設計指南第六章

1、第六章 海底電纜設計第四篇海上油氣田開發(fā)工程儀電訊系統(tǒng)設計第六章 海底電纜的設計第一節(jié) 概述第二節(jié) 海底電纜技術規(guī)格書的編制第三節(jié) 海底電纜的選型計算第四節(jié) 不同設計階段對海底電纜設計的要求和內容第六章 海底電纜的設計第一節(jié) 概述一個獨立的海上油氣田通常是由若干個海上結構物（井口平臺或浮式儲油裝置）組成。在這個海上油氣田中，一般只在中心平臺（或浮式儲油船）上設置一個主電站，然后通過海底電纜將主電站的電能分別輸送到各個井口平臺上。海底電纜將這個海上油氣田的電力系統(tǒng)連接成一個完整的有機體，它便于整個油氣田電力資源的統(tǒng)一管理，分配和控制。另外，海底復合電纜中的光纖或控制線，可以將各個井口平臺的設備和

2、各個系統(tǒng)的運行狀態(tài)傳送到中心平臺（或浮式儲油船）上的中央控制系統(tǒng)，由中央控制系統(tǒng)集中監(jiān)測，操作，控制和管理。根據(jù)海上油氣各井口平臺用電量的大小以及輸送距離的長短，海底電纜的電壓等級，電纜的截面積是不同的。為了確保海上油氣田各井口平臺的正常生產和生活，海底電纜的設計和選型是海上油氣田開發(fā)工程設施電力系統(tǒng)設計的重要工作之一。這章將主要介紹海底電纜的結構形式，海底電纜技術規(guī)格書和數(shù)據(jù)表的編制，動力電纜選型計算的方法，海底電纜安裝和連接附件的基本用途的介紹，以及海底電纜在安裝和敷設過程中需要注意的一些事項。第二節(jié) 海底電纜技術規(guī)格書的編制一. 海底電纜規(guī)格書編制的目的和主要內容海底電纜的技術規(guī)格書是：

3、海底電纜設計，制造，安裝，試驗和選型的基本依據(jù)。海底電纜規(guī)格書的編制和海上油氣田開發(fā)工程設施電力系統(tǒng)設計中的其它的電氣設備規(guī)格書的編制方法基本上是一樣的，都是在以往海上油氣田開發(fā)工程項目的設計中使用過的技術規(guī)格書的基礎上進行編制，修改和完善。這本規(guī)格書編制的主要目的是：工程項目的業(yè)主對工程設計和制造的總承包商對海底電纜設計，制造，安裝，檢查和調試而制定的最基本的技術要求。另外，這本規(guī)格書將對安裝和敷設在這個油田的海底電纜的位置，地質情況和海底電纜的附件等進行全面的介紹和說明。這本技術規(guī)格書將作為海底電纜招標文件的一部分，海底電纜的投標商將根據(jù)這本技術規(guī)格書對個整個油田的海底電纜的供貨范圍，技術

4、性能的要求和指標有充分的了解和認識。海底電纜規(guī)格書的主要內容應包括：1. 海底電纜規(guī)格書編制的目的和安裝油田的名稱，海域和國家的名稱和海底電纜兩端連接的海上結構物名稱等方面內容的描述；2. 海底電纜的設計應遵循國際，國內和行業(yè)的標準與規(guī)范的編號，名稱和出版（或修改）物的年份；3. 海底電纜設計時，需要參考與本項目有關的電氣專業(yè)和其它有關專業(yè)的技術規(guī)格書的編號和名稱；4. 海底電纜設計的范圍及要求（其中包括：海底電纜及其附件，環(huán)境條件，安裝方式和地質條件等）；5. 海底電纜的結構和性能設計的基本要求；6. 海底電纜及其附件的設計和制造要求；7. 海底電纜及其附件的敷設和安裝要求；8. 對海底電纜

5、生產廠家在投標文件中應提供的技術數(shù)據(jù)和文件的要求；9. 海底電纜常規(guī)試驗和出廠試驗的基本要求。二. 設計標準在進行海底電纜設計時，需要遵循的標準和規(guī)范是：1. 國際標準IEC60228絕緣電纜的導體（Conductors of Insulated Cable 1983）IEC60502 額定電壓從1 kV到 30 kV使用擠壓絕緣的動力電纜和附件（ Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV up to 30 kV 1997.）IEC60840 額定電壓大于 3

