浅谈海底电缆设计、生产、运输与敷设

       据不完全统计，我国海岸线总长度超过1.8万km，岛屿5000多个，从世界范围来看，海岸线的长度和数量更大、更多。随着全球石化能源的枯竭和人类对电力需求的增加，人类生产活动逐渐向着海洋移动，如海上风机发电、海洋潮汐能、海洋天然气与石油的开采等，而获取能源的途径只有一个，那就是海底电缆。2012年我国电缆制造规模超过美国成为全球第一电缆制造国，但必须明确一点的是相当一部分高端产品如XLPE绝缘500kv超高压电力电缆、超高压大截面海底AC/DC电力电缆大部分依赖进口。2012年9月在上海召开了中国电线电缆行业大会，会上陶氏化学、北欧化工、法国波迪亚、德国特雷斯特等材料与设备供应商提到最多的一个词就是“海底电缆”。2012年11月27号在上海召开的亚洲线缆高峰论坛，论坛上国内外众多电缆制造商和配套供应商提到最多的一个词也是“海底电缆”，于是身在电缆行业的我们不禁要问到---中国海底电缆的制造春天来了吗？本文简要介绍了海底电缆所需材料、设备、执行标准、安装与敷设等细节及注意事项。

2  国内外海底电缆生产现状

海底电缆研发、生产、敷设已有近170年历史，1850年英国和法国之间铺设了人类历史上第一条海底电缆；中国的第一条海底电缆是在1888年完成，共有两条，一是福州川石岛与台湾沪尾之间，另一条由台南安平通往澎湖，均由当时台湾巡抚刘铭传组织敷设。海底电缆的按绝缘种类分有（如图一）：浸渍纸包绝缘电缆、充油式电缆、挤压式电缆（XLPE--交联聚乙烯绝缘与EPR--乙丙橡胶绝缘），浸渍纸包绝缘和充油式电缆受水深与敷设落差限制，现已基本淘汰。目前使用最广泛、最多的是XLPE绝缘电缆。海底电缆按电流传输方式可分为：交流（AC）传输与直流(DC)传输，目前国外一些大型的电缆企业，如意大利普瑞斯、日本滕仓电缆、日本古河株式会社、日本住友电工、法国耐克森、韩国LS、美国通用电缆等，都具有连续生产超高压、大截面DC海底电缆的能力，并拥有海底电缆软接头技术，同时可提供安装敷设一体化的解决方案；而我国的海底电缆只处于起步阶段，目前国内具有海底电缆生产能力的企业有：（新）远东电缆有限公司、中天科技电缆集团、宁波东方电缆有限公司、青岛汉缆有限公司、沈阳古河电缆厂（日本古河实际控股）、上海滕仓电缆厂（日本滕仓控股）、宝胜普瑞斯曼超高压电缆有限公司（宝胜控股）等龙头企业。

图一 三种绝缘材料的海底电缆

3  XLPE海底电缆的分类

3.1  AC与DC 挤出XLPE绝缘海底电缆

关于海底电缆交流与直流的选择，普遍认为直流海底电缆损耗小、传输更多的电力，AC、DC海底电缆与敷设距离的关系具体研究国内未见报道。意大利电缆公司普瑞斯曼于2011年10月4日在纽约召开的北欧化工能源基础设施研讨会上给出了AC、DC海底电缆与敷设距离的关系。如图二所示：

图二 AC与DC电缆与敷设距离之间的关系

如上图所示，纵坐标是电压等级，横坐标是电缆敷设长度，由图二可见，当海底电缆敷设长度超过120km时，普瑞斯曼的选择是DC电缆，而当海底电缆敷设长度不足110km时，AC电缆是更好的选择。

DC与AC电缆最本质的差别是绝缘材料性能（机械与电气性能，如抑制空间电荷积聚等），相对于AC电缆来说，DC电缆的长度更长，脱气时间更长，XLPE洁净度要求更高，更好的焦烧性能，更长的连续生产时间。目前国际上所有的电缆制造商所生产的高压、超高压XLPE绝缘海底电缆的电缆料（包括导体屏蔽、绝缘屏蔽、绝缘料）几乎均来自北欧化工和陶氏化学。

