块间，也可在每个股块的各层绞线间，还可以在每根单线之间，或者是三者的任意组合。此外，还可仅在所有单线中一部分绝缘。绝缘可包薄纸或聚合物材料包带或通过单线表面涂漆实现。2.1.分割导体的制造成本较高，仅用于大截面规格（≥1200mm2，铜导体）2.1.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：Rθ=R20[1+α（θ-20）]式中，Rθ为在温度θ（℃）时的电阻率㊀；R20为20℃时的电阻率；α为电阻的温度系数。铜和铝的电阻率和温度系数见表2-1。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（33-1）。表2-1铜和铝的电阻率及其温度系数铜铝R0：20℃时的电阻率/（Ω·m2/m）0.017860.02874α：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1600mm2的铜芯电缆，采购方实际是根据IEC60228购买导体电阻不大于0.0113Ω/km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㊀原文将specificresistivity”作为电阻率”有误specificresistance”和resistivity”均为电阻率”。以下同此。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（如790mm2、1410mm2）。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。2.17 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，不需要采取附加措施。2.18 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，77K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（如钇钡铜氧、铋锶钙铜氧和铊钡钙铜氧）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。对于电缆领域的应用，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：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。22 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找到[8]。这里介绍的是一些绝缘材料最重要的特性。相关绝缘材料的性能见第3章的表格。2.21 聚乙烯聚乙烯是一种碳氢化合物CH3（CH2）n—CH3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09～097g/cm3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2060年代初就用于63kV的电缆在法国低密度聚乙烯在2090500kV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行温度有限（70～80）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（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70℃125℃交联聚乙烯90℃250℃乙丙橡胶粘性浸渍纸绝缘90℃50～55℃250℃充油电缆绝缘85～90℃2.22 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。热塑性聚乙烯在加热到80～110℃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]。水树作为一个问题再没有更多的报道。与之对照，交联聚乙烯已开发作为既可用于陆缆又用于海缆的绝缘材料。交联聚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[10。