6、0 kV使用擠壓絕緣的動力電纜和附件（ Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV 1997.）IEC60287 電纜額定電流的計算（Electrical cables Calculation of the current rating. 1982）IEC60092-3第3部分船用電氣設備：電纜（結構，試驗及安裝）（Electrical Installations in ships part 3: Cables (construction, testing

7、and installations). 1980.）IEC60529 電氣設備外殼的防護等級（Classification of degrees of protection provided by enclosure. 1989.）2. 生產廠家所在國的國家標準；3. 生產廠家的廠家標準。在進行海底電纜的設計，選型和技術評標時，發(fā)現(xiàn)規(guī)格書和上面提高的標準和規(guī)范相矛盾時，應遵循的順序是：首先應滿足技術規(guī)格書的要求，然后是上面提到的規(guī)范和標準。三. 環(huán)境條件和地質情況1. 環(huán)境條件在海底電纜的技術規(guī)格書中應注明選用的海底電纜所適用的環(huán)境條件，其中應該包括以下內容：1) 室外環(huán)境溫度：·

8、最低溫度：XX 0C；· 最高溫度：XX 0C。2) 海床溫度：· 最低溫度：XX 0C；· 最高溫度：XX 0C。3) 海面溫度：· 最低溫度：XX 0C；· 最高溫度：XX 0C。4) “J”型管的溫度：· 溫度范圍：XX 0C至XX 0C（從最低溫度到最高溫度）。5) 導體的設計溫度：· 最高溫度：XX 0C（一般選擇900C）。2. 海底電纜敷設路線，地點，連接方式和海底的地質情況規(guī)格書中應對海底電纜的敷設路線，地點和海底的地質狀況等方面的內容進行介紹。在進行海底電纜的敷設路線和地點的描述時，應寫明海底電纜的根數(shù)和敷

9、設的路線，比如：從XX平臺至XX平臺；海底電纜的埋設方式，比如：是采用挖溝埋設，還是直接鋪設在海底；以及海底電纜在海上結構物的連接方式，比如：接線盒或其它方式等。另外，還應該對整個油田的海床情況進行詳細的描述，比如：是否有海底沉積物，海底沉積物的厚度，海床表面是否平整和有沒有巖石，或其它特殊的地質構造等。規(guī)格書中還應該說明海底電纜兩端的接線方式，比如：動力電纜的接線盒和光纖電纜的分線盒等。還有海底電纜從海底敷設至平臺導管架帽的固定方式，比如：采用穿過固定在導管架腿上的“J”型管，或直接將海底電纜固定在導管架的樁腿上。3. 海底電纜的技術要求和結構設計1) 一般技術要求(1) 電力系統(tǒng)的接地方式

10、，比如：中性點不接地系統(tǒng)，中性點經高/低電阻接地系統(tǒng)或中性點直接接地系統(tǒng)等。(2) 海底電纜絕緣厚度的最低要求。(3) 海底電纜應采用的絕緣方式，比如：乙丙橡膠（EPR）或交聯(lián)聚乙烯（XLPE）等。(4) 海底電纜導體能夠承受的最高溫度的定義，比如：在正常運行時，海底電纜導體所承受的最高溫度不會超過900C；應急狀態(tài)時，海底電纜的導體所承受的最高溫度不會超過1300C；發(fā)生短路故障時，海底電纜的導體所承受的最高溫度不會超過2500C等。(5) 如果海底電纜是帶有控制電纜和光纖電纜的復合電纜的話，規(guī)格書中應該對這方面的內容有詳細的說明，并分別對控制電纜和光纖電纜的技術要求進行詳細的介紹。對控制電

11、纜的技術要求應包括：a) 控制電纜導體的截面積和芯數(shù)。b) 控制電纜的絕緣材料的要求，比如：乙丙橡膠（EPR）或聚乙烯（PE）的絕緣。c) 絕緣材料的厚度要求，比如：絕緣材料厚度的平均值（一般為1.1mm）和最低厚度的要求（一般不低于1.0mm）。d) 多芯控制電纜內的芯線應該便于識別和區(qū)分，識別的方法可以采用不同的顏色或用不同的數(shù)字編號予以區(qū)分。e) 多芯控制電纜的組合絕緣的外邊應有PE護套。f) 在PE護套的外邊應有完整的，無接縫的，厚度為0.1mm的鍍錫銅鎧裝。g) 控制電纜每100米內，導體與導體之間的并聯(lián)電容不能超過0.233微法（mF）。對光纖電纜的技術要求應包括：a) 注明光纖電

