大长度海底光纤复合电力电缆制造.pdf

2 0 0 8年第 5期 No 5 2 00 8 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 8年 1 0月 0e t 2 0 08 大长度海底光纤复合电力电缆制造 王 国忠 ( 湖北 永鼎红旗电气有限公司 ， 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 4 ) 摘 要 ： 本文叙述 了海底光 纤复合 电力电缆的设计和制造 ， 给 出了大长度复合缆设计 和制 造的一些关键 参数。 关键词 ： 海底光 纤复合 电力电缆； 设计 ； 电力绝缘 线芯； 光单元 ； 设计 ； 制造 中图分 类号 ： T M 2 4 7 9 ； T N 8 1 8 文献标 识码 ： A 文章编 号： 1 6 7 2 69 0 1 ( 2 0 0 8 ) 0 5 - 0 0 0 9 -03 Pr o duc t i on o f La r g e Le n g t h Sub m a r i ne Powe r Ca bl e s Co mpo s i t e wi t h Op t i c Fi be r s WANG Guo z h o n g ( H u b e i Y o n g d i n g - Ho n g q i E l e c t r i c a l C o ， L t d ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 4， C h i n a ) Abs t r a c t：Th i s p a pe r p r e s e n t s t h e d e s i g n a nd p r o d uc t i o n o f s ub ma r i n e p o we r c a b l e s c o mpo s i t e wi t h o p t i c fibe ，g i v - i n g s o me k e y pa r a me t e r s f o r p r o d uc i n g s u c h c a bl e s wi t h l a r g e l e n g t h Ke y wor ds：s u b ma r i n e po we r c a bl e c o mp o s i t e wi t h o p t i c fibe r s ；i n s ul a t e d c o nd u c t o r；o pt i c fib r e me mbe r ；d e s i g n； pr o d u c t i o n O 引 言 海底光纤复合 电力 电缆 ( 以下简称 复合缆 ) 在 传输 电能的同时 ， 又能实现通信信号传输 ， 由于具有 诸多的优点 ， 如路 由窄 、 敷设时间短、 施工成本低 、 工 程投资少等 ， 而越来越多地受到客户的青睐。特别 是 随着光 缆 市场 价格 的下 降 ， 使 得 海 底 电力 电缆 中 复合光纤单元后 ， 几乎不增 加海底 电缆 的造 价， 因 此 ， 复合缆的应用变得越来越广泛。虽然复合缆 同 独立的海底电缆和海底光缆相比， 还存在一些不足 ， 如维修一种线路的故障时， 必然影响到另一 种线路 的正常使用 ， 并且 ， 维修时间长、 成本高 ， 维修技术复 杂化等 ， 但这些并没有阻止复合缆需求的增长。 中海石油 ( 中国) 有 限公司 向湖北永鼎红旗 电 气有限公 司订购了一条整根长度为 4 0 3 1 4 k m的型 号及 规格 为 Y J Q F 4 1 - 2 6 3 5 31 2 0+ 21 2 B 1海 底 光纤复合 电力 电缆 ， 考虑到需要有一段试验缆 ， 实际 制造长度为 4 1 k m。这条复合缆在中海石油( 中国) 有限公司使用史上 ， 乃至国内复合缆历史上 ， 是最长 的一条缆。中海石油( 中国) 有限公司对方案设计、 试制予以了高度重视 ， 在样品试验成功的基础上 ， 同 收稿 日期 2 0 0 7 - 1 1 - 2 0 作者 简 介 ： 王 国忠 ( 1 9 6 2一) ， 男 ， 高级 工 程 师 ， 总 工 程 师 作者地址 ： 湖北 宜昌市谭家河 1 8 1 3 2号 4 4 3 0 0 4 意湖北永鼎红旗 电气有限公司海底复合缆正式投入 生产。生产过程 中， 中海石油( 中国) 有限公 司又派 出了监造代表进行全过程严格监控 。在试制复合缆 样品后 ， 对样 品进行各 项机械 、 电气及光学性 能试 验 ， 试验合格后 ， 湖北永鼎红旗 电气有限公司又对生 产方案作了进一步优化。