摘要：为了模拟66 kV 湿式轻型海底电缆在全寿命周期中可能承受的压溃、拉伸、弯曲、冲击、扭转等多种机械载荷，根据机械载 荷类型的不同搭建了不同的试验平台，针对压溃载荷，利用摩擦试验平台模拟海底电缆的短期受压情况，利用重物长期堆叠模拟海 底电缆的长期受压情况;利用疲劳试验机、弯曲刚度试验机搭建拉伸弯曲试验平台，模拟还原海底电缆运行过程中承受的拉伸、弯 曲载荷;利用冲击试验机模拟海底电缆在实际过程中承受的冲击载荷;搭建扭转试验平台，利用角度传感器、力传感器测量海底电 缆承受的扭转载荷。通过对66 kV 湿式轻型海底电缆进行以上特殊机械试验，对试验数据进行相应的分析从而得到电缆允许的压溃 载荷、侧压力、抗冲击能力、刚度、允许扭转角度等工程相关信息，为海底电缆的生产、导缆、运输、敷设、施工作业以及后期运 维提供试验数据的支持。

　　关键词：66 kV; 湿式轻型;海底电缆;全寿命;机械试验;试验平台

　　Special Test Research on 66 kV Wet Design Submarine Cable Shan Qianyu , Wu Jianlun , Li Peiyao , Wang Libin , Wang Zhichao , Zhao Yuantao , Yu Guojun

　　( Ningbo Orient Cable Co. ,Ltd. ,Ningbo ,Zhejiang 315801 ,China )

　　Abstract :In order to simulate the various mechanical loads that 66 kV wet light submarine cables may withstand throughout their entire life cycle , such as crushing , stretching ,bending , impact ,torsion and so on , different test platforms are built based on different types of mechanical loads. For crushing loads ,friction test platforms are used to simulate the short- term compression of submarine cables ,and long- term stacking of heavy objects is used to simulate the long- term compression of submarine cables. A tensile and bending test platform is built using fatigue testing machines and bending stiffness testing facility to simulate and restore the tensile and bending loads borne by submarine cables during operation. An impact testing machine is used to simulate the impact load borne by submarine cables in the actual process. A torsion test platform is built and angle sensors and force sensors are used to measure the torsional load borne by submarine cables. By conducting the above special mechanical tests on 66 kV wet light submarine cables and analyzing the test data accordingly ,engineering related information such as allowable crushing load ,lateral pressure , impact resistance , stiffness , and allowable torsion angle of the cables can be obtained , providing experimental support for the production ,load- out ,transportation ,laying ,installation ,operation and maintenance of submarine cables .

　　Key words : 66 kV ; wet design and light type ; submarine cable ; entire life ; mechanical test ; test platform

　　引言

　　随着海上风力发电机单机容量的不断提高，风场整 体装机容量火速提升，新能源政策从高补贴向着平价上 网转变，海上风电未来的整体趋势将会是低成本、高可 靠性。因此，66 kV 铝芯湿式设计的风机间海缆将会是未来市场的首选，它能够大大提升海上风电的输出容量并且降低成本[1-2] , 但当海缆出现故障情况需要抢修时，则会花费大量的抢修费用，为了提高运行的可靠性，除 了IEC 63026[3 ] 和CIGRE TB 490[4 ] 规定的型式试验、CIGRE TB 722[5 ] 要求的绝缘加速老化试验之外，CIGRE TB 623[6 ] 和API [7 ] 规定的一些特殊机械试验对于整个电 缆系统的研究也是必不可少的。国内外学者围绕电缆的机械性能展开了大量研究。

　　卢正通等[8]针对海底电缆在施工作业过程中会受到张力、挤压力等外力的影响，对电缆在施工过程中的受力情况 进行建模和分析，预测了海底电缆在200 m 水深以内敷 设过程受到的最大张力和挤压力情况;为开发满足电缆在敷设安装和运行过程中受到的实际荷载要求的机械试验设备，卢正通等[9]从海缆张力弯曲和张力扭转两方面分析海缆的机械性能，通过有限元分析海缆的受力情况，为海缆机械试验设备参数的设计提供了参考;王力平[10]根据船锚撞击海底电缆的相关情况，运用Abaqus 有限元 分析软件建立了船锚撞击三芯光电复合缆有限元计算模型，计算出船锚冲击后光电复合缆各层结构的应变和截面变形量;王国忠[11] 叙述了海底光纤复合电力电缆的设计、制造及进行的盘绕、拉伸、张力弯曲等机械性能试验;茅雁等[12] 对海底电缆机械性能的试验方法进行了综述性的描述，并结合制造商的现场情况对试验过程进行了简单讨论;陈然等[13] 对海缆铠装可承受拉力、海缆盘绕时退扭力和张力的关系、海缆航行敷设时弯曲半径和 张力的关系进行了计算分析;Sven MUELLER SCHUETZE等[14] 对三芯光电复合铝芯海底电缆展开了冲击、刚度、 卷绕、张力弯曲等机械试验研究，认为机械测试获取参 数的必要性。