12、纜的結構（單?；蚨嗄＃?。b) 注明光纖電纜的纖芯數(shù)。c) 注明光纖電纜的纖芯的直徑（微米）和纖芯外層的直徑（微米）。d) 注明光纖電纜的最大衰減率和折射率。e) 光纖電纜結構的幾何參數(shù)和顏色的涂層應滿足標準ITU-Trec.G652的要求。f) 光纖電纜所有技術參數(shù)的試驗和報告都應該滿足標準ITU-Trec.G650的要求。g) 光纖電纜嵌入復合海底動力電纜的方式（集中或分散）。h) 為防止光纖電纜的斷裂，在敷設和使用過程中，復合海底電纜的動力電纜的彎曲半徑必須滿足光纖電纜的的要求。(6) 海底電纜的具體長度，電壓和電流等技術參數(shù)應參考海底電纜的數(shù)據(jù)表，并在規(guī)格書中注明數(shù)據(jù)表的編號和名稱。(7

13、) 海底電纜的結構設計可以采用“干式”的方法進行。為了防止海水呈“樹枝狀”滲入或接觸到海底電纜的絕緣，海底電纜也可以采用“濕式”的方法進行設計。(8) 每條單一線路的海底電纜應該是一根有完整長度的電纜，中間不應該有接頭。海底電纜的外部表面每100米的地方應有紅顏色的標志帶，每1000米的地方使用藍色的標志帶。2) 海底電纜動力電纜的結構要求圖4.6.2.1是典型的“干式”設計的海底電纜的剖面圖。（插入圖4.6.2.1）圖4.6.2.1 海底電纜的剖面圖圖中：1-銅導體（導體的空隙中含有防水密封元件），2-半導體屏蔽，3-絕緣層（XLPE或EPR），4-絕緣屏蔽層，5-半導體防水層（帶），6-金

14、屬鎧裝層，7-半導體防水層，8-塑料金屬（銅，鉛或鋁）護套，8-PE（或MDPE）護套，10-填料，11-包覆層，12-緩沖層（一層PPL繞包繩），13-鎧裝，14-外護層，15-光纖電纜。海底電纜的“濕式”設計，制造和使用已有二十多年的經驗了，使用壽命可長達二十五年。它與“干式”設計和制造的電纜的根本區(qū)別在于沒有防水層（其中包括：導體，半導體和金屬護套的防水層）。一般情況下，采用“濕式”設計和制造的電纜的重量比 “干式”設計電纜的重量輕，價格也相對比較便宜。見圖4.6.2.1。海底電纜的結構設計和選用的材料至少滿足以下要求。(1) 導體（Conductor）a) 動力電纜的導體必須是經過推火

15、的，無涂層的銅導體；形狀是圓形（或半圓形，或其它形狀）。動力電纜的導體必須滿足IEC 60228的要求。b) 在動力電纜的導體完整長度方向的膠線的空隙中應有半導體密封材料制成的防水層。(2) 導體屏蔽層（Conductor Screen）導體屏蔽層是在銅導體的表面，用半導體的交聯(lián)聚乙烯（XLPE），乙丙（EP）或乙丙橡膠（EPR）等材料擠壓而成。(3) 絕緣（Insulation）a) 導體的絕緣應選用滿足IEC 60502（適用于電壓小于30kV的電纜）或IEC 60840（適用于電壓大于30kV的大于）標準的干式交聯(lián)聚乙烯或乙丙橡膠的材料制成。b) 導體的絕緣平均厚度和最小厚度不能小于IE