图三 XLPE绝缘500kv—AC与DC电缆载流量比较

如图三所示，横坐标是导体的标称截面。纵坐标是导体载流量，象限内三条线自上而下，分别是DC电缆、钢丝铠装AC电缆、扁铜丝AC电缆，由图可见，500kv电缆的截面超过1000mm2时，DC电缆在载流量上的优势很明显。

3.2 单芯与三芯光纤复合海底电缆简介

通常来讲，目前单芯与三芯光纤复合海底电缆应用最广的是采用如图四的结构，即800mm2及以下采用圆形紧压绞合铜导体，1000mm2及以上采用分割导体结构（5分割或6分割）XLPE屏蔽、绝缘等，光纤分布一般放置于填充层或钢丝铠装中，图四中的光纤安置于填充层之中。

图四 XLPE绝缘220kv-1×800mm2 光纤复合单芯与三芯海底电缆结构图

目前业内公认，单芯与三芯海缆优先采用钢丝铠装，原因有多种，比如海缆敷设时会施加较强的机械作用力，需要很好的抗拉性能等。至于同一工程中单芯与三芯电缆择选问题，2012年11月27日在上海召开的亚洲线缆高峰论坛上，国内某电缆企业结合导体、金属屏蔽、铠装等损耗，做了比较分析，详见表一：

表一  220kv单芯与三芯海缆对比分析

4  海底电缆的生产、运输与敷设

选取电性能极好的绝缘材料，还需相关设备与便捷的运输渠道，如图五生产流程图所示。生产海缆的设备有：双头或多头在线退火大拉机、120盘（或更多）630钢丝铠装机、150压铅机、3×4500或3×10000及以上立式成缆机、200kv或500kv悬链或立塔交联机等；一般生产海底电缆必须靠近江河航道，以便运输方便，其所需运输设备有：现场流转主动转盘、堆场转盘、运输船等。

图五  海底电缆生产基本流程

海底电缆的敷设是一项巨大的、复杂的工程，主要包括电缆路由勘查清理、海底电缆敷设与冲埋保护等三个阶段。我国目前国内电缆制造商生产的海底电缆几乎都寻求第三方敷设，纵观国际，可以自产自敷设的电缆企业只有普瑞斯曼、耐克森、LS等巨头。海缆敷设所需敷设船、海底勘探器、监视器等，部分企业已研发海底电缆敷设机器人进行实际操作，图六是海底电缆敷设船及敷设现场。

图六 海底电缆敷设船及安装现场

5  结束语

国外海底电缆研发、生产、敷设与维护已形成标准化作业，海底电缆关键技术是大长度海缆内外屏蔽及绝缘无缺陷挤压、联合成缆、软接头及光纤单元结构研究（复合海缆）。近年来，我国大力发展海上风电及油气项目，需要大量的海底电缆传输电力与通信，这就给了疲软的中国线缆行业注入了一剂良方，2012年11月在北京召开的<2012中国南海深水油气钻采装备与技术研讨会>传递了一个信息，我国开发海洋资源迫在眉睫。我国国内电缆及配套企业目前在海底电缆产业链中，只占有设计加工制造这一个环节，而上游的电缆料和设备、下游的安装敷设都被国外如北欧化工、特雷斯特、普瑞斯曼等垄断，在此笔者建议，有实力的电缆企业可以尝试参股北欧化工、陶氏化学等原材料供应商（一旦中美关系恶化，上述二家电缆材料企业封锁原材料供应，将给我国高压及超高压电缆行业带来恶劣影响），学习宝胜与国外一流电缆企业合资或合作办厂，外购或培养专业的海缆安装队伍。我国的海底电缆产业链民族化之路还有很长一段路要走。（曲乐）