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550kV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245～345kV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。2.23 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℃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—绝缘—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250Ω·m（欧洲电工标准），或不大于500Ω·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，最终导致绝缘击穿。多数现代的炭黑配方满足其要求并有很大裕度。在实际寿命期间，含炭黑的交联聚乙烯电阻率与温度和机械应力密切相关，这是由于炭黑微粒间的桥接能够在聚合物基体内部应变的影响下分开或紧靠[11。存在不同类型的炭黑，如具有不同微粒尺寸分布和纯度的炉黑和乙炔黑。挤出参数受到炭黑含量及其特性的显著影响。可剥离屏蔽系统有时用于中压电缆，它降低了绝缘层与外半导电屏蔽之间的粘合性。在接头或终端制备过程中，这种外屏蔽可以像香蕉皮一样剥离，节省了工时。半导电层的标称厚度为1～2mm。对于大长度海缆，由于原材料价格很高，厚半导电层构成成本会明显增加。24 老化和潮湿对交联聚乙烯绝缘的影响“老化”是绝缘材料的特性在温度、电场强度、机械应力、化学腐蚀或这些因素组合的影响下劣化的过程，介电强度随之逐渐下降。当绝缘强度降至运行电场强度范围内一定程度时，电缆就已经达到其有效寿命的终点。由于介电强度的统计特性，电缆线路中的某些区段达到“退役年龄”，并经历击穿故障；而电缆线路的其他区段仍有数年的使用寿命。出于统计原因，在其他因素相同的情况下，较长的电缆线路将比较短的线路面临更大的击穿风险。对累积和预期修复成本的分析，有助于电缆业主判定何时电缆线路达到其使用寿命的经济性终点。绝缘材料的热老化可形容为绝缘内化学反应的结果。依据经典的阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型，其寿命时间可由下式表示：τ=Ae（U/T） （2-1）式中，τ为相对寿命时间；A为阿伦尼乌斯常数；U为该化学过程中的活化能；T为绝对温度（K）。若活化能和阿伦尼乌斯常数已知，则对于每个导致老化的化学过程，均能够建立式（2-1）的方程。已经建立电场强度导致老化的另一个等式，如下：τVn=常数 （2-2）式中，τ为相对寿命时间；V为施加电压；n为与材料和制造工艺有关的系数，对于交联聚乙烯电缆，n=9～12。式（2-1）和式（2-2）都不能准确计算出指定电缆系统的寿命。等式的值是寿命如何取决于温度和电压的表示关系。在多数情况下，高压电缆的运行电压十分稳定，波动很小。显而易见，这两个等式反映了短时过电压或短时过热会“吃掉”多少电缆寿命。对于某种电缆装置（如近海风电场），应对其在一定条件下长期过电压的风险进行评价。为了易于理解和使用，多数有机绝缘材料（聚合物、纸、油）的寿命有两条基本准则[12]：若提高运行温度8～10℃，则电缆寿命会减半；8%～10，则电缆寿命会减半。准则1又称为Montsinger准则”，在20世纪30年代提出。该准则也适用于现代绝缘材料[13，14。根据该准则，在导体温度90下，30年寿命的电缆，在导体80～82下，使用寿命可以加倍。18～10的温度梯度，在其他绝缘材料的应用中可能有不同的梯度值。对于变动负载的电缆系统，累积老化的计算应考虑短时的热应力和电场强度。在近几十年，已经提出了许多老化模型。对于热、电老化同时影响的多应力老化的复杂过程也进行了彻底的研究。本章参考文献[13]和[15]对这一问题提供了全面介绍和进一步的参考资料。铜对聚烯烃类绝缘材料（交联聚乙烯、聚乙烯）的老化有潜在的加速催化作用。在现代电缆设计中，半导电屏蔽材料对铜离子构成了有效的屏障。。众所周知，。