16、C 60502（適用于電壓小于30kV的電纜）或IEC 60840（適用于電壓大于30kV的電纜）標準的100%和（90%-0.1mm）。(4) 絕緣屏蔽層（Insulation Screen）電力負荷的大小和絕緣材料對局部放電的敏感程度是不一樣的，電纜絕緣屏蔽層對電纜的安全運行起著至關重要的作用，它的主要功能是：a) 使電場分布均勻；b) 控制電位和限制電場；c) 避免絕緣層表面產生局部放電；d) 傳導瀉漏電流和充電電流；海底電纜絕緣材料和制做工藝的要求是：a) 絕緣屏蔽層通常選用的是：半導體的交聯(lián)聚乙烯（XLPE），乙丙（EP）或乙丙橡膠（EPR）等材料。b) 絕緣屏蔽層是用三層導體屏蔽絕

17、緣和一層絕緣屏蔽采用干式的方法擠壓而成。(5) 金屬帶的防水層海底電纜的徑向的阻水層采用的是半導體金屬帶包緊，并纏繞在外（絕緣）屏蔽與徑向防水層之間，也就是說金屬帶的防水層是包繞在擠壓絕緣屏蔽的表面。(6) 金屬屏蔽層金屬屏蔽層一般采用的是銅絲或銅帶材料制成。(7) 動力芯線的捆綁三根動力電纜的芯線應捆綁在一起，芯線之間的填充物應采用阻燃材料制成，并用塑料帶將動力電纜的芯線綁扎起來。動力電纜的三根芯線應使用不同的顏色或不同的編號予以區(qū)分。(8) 防腐外護套電纜芯線表層的防腐外護套是由一層黑色的聚乙烯材料擠壓而成。護套縱向的平均厚度不能低于IEC 60502（適用于電壓小于30kV的電纜）或IE

18、C 60840（適用于電壓大于30kV的電纜）的要求。護套縱向的最小厚度不能低于平均厚度的80%。(9) 鎧裝護層電纜的防腐外護套的表面將覆蓋一層由聚乙烯和瀝青合成的纖維帶，其作用是保護電纜的防腐外護套不會受到金屬鎧裝的損壞。(10) 鎧裝電纜的縱向至少有一層鍍鋅鋼絲成螺旋狀纏繞在電纜鎧裝護層的外邊，其最小直徑一般不小于5mm左右。(11) 電纜外護套電纜的外護套由兩層組成：聚乙烯包線和瀝青合成物。緊貼著金屬鎧的是聚乙烯包線，最外層是瀝青合成物。3) 試驗為確保海底電纜的質量，在海底電纜的生產和驗收時，根據(jù)規(guī)范的要求必須做以下的試驗：(1) 常規(guī)試驗a) 交流耐壓試驗。交流耐壓試驗也可以稱作為

19、工頻電壓試驗。根據(jù)IEC 60502標準的15.3節(jié)的要求，在進行耐壓試驗時，試驗電壓施加在導體和金屬屏蔽層的之間，持續(xù)的時間為5分鐘。單芯電纜的試驗電壓為:2.5U0+2kV；三芯電纜的試驗電壓為:（ 2.5U0+2kV）*1.732。b) 直流耐壓試驗。根據(jù)IEC 60502-1標準的15.3節(jié)的要求，施加在導體和金屬屏蔽層的之間的試驗電壓是工頻試驗電壓的2.4倍。c) 結構實驗（通常是取一部分樣品做試驗）；d) 導體電阻試驗（溫度200C時的直流電阻值）；e) 絕緣電阻試驗；(2) 出廠試驗a) 直流高壓試驗。海底電纜安裝和連接完成之后，對海底電纜的導體和屏蔽之間進行直流高壓試驗，試驗電

20、壓的等級應滿足IEC 60502（適用于電壓小于30kV的電纜）或IEC 60840（適用于電壓大于30kV的電纜）的要求。試驗結束后，用1000V的兆歐表測量絕緣電阻值，并計錄下絕緣電阻的數(shù)值。4) 海底電纜的輔助設施在海底電纜的規(guī)格書中除了有對海底電纜技術和性能等各方面的描述外，還應該有對海底電纜的安裝，固定和連接等輔助設備的供貨范圍和技術要求進行說明。海底電纜的輔助設備主要有：(1) 電纜固定裝置（Cable Stop）海底電纜敷設到海上結構物的樁腿下面時，將穿過固定在導管架腿上的“J”型管進入平臺的導管架帽，電纜固定裝置的主要作用就是：將海底電纜穿入固定在有“J”型管之前的海上結構物（