　　基于上述现状，国内外对于海底电缆机械性能的研 究多以理论分析和有限元建模计算为主，试验研究相对 缺乏。因此本文以66 kV 铝芯海底电缆为研究对象，开 展了定制化的机械特殊试验方案研究并开展了相应的 试验。

　　1 电缆设计

　　66 kV 铝芯湿式设计的风机间海缆的样品如图1所 示，尺寸和主要技术参数如表1~2 所示。

　　1. 1 导体

　　铜、铝导体在相同传输容量下，铝芯海缆相比铜芯电缆购置成本优势较大[15] 。为了优化海上风电场项目的整体投入，66 kV 阵列间电缆的导体材料建议采用紧压 铝导体。根据大部分国外业主的要求，导体的透水应不 超过5m, 于此同时，导体需要满足电阻要求，因此每一层导体外均涂敷有半导电阻水胶。

　　1. 2 绝缘

　　电缆采用湿式设计，使用抗水树交联聚乙烯作为绝 缘材料。根据CIGRE TB 722 的规定，湿式设计的海缆需 要进行加速老化试验来验证电缆绝缘材料在海水中的长 期性能，考察绝缘料在老化后的残余击穿场强。影响绝 缘厚度的主要因素是材料本身的工频击穿场强和雷电冲 击场强，按照现有的国内和国际标准中对绝缘厚度的设计安全裕度过高，此次研制对绝缘厚度进行了设计和减薄研究[16] , 保证安全的同时降低了成本。

　　1. 3 金属屏蔽

　　金属护套取消传统的铅套型式，改用铜丝与铝塑复合带的组合设计[17] , 对于传输同等载流的铜导体铅护套海底电缆来说，大大减轻了电缆重量以及成本。该结构 通过铜丝来承受短路电流，纵包的铝塑复合带提供了径 向和纵向阻水功能。

　　1. 4 填充层

　　填充的主要功能是3根单芯电缆绞合成三芯电缆时，保证电缆的圆整度及保护光缆不受损坏[18]。填充条材料选择环保型挤出式复合材料。

　　1. 5 铠装层

　　镀锌钢丝作为铠装层的主流材料[19], 为电缆在敷设和安装期间提供了张力和当电缆遇到抛锚时提供机械 保护。

　　1. 6 光缆

　　最多3根光缆能被复合到三相的间隙中，每根光缆 包含了48 根光纤，支持单模或多模。光缆中的不锈钢管 和不锈钢丝铠装为光纤和光缆本身提供了机械保护。为 消除感应电压对金属套管的影响，金属套管和铠装层外增加了半导电PE 护套作为护层。

　　2 特殊机械试验

　　设计需要考虑海底电缆在生产、导缆、运输、安装敷设以及服役期间所有可能承受的载荷[20] , 包括拉伸、弯曲、扭转、压溃、冲击等。

　　针对海底电缆实际工况，开展了特殊机械试验的研 究，主要包括压溃、长期堆叠、侧压力、冲击、网套拉 力和张力特性、弯曲刚度、扭转等试验，测试的程序和 结果均满足标准、规范要求。

　　2. 1 压溃试验

　　压溃试验如图2所示。试验目的是为了验证海缆导缆、安装、运输、运维等情况下电缆能承受的短期挤压能力。将张紧垫(长18 cm) 安装于电缆构件摩擦试验机上，取一段长约1m 的样缆置于张紧垫之间;控制电缆构件摩擦试验机挤压样缆，加载 至不小于10. 8 kN 挤压力;保持挤压力不变，时长不小 于1h, 随后卸载，观察样缆的变形情况;试验结束后对样缆进行目视检查。试验结果如表3所示。