海底电缆的绝缘必须通过有目的的设计予以保护，。聚合物材料通常是防水的，但仍受到潮气渗透的影响。，不可能完全阻水，阻水层至少能够延迟水分的渗透或（和）侵入，使绝。根据一种策略，，防止水分的直接侵入。气。阻水带有足够的容量，能够吸收电缆经济寿命期间所有的潮气[16。对于海底电缆，通常可以排除由太阳照射或紫外产生的老化。在海缆登陆点或平台或（和）风机上，海缆业主应对其提供必要的防晒措施。2.25 交联聚乙烯绝缘的应用对于某些选定制造商，已能生产大长度（>50km）交联聚乙烯绝缘三芯最高170kV的海底电缆。随着电压的升高，具备相应制造能力的厂商越来越少。电压最高至500kV的单芯电缆的制造长度有限。至2009年，400～500kV交联聚乙烯电缆的软接头还没有商业应用，这使400kV和（或）500kV挤包海缆难以用于越洋路由。2.26 挤包高压直流电缆由于绝缘内的空间电荷现象，标准的交联聚乙烯材料不适用于高压直流应用。在直流电压作用下，空间电荷将会在绝缘层中的某些位置积聚。积聚效应将产生绝缘内不利的电场峰值。这一现象曾长期限制交联聚乙烯在高压直流中的应用。目前，特殊的交联聚乙烯配方已研制出来，以解决上述的空间电荷问题。有的制造商已取得了超过15年的挤包高压直流电缆商业运行经验。第一根挤包高压直流海底电缆（“跨海峡电缆”）在2002年敷设于纽约长岛和Connecticut之间[17。从那时起，其他挤包高压直流海底电缆（如TrollA、Estlink、NordE.ON）已经敷设。挤包高压直流电缆系统目前已达到320kV的运行电压。给定海底的安装和运行条件，挤包电力电缆优良的机械性能就显现出来。图2-4为一种典型的挤出绝缘高压直流海底电力电缆。2.27 其他挤包绝缘系统

2-4挤出绝缘的高压直流海底电力电缆，用于Estlink连线工程（承瑞典ABB公司提供）某些制造商采用乙丙橡胶作为挤包绝缘，主要用于地下电缆。与交联聚乙烯相比较tanδ和相对介电常数εr较大，使它不适用于最高的电压等级。目前，至少有三个制造商提供乙丙橡胶中压海底电缆。已知最近敷设的乙丙橡胶绝缘高压海底电缆，是连接意大利na—u-no—Mestre150kV海缆（2001年）。乙丙橡胶与交联聚乙烯的综合比较及相关参考资料见本章参考文献[18]。挤包聚乙烯绝缘的直流电缆早在1963年跨英吉利海峡（CrossChannel）高压直流工程中就已经敷设。2.28 用于交流或直流的纸绝缘充油电缆这一传统形式的电缆设计内部充有低粘度的电缆油。这种电缆有以下几种名称（或许更多）：㊀低油压充油（LPOF）；自容式充液（SCFF）；自容式充油（SCOF）。㊀本书统一称为充油电缆。译者注也有高油压充油电缆，但它不在海底应用中使用。粘性浸渍纸绝缘电缆不应与充油电缆混淆。它们的差异在下一部分讨论。充油电缆的绝缘纸由针叶树木浆牛皮纸（KraftPaper）制成。为提高介质损耗性能，尤其对超高压交流电缆，木浆有时需在去离子水中漂洗。低密度纸（0.7～0.8kg/dm3）用于保持低介质损耗和对油流的高渗透性。绝缘经常由不同厚度的绝缘纸带绕包而成，厚度为50～180μm。薄纸带的绝缘强度高于厚纸带，前者用在靠近导体场强较高的位置。在绝缘的外部，场强较低，要求的绝缘厚度可由较少层数的厚纸带绕包实现。绝缘的叠层厚度设计也提供了良好的弯曲性能。数十年来，一直采用低粘度的矿物油作为充油电缆的浸渍剂。自从20世纪80年代早期，合成电缆油用于充油电缆中，直链烷基苯混合物（LAB）占据了主导。由于它与矿物油相溶，因而适合已有充油电缆的补油和换油。在运行期间，电缆内部的油处于加压状态。对于交流电压，油-纸绝缘的绝缘强度与压力相关。电缆油中的气体可溶性随压力下降而降低。如果压力降得过低，溶解在油里的气体将释放出来，形成气泡。交流电场将在气泡内产生局部放电，这会降低绝缘性能，导致电气击穿。由岸上的压力供油装置保持海底充油电缆内必需的压力。电缆必须有足够大的油道，对于以下情况，从岸上供油装置将液压传递至电缆的所有部位。•热膨胀和收缩。为响应负载的变化，电缆会改变其温度。电缆油会收缩或膨胀，压力的变化必须由陆上供油装置往来输送电缆油补偿。受流阻的影响，上末端与中部间存在着压降。电缆线路中部的压力变化最大。无论如何，类似真空的低压状况的发生，因为这可能会导致电气击穿。