21、平臺）的樁腿附近的相對位置，防止海水和潮汐的涌動使海底電纜移位，而造成“J”型管的損壞。電纜固定裝置的形式，見圖4.6.2.2所示。每根海底電纜將需要兩個電纜固定裝置。（插入圖4.6.2.2）圖4.6.2.2 電纜固定裝置(2) 電纜卡子（Cable Clamp）海底電纜穿出“J”型管之后，將通過電纜卡子固定在導管架帽上。見圖4.6.2.3。如果海上結構物的一側是浮式儲油裝置，而另一側是井口平臺的話，只需要一個電纜卡子即可。如果海上結構物的兩側是井口平臺的話，則需要兩個電纜卡子。（插入圖4.6.2.3）圖4.6.2.3 海底電纜的電纜卡子(3) 接線盒(Junction Box)海底電纜在電纜

22、卡子上固定之后，剝去外部的鎧裝，動力電纜進入電源接線盒；光纖電纜將進入光纖連接器，也可稱為光纖電纜接線盒；控制電纜將進入控制電纜的接線盒。見圖4.6.2.4。每根海底電纜將需要兩個動力電纜接線盒，兩個光纖接線盒和兩個控制電纜接線盒。（插入圖4.6.2.4）圖4.6.2.4 動力電纜接線盒（插入圖4.6.2.5）圖4.6.2.5 光纖電纜接線盒(4) 電纜未端密封帽和電纜拉扯器（Cable end and Pulling Grip）電纜未端密封帽的作用是：海底電纜在敷設過程中，防止海水從電纜的剖面的兩端進入海纜的導體和絕緣。它是通過熱縮的方式，將電纜的剖面密封起來。每根電纜需要兩個這樣的密封帽。

23、電纜拉扯器將安裝在海底電纜的未端，在海底電纜的敷設和穿“J”型管時起拉扯的作用。5) 海底電纜生產廠家提供的技術數(shù)據(jù)海底電纜的規(guī)格書是招標文件的一部分，因此需要在規(guī)格書中寫明海底電纜生產廠家在投標文件和合同中必須提供的資料和技術數(shù)據(jù)。投標文件中需要提供的數(shù)據(jù)有：· 電纜的額定載流量（A）；· 海床溫度下（根據(jù)數(shù)據(jù)表中的要求），海底電纜的載流量（A）；· “J”型管在環(huán)境溫度為450C時，海底電纜的載流量（A）；· 絕緣的厚度（mm）；· 鎧裝內和鎧裝外的直徑（mm）；· 每根導體的截面積（mm2）；· 每根導體絞線的數(shù)量；&

24、#183; 電纜200C時的直流電阻（W/kM）；· 電纜900C時的交流電阻（W/kM）；· 電纜的感抗（W/kM）；· 電纜的電容（mF/kM）；· 電纜的充電電流（A/ kM）；· 電纜的最大短路容量（kA）；· 海底電纜的總重量（kg）；· 海底電纜滾筒的尺寸（M）；· 海底電纜的最大彎曲半徑；· 海底電纜能夠承受的最大拉力。合同簽定之后，海底電纜生產廠家需要提供的資料，文件和技術數(shù)據(jù)主要有：· 海底電纜截面積的剖面圖；· 電纜的技術數(shù)據(jù)（與上面提到的投標文件中需要提供的主要技

25、術數(shù)據(jù)基本上差不多，這里就不再重復了）；· 海底電纜附件的外形圖和詳細的技術數(shù)據(jù)等方面的資料；· 海底電纜敷設，安裝和連接的說明書；· 海底電纜所有附件的安裝和連接方面的說明書；· 海底電纜試驗和試運轉方面的程序和說明書。第三節(jié) 海底電纜的選型計算在進行海底電纜選型設計時，主要的工作有：· 海底電纜截面積的選擇；· 海底電纜電壓降的計算；· 海底電纜長度的計算及核實；· 海底電纜拉力的計算。4. 海底電纜載流量的計算在進行動力電纜規(guī)格的選型設計時，設計人員首先應計算出用電設備的負載電流（井口平臺電力變壓器的額定容量