　　2. 2 长期堆叠试验

　　长期堆叠试验如图3 所示。试验目的是验证海缆 存储、长距离运输等情况下所能承受的长期荷载能 力。使用游标卡尺测量样缆直径D, 重复测量3 次并 取平均;利用垫块将两根样缆并排平行固定;将总计 重约2800 kg 的重物通过钢板(长44 cm) 均匀堆压在测试样缆上，保持大于7 天的时间;测量期间观察 样缆的外观变化，测试结束后再次测量样缆直径D;试验结束后对样缆进行目视检查。试验结果如表4 所示。

　　2. 3 侧压力试验

　　侧压力试验如图4所示。试验目的是验证海缆在安 装、操作时候所能承受的侧压力。侧压力测试分为3种 情况，分别是分布式线接触、分布式点接触以及单点式 接触。样缆一端固定，另一端与加载装置相连;弯曲半径设置为3m, 测试张力设定为90 kN; 控制动态疲劳试验机，缓慢加载张力至额定试验拉力(不小于90 kN ),保持5min 恒定拉力，之后卸载。试验结果如表5所示。

　　2. 4 冲击试验

　　冲击试验如图5所示。试验目的在于模拟海缆的抗 冲击能力，比如锚害、抛石等。在一根3m 样缆上中部 标记5个冲击点，每个冲击点间隔0. 5 m, 测量落锤质量;将样缆连接在冲击试验机上，将液压锤提升至样缆 上方0. 5 m 处，使第一个冲击点正对落锤，且两者轴线垂 直;放下锤子以模拟冲击载荷，冲击结束后将液压锤提升回 样缆上方0.5 m 处;改变样缆摆放方位和冲击点，重复以上 步骤共5次，记算每个冲击点的冲击能;试验结束后，进行 目视检查和电连通性验证。试验结果如表6所示。

　　2. 5 网套拉力和张力特性试验

　　网套拉力和张力特性试验如图6所示。试验目的在 于验证海缆经历过网套拉力之后的完整性和网套的抗拉 脱能力;获取海缆的轴向刚度、扭转平衡和旋转特性。

　　样缆一端采用牵引网套与动态疲劳试验机连接，另一端固定;通过疲劳试验机，在牵引网套一端缓慢施加拉力至额定最大拉力100 kN , 15 min 内保持拉力值不变，之后完全卸载;牵引网套试验完成后，进行电气常规测 试。电气试验结束后，对样缆进行目视检查。

　　样缆一端与动态疲劳试验机连接，另一端固定;安 装引伸计于样缆中间部分，在其拉伸端固定角度传感器;通过疲劳试验机，对样缆缓慢施加拉力至额定最大拉力120 kN , 15 min 内保持拉力值不变，逐渐降低到额定最小拉力60 kN, 随后完全卸载;重复步骤共3次;试验过 程中应记录样缆施加的最大拉力T、伸长率ε 和扭转角 Δφ。试验结果如表7~8 所示。

　　2. 6 弯曲刚度试验

　　弯曲刚度试验如图7所示。试验目的在于获取电缆 弯曲刚度的工程信息，用于海缆安装分析。利用4点弯曲方法，连续记录力和位移的变化曲线，根据基本力学理论可以算得弯曲刚度数值，最终得到弯矩-曲率的关系图。试验结果如表9和图8所示。

　　2. 7 扭转试验

　　扭转试验如图9所示。试验目的在于获取电缆扭转刚度、最大允许扭转角等工程信息，用于海缆导缆、安装分析。搭建扭转试验机，安装角度传感器和力传感器，连续记录力和角度的数据，根据基本力学理论可以算得扭转刚度数值和最大允许扭转角。试验结果 如表10 所示。

　　3 结束语

　　根据IEC 、API 标准和CIGRE 规范，明确了需要进 行的试验项目。通过试验方案的制定以及试验平台的搭 建，运用测试的手段展开了压溃、长期堆叠、侧压力、冲击、网套拉力和张力特性、弯曲刚度、扭转等试验研 究，测试结果均满足设定要求，证明此类湿式轻型海底电缆的应用和发展是可靠的。上述试验获取的参数可以 对实际项目涉及的生产、导缆、运输、安装及运行过程 提供实测数据支撑，从而保证工程的安全性。

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