•沿线的所有位置都应对海水保持正压，避免金属套损伤时海水的侵入。海水比电缆油重，因此随着敷设深度的增加，内部压力的平衡随水压的变化而改变，使水压大于油压，这必须通过陆上供油装置内高油压实现补偿。依据电缆的设计，可采用不同的措施提供油道。单芯充油电缆具有中空导体，提供了压力的平衡和与岸上供油装置的液压传递。在早期的电缆设计中，中心油道由铅套内的纵向沟槽辅助实现。对于统包铅套的三芯电缆，线芯之间的空隙形成了油道。如今只有单芯充油电缆用在高电压场合（>150kV）。它们依靠导体中心的油道供油。从实际考虑，充油电缆的最大长度为30～60km。对于更长的距离，无法保证电缆内足够的油流。只有绝缘液的热膨胀系数较低，或者运行温度较低，才能满足上述更长的距离。对液压设计的详细讨论参见本章参考文献[20]。扁型充油（Möllerhöj）电缆是低油压充油海底电缆长度受限法则的一个特例（参见图2-5）。2-5的电缆包含两个或三个全绝缘线芯，且线芯以平行、非绞合形式布置椭圆形铅套的微小形变吸收电缆油的热膨胀铅套由复杂金属结构支撑，起到类似弹簧缓冲的作用[21。扁型充油海底电缆不需要外部供油，敷设长度近乎不受限制。这种类型的海缆最近一次使用于1996年丹麦和德国之间的Kontek连线工程，直流输电功率为600MW。这根海缆将在2010年被常规的粘性浸渍纸绝缘高压直流海缆替代。可以使用聚合物薄膜增强纸带改进充油电缆。自从20世纪80年代以来，由纸层和聚丙烯层组成的复合结构已作为复合绝缘材料，用于最高直流800kV的充油电缆（参见图2-6）。这种材料在交流条件下比牛皮纸绝缘强度更高，介质损耗比牛皮纸低，因而适用于高性能的超高压交流电缆。这种复合机理已用在不同的夹层方案（纸-聚丙烯薄膜-纸、聚丙烯薄膜-纸-聚丙烯薄膜）中，形成两层、三层和四层的结构。这些绝缘的名称为PPL、PPP或PPLP。有关聚丙烯-牛皮纸复合纸（PPLP）电缆研制的更多信息和参考资料见本章参考文献[6]。超高压交流连线采用充油电缆比交联聚乙烯电缆有更长时间的运行业绩。

图2-5Kontek连线工程采用的扁型充油电缆（承丹麦NKT电缆公司提供）图2-6聚丙烯-牛皮纸复合纸（PPLP）的结构一系列经过良好运行证明的电缆终端和接头可供使用。更高的导体运行温度（90）允许大容量的传输；聚丙烯-牛皮纸复合纸绝缘的低介质损耗使更大长度的海缆成为可能。考虑其不利的因素，它的制造工艺相当复杂；供油装置也很复杂；更为重要的是在海缆受损时漏油对环境有难以预测的影响。有利的因素可归结为，这种海缆类型依然在较短距离大容量的海缆路由上成功使用。直布罗陀海峡的海缆系统、琼州海峡的海缆系统以及约旦和埃及之间（Aqaba海湾）的海缆连接都是该项技术在全球应用的现代范例，使用的最长距离为～50km。目前，交联聚乙烯电，给充油电缆的使用留下很小的空间。菲律宾的一个输电系统工程仍然采用了四根额定电压仅为138kV的充油海缆，海缆由日本制造商在年提供，尽管供油附件（如供油箱、油泵）无法从陆路运至现场[22。2.29 用于高压直流的粘性浸渍纸绝缘这种绝缘类型用在高压直流电缆已超过100年[23]。粘性浸渍纸绝缘电缆曾用于中压交流传输，但目前它们仅用于最高的直流电压等级的海底大功率传输应用。粘性浸渍纸绝缘电缆最高适用于直流500kV。对于这一高电压等级，除了良好运行证明的粘性浸渍纸绝缘电缆以外，没有替代的选择。目前，最长的工程路由长为580km（NorNed工程，2008年），但这种类型的电缆的使用长度几乎不受限制。由于粘性浸渍纸绝缘电缆与挤包绝缘的电缆有许多相似点，它们也被称为“固体绝缘电缆”。图2-7中的左侧样品为粘性浸渍纸绝缘的450kV高压直流电缆；右侧为1954年制造的150kV电缆。与充油电缆比较，粘性浸渍纸绝