26、），使用的計算公式是：（A）（公式4.6.3.1）式中：P 井口平臺電力變壓器的容量（kVA）；U 海底電纜的電壓（kV）；cosF 功率因數(shù)（一般取0.8）。在上述計算的基礎上，考慮了溫度補償系數(shù)之后，選擇出海底電纜的截面積。電纜生產廠家核實電纜載流量的計算公式一般是根據(jù)IEC 60287-2-1和IEC 60287-1-1（1993）推薦的方法計算出來的，它的計算公式為： （公式4.6.3.2）式中：Dq 大于環(huán)境溫度的導體的溫升（0C）；Wd 介電損耗（W/cm）；T1 導體和鎧裝之間的熱電阻（0C.cm/W）；T2 絕緣屏蔽和鎧裝之間的熱電阻（0C.cm/W）； T3 外護套的熱電阻（

27、0C.cm/W）；T4 介質周圍的熱電阻（0C.cm/W）；n 電纜導體的芯數(shù);l1 金屬屏蔽至導體損失的損耗率； l1 ： 由環(huán)流引起的；l1 “： 渦環(huán)流引起的；l2 鎧裝至導體損失的損耗率；R 導體在最大運行溫度時的交流電阻值 （W/cm）；I 電纜的，除了考慮載流量 （A）。 根據(jù)上面公式計算出來的海底電纜的截面積的載流量不能小于井口平臺電力變壓器的額定電流。如果小于井口平臺電力變壓器的額定電流值的話，就需要增大海底電纜的截面積。5. 海底電纜的電壓降計算海底電纜的截面積的大小除了要滿足載流量的要求之外，還應該滿足規(guī)范及用電設備對電壓的要求。海底電纜在長距離輸送電能的過程中會有電壓損耗

28、，因此海底電纜的截面積確定之后，還應該進行電壓降的計算。下面介紹兩種電纜電壓降計算的方法，一種方法是設計選型時核實海底電纜截面的規(guī)格是否滿足實際使用的要求，另一種方法是海底電纜生產廠家通常使用的方法。1) 在進行動力電纜的電壓降的計算時，通常使用的計算方法是：DU=（公式4.6.3.2）式中：DU 線路電壓降（V）；R20 電纜200C時的電阻（W.m-1）；K1 電纜電阻溫度系數(shù)，對銅導體可從表4.6.3.1中選取適當?shù)南禂?shù)；L 電纜長度（m）；I 負載電流（A）；d 交流電壓降系數(shù) ，也可稱為感應電壓降系數(shù)，可根據(jù)公式4.6.3.3計算求得。d = （公式4.6.3.3）式中：Rac 電纜

29、的交流電阻（=Rdc*K2）； Rdc 電纜的直流電阻； X 電纜的電抗； K2 交流導體的集膚效應和互感效應系數(shù) ，參考表4.6.3.2。表4.6.3.1 電纜導體電阻溫度系數(shù)（銅導體）導體溫度/0C溫度系數(shù)K1201.0501.118551.138601.157651.177701.197751.216801.236851.255901.275951.2951501.511表4.6.3.2 K2值截面/mm23252502001501251008060K21.151.101.061.041.031.021.011.012) 海底電纜廠家通常使用下面的公式來進行海底電纜電壓降的計算：（V/k

30、M），（公式4.6.3.4）式中：K1 相位之間的系數(shù)，（通常為）I 海底電纜最大的負載電流（A），R 海底電纜的電阻（W/ kM），X 海底電纜的電抗（W/ kM），cosqr 功率因數(shù)（一般取0.8）。根據(jù)IEC和其它一些國家的標準和規(guī)范的要求：電力輸電線路的電壓降不能超過額定電壓的6%。經過計算后海底電纜的截面積大于6%的話，就應該增加電纜的截面，或者提高海底電纜輸電線路的電壓等級。6. 海底電纜長度的計算在海上油田整體開發(fā)的總圖上都會標明海上結構物之間海底電纜的長度，這個長度是海底電纜的地理長度，由于整個油田海床的平坦度是不一樣的，敷設在海床上的海底電纜的長度與總圖上所標注的長度肯定也會有一些差異，另外海底電纜從海底“爬”上導管架帽的距離，也是必須考慮的因素之一。根據(jù)以往工程的實際經驗，以及國內外工程設計公司和海底電纜廠家所提供的資料，海底電纜長度計算的方法如表4.6.2.1所示。