图2-7粘性浸渍纸绝缘高压直流电缆：450kVBaltic电缆”（左侧）；150kVGotland电缆”，1954年（承瑞典ABB公司提供）缘直流电缆需要不同的绝缘纸。由于直流电缆没有介质损耗，因而能够选择高密度（1.0g/dm3）纸达到最佳的绝缘强度。专业的纸品制造商能够保持产品的高透气度，使穿透绝缘纸时的油阻较低。海底高压直流电缆用绝缘纸由针叶树纤维木浆（牛皮纸）制成。有时制造商在绝缘中采用不同厚度的绝缘纸，以实现更好的弯曲性能。为了制造高性能的电缆，绝缘绕包必须在受控的湿度和极高洁净度条件下进行。纸绝缘电缆中的导体屏蔽由半导电炭黑纸绕包而成。绝缘屏蔽由炭黑纸与金属膜复合纸或薄铜网组成。有时采用双色半导电纸（一面为绝缘，另一面为炭黑）作为屏蔽。朝向纸绝缘的内屏蔽和外屏蔽具有光滑的介质界面。金属膜复合纸也被称为H型纸（HöchstädterPapier），自1914年开始采用。完成所有纸带的绕包后，将电缆线芯置于巨大的容器中做进一步处理。先做真空干燥处理，再用高电压等级的浸渍剂浸渍。欧洲粘性浸渍纸绝缘电缆制造商采用具有非牛顿流变特性的一种矿物油，可通过添加聚异丁烯增加其粘度。采用高粘度浸渍剂的粘性浸渍纸绝缘高压直流电缆，其使用不受路由长度限制，因为它不依靠来自岸上供油站的外部加压[27]。当浸渍绝缘电缆处于冷态时，绝缘绕包间隙内有小气隙。在电场作用下，气隙内可能产生局部放电。在交流电压条件下，每半个周期可能引发气隙放电。同一位置的多次重复局部放电能使绝缘纸裂解，最终导致击穿。因此粘性浸渍纸绝缘电缆不能用于高压交流场合。在直流电场中，因为电荷传递机理不同，很少产生局部放电。当电缆在导体电流作用下逐渐变热，浸渍剂会膨胀并填满所有可能的气隙。热态粘性浸渍电缆的绝缘强度远高于冷态。由于层绕绝缘结构，粘性浸渍纸绝缘能够允许细微杂质和（或）缺陷。分散的缺陷和外来微粒小于绝缘纸的厚度，只要它们不发射离子，可以认为它们不对绝缘构成危害。已经尝试将粘性浸渍电缆中的传统用纸替换为聚丙烯复合纸。一家制造商采用了聚丙烯-牛皮纸复合纸和常规浸渍剂（粘度改变），与常规浸渍纸绝缘相比，性能没有显著的提高[24]。最近另一家制造商声称取得了更大的输送功率，但似乎是通过采用低粘度浸渍油和更大的载流量实现的[25]，这更像是低油压充油电缆。将聚丙烯-牛皮纸复合纸用于粘性浸渍纸直流电缆，似乎需要进一步的研究。此外，相关论文的作者建议在聚丙烯-牛皮纸复合纸粘性浸渍绝缘纸直流电缆展现其可能的优势以前修改其相关试验标准。当粘性浸渍绝缘纸电缆受损，不会对环境产生漏油[26]。对于敷设在敏感环境中的海底电缆，这一特性是重要的。2.210 充气海底电缆1937年，英国W.T.Glover公司的C.J.Beaver和E.L.Davey发明了采用充气而非油填充的绕包电缆绝缘。它具有与常规充油电缆相同或类似的设计元件，绝缘由浸渍纸带构成。电缆安装完毕后，将做抽真空处理，并从端部注入氮气增压。压力气体填充纸带间隙，抑制局部放电的产生。不管绝缘内的气隙，充气电缆均能用于交流或直流电压场合。1956年至1958年间，采用充气绝缘的（British和温哥华岛（）

2-8138kV

[28]（见图2-8）。其中的一个系统已于2007年移除，另一系统有望再运行10年[28]。在1962年，用于高压直流输电的三根充气海缆（一根备用）敷设于40km宽的库克（Cook）海峡，位于新西兰两岛之间。2.211 其他绝缘系统从电缆工业形成之时，就已试验各种各样的材料，以确定其是否适合作为绝缘材料。初期人们曾检验过植物纤维产品的适合性，如棉、黄麻和麻。人们很早就发现疏水性浸渍剂能够提高绝缘或击穿性能。对矿物油、植物油或两者的混合物、衍生物及副产品进行了大量的试验。1843年，在伦敦的皇家学会会议上，苏格兰物理学家WilliamMontgomery展示了一种称为古塔波胶（gutta-percha）的马来树胶样品。1845年，这些样品吸引了WilliamSiemens的兴趣，他把样品寄给了柏林的兄弟Werner，做进一步的评估。这种材料能够挤出，作为电缆绝缘至少有30年的寿命。此后广泛采用的绝缘材料是硫化橡胶。上述材料在海底电缆发展过程中发挥了重要的作用，但时至今日，它们甚至在修复处理时都已不再使用。在现代绝缘体系中，人们正考虑采用纳米技术。国际大电网会议已经发表了关于这一问题的综述报告[29]，供深入的阅读。另一项最近的研究参见本章参考文献[30]。在纳米绝缘材料中，绝缘基体中添加了无机纳米颗粒。一些绝缘特性能够得以提高，如耐局部放电性能、空间电荷性能、抗水树性能等。这一技术可能会用于海缆领域，但它需要先在陆上的地下电缆应用中得到验证。在某些场合，气体绝缘输电线路（GIL）已经用于陆上的大容量电力传输。它们包括了用聚合物间隔件定位于金属管道内的导体。中心导体与管道间的空间填充了压力绝缘气体，如六氟化硫、氮气或这些气体的混合物。这种类型的气体绝缘在开关装置中有长期的成功运行记录。设计电压为245kV及以上，气体绝缘输电线路能够输送大容量的电能。气体绝缘依赖于气体的极度洁净。已经有一些陆上气体绝缘输电线路装置，每条线路长约数百米。在德国北部，曾提议过采用气体绝缘输电线路作为海底连线，将近海风电场的大量电能输送至陆上。尽管焊接管线的安装是一项众人熟知的技术，但气体绝缘输电线路的海底应用要求在船上安装过程中保持超净状态。一旦发生泄漏，造成海水侵入，会使大长度的气体绝缘输电线路遭受污损，气体绝缘输电线路需要更新。这还要看用气体绝缘输电线路输电能否在严酷的海底环境中安装和安全运行。2.3阻水护套绝缘必须予以保护，免受水分侵入的损害，以保持绝缘强度。多数高压海缆具有金属护套，以阻止水分的侵入。按照多种形式，采用铝、铅、铜及其他金属可以达到这一目的。由于绝缘的电气强度要求不高，中压电缆经常不采用金属套结构，或采用更为简单的护套设计形式。一种方式是在聚合物护套之下设置吸水层。聚合物护套能起到防水作用，但少量水分会以蒸汽的形式渗透㊀过护套。吸水剂具有足㊀原书对于渗透”相关英文采用diffusion”（扩散）不妥，应采用相关英文permeation”（渗透）。现按正确的中文作相应修正。类同词汇同此。译者注够的吸水量，能够在电缆整个经济寿命期间（或更长的时间）保持绝缘足够干燥[16。多数金属护套还为抵御蛀船虫提供了防护。这种生物属于破坏性的蛀船虫”（实际上它属于贝类），不仅侵蚀沉船，还会损害海缆。它在多数海水中大量存在。近几年，有迹象表明蛀船虫作为外来物种侵入了微咸的波罗的海水域。采用铜或黄铜带能够阻止它的侵蚀。2.3.1铅套1845年WheatstoneCooke就将铅套用于通信电缆铅的挤出自1797年就已有应用，但经历了某些著名的和无数不著名的电缆工程师的不懈努力，才达到当今的铅套工艺质量1900年以前多数大型电缆制造商采用活塞式压铅机生产铅包电缆[31工艺精良的铅套能够完全阻挡水分的入侵和潮气的渗透对于充油和粘性浸渍纸绝缘电缆，铅套提供了致密的包覆层，保护其免受外部环境的影响此外铅增加了电缆的重量在某些情况下这对电缆在海底保持稳定性是重要的使用螺杆挤出机能够以合理的成本不间断地完成100km长单根海缆的铅包工序。海缆的长期稳定性、蠕变和挤出等特性能够通过采用铅合金得到实质性改善，如铅合金中加入了锑、锡、铜、钙、镉、碲等元素。欧洲标准EN50307规定了电缆用系列铅合金。表2-3列出铅合金的成分，它已成功用于大长度海缆的铅套挤出。详细的表格见第12章。表2-3海缆用铅合金及其成分（其命名依据EN50307标准和牌号最接近的合金的常规名称）合金名称合金元素和比例（按重量），最小值和最大值EN50307常规名称砷铋镉锑锡PK012SC0.06～0.090.17～0.23PK021SE0.15～0.250.35～0.45PK022SEL0.06～0.100.35～0.45PK031SF30.15～0.180.08～0.120.10～0.13铅和铅合金非常柔软，在制造、电缆运输、安装及后续过程中必须防止机械损伤。最初经常发生因电缆导轮未对齐或尖锐突起造成的铅套开裂。早期的铅包设备（在挤出工艺之前，常采用不连续的活塞式压铅机）也可能带来铅套褶皱、漏气、破孔等缺陷。铅套受损的风险如此之高，以至于很多电缆采用双层铅套。现代海缆一般采用高可靠性的挤出式压铅机包覆铅套，具有较小的厚度公差和良好的合金稳定性。当采用了螺杆挤出式压铅机挤包铅套，就可以紧随其后挤包聚乙烯护套以保护铅套在后续工序中免受损伤。在线铅套厚度测量和塑料护套厚度测量有助于实现高质量的护套结构。铅套经历着疲劳过程。振动、反复弯曲和热循环能够导致铅合金再结晶。晶界能够发展成微细龟裂，使铅套的防水性能下降。海浪造成海缆敷设船的运动，使从船上悬挂向下的海缆经受多次重复弯曲。铅套的提前疲劳取决于波浪特性、振幅、弯曲次数和弯曲半径。最终会造成铅套开裂。为了降低因热循环产生的铅套疲劳的风险，铅包电缆已采用椭圆形的导体-绝缘-铅套结构[例如，1967年SACOI200kV直流电缆，温哥华岛（VancouverIs-land）138kV充气电缆[28]]。这一思路认为电缆热膨胀会导致由椭圆形变为圆形，而不会导致铅套受拉伸和再压缩。2.3.2铝套铝套可以有不同种形式，如挤包、焊接或复合