我公司在生产 中使用了多 项先进技术 ， 其 中， 有两项 已申报了国家发明专利 ， 并收到了国家知识产权局的受理通知。本着细节决 定成败 的原则 ， 从材料进厂， 到成品复合缆制造各个 环节 ， 严把质量关 ， 在各方通力合作下 ， 该复合缆终 于顺利地制造完毕 ， 并通过了各项试验。 1 复合缆的结构 本次订货 的复合缆 的型号规格与本公司 2 0 0 6 年试制 的复合缆样品完全 相 同 ， 所 以， 基本 上采 用原先试制产品的结构设计。所不 同的是 ， 原先试 制样品的填充是采用聚丙烯撕裂膜紧压填充 ， 尽管 复合缆 的结构也较 圆整 ， 但考虑到整根复合缆重达 1 3 0 0多吨， 为防止成品水池 中底部复合缆受 到上部 压力作用而可能 的变形损伤， 本次结构 中采用 了成 形填充条。所谓成形填充条是指有一定形状的填充 条。在三根 电力线芯的边隙中， 没有复合光单元的 边隙中， 采用扇形 填充条 ； 在复合光单元的边隙中， 采用在扇形填充条 的顶部挖去一小部分 ， 以便放置 光单元的圆弧形的填充条。 复合缆的结构如 图 1所示 。结构尺寸见表 1 。 2 0 0 8年第 5期 No 5 2 0 08 电 线 电 缆 El e e t r i e W i r e Ca bl e 2 0 0 8年 1 O月 Oc t 2 00 8 图 1 海底光纤复合 电力 电缆结构 1一阻水导体2一导体屏蔽3一交联 聚乙烯 ( X L P E) 绝缘 4一绝缘屏蔽5一半导电阻水带6一铅护套 7一高密度聚 乙烯 ( H D P E ) 护套8一成型填充条9一光单元 l O一内衬层1 1一铠装钢丝1 2一聚丙烯 ( P P ) 绳 +防腐 沥青 表 1 2 6 3 5 k V 3 X 1 2 0 mm 、 21 2 B 1 海 底光纤 复合电力 电缆 项 目 数值 导体 截 面 ra m 31 2 0 直径 ram l 3 O 导体屏蔽厚度 ram 约 0 8 绝缘厚度 mm 1 O 5 绝 缘屏蔽 厚度 mm 约 1 0 直径 mm 3 0 8 半导 电阻水层厚度 mm 1 O 合金铅厚度 ram 1 7 H D P E护套外径 mm 3 6 4 光 缆单元 外径 mm 8 O 防腐 内衬层厚度 mm 4 O 铠装镀锌钢丝直径 mm 6 0 P P绳纤维外被厚度 m m 6 O 成 品复合缆外径 mm 约 1 2 2 标称重量 ( k g m) 约 3 3 5 2复合缆 的生产 2 1 电力绝 缘线 芯 的制造 2 1 1 导体 制造 导体采用阻水导体结构。为了达到导体纵向阻 水的要求 ， 可 以采用以下两个措施 ： 一是采用实心导 体 ； 二是导体采用绞线结构 ， 在绞合过程 中 ， 填入吸 水膨胀的阻水材料。显然 ， 在本海底复合缆中 ， 导体 不可能使用实心结构 ， 只能采用绞线结构。我们在 每层绞线外绕包合适宽度 的阻水带 ， 最外层紧压拉 拔。尽管采用这种结构 ， 在导体绞合过程 中， 阻水带 1 0 会局部破裂 ， 但其 中的阻水 粉仍会很好地填充于绞 线的缝隙中， 保持 电缆的阻水性能。绞合导体的单 线应采用退火良好的伸率大 的铜单线 ， 以便保证 绞 线结构的物理性能和电气性能。 2 1 2绝缘 制造 导体屏蔽、 绝缘和绝缘屏蔽采用三层共挤生产 。 由于绝缘是大长度挤 出， 生产连续时间长 ， 所 以， 在 生产前 ， 应对交联设备作一全面的检修 ， 确保设备的 完好 ， 必要时， 还应清洁交联硫化管 ， 以防管 内污积 物擦伤绝缘线芯 。导体屏蔽 、 绝缘屏蔽 的材料应采 用信誉度 良好的屏蔽料厂家 的可 交联半导 电屏蔽 料 ， 以保证屏蔽与绝缘层之间界面光滑 、 无气孔和电 性能 良好 。为了防止和减缓交联聚乙烯绝缘料中水 树的生长 ， 本复合缆中交联绝缘料采用了高洁净抗 水树可交联聚乙烯绝缘料 ( T R X L P E ) 。 2 1 3 其 它方 面 电缆的绝缘线芯其它方面制造跟常规的电力电 缆要求没有多大区别 ， 但要强调以下几点 ： ( 1 )由于紧压导体 中含 有阻水材料 ， 在生产过 程 中要注意防止线芯在空气 中吸潮而影响绝缘的挤 包质量 。如遇到绞线工序与下道工序生产间隔时间 太长时， 则绞合后的线芯应放人干燥房 中， 干燥房的 温度应控制在 5 O 6 0。 ( 2 )在导体屏蔽、 绝缘和绝缘屏蔽挤制完成后 ， 绕包半导电阻水带。该半导电阻水带既起到填充铅 套 内的间隙， 防止铅套受到机械损伤后铅套 内渗水 距离太长 ， 又起到使铅套与绝缘屏蔽两者等 电位作 用 ， 以及在压铅工序中防止交联聚 乙烯绝缘 和绝缘 屏蔽的烫伤， 所以 ， 该半导 电阻水带 的厚度应不小于 0 6 m m， 并且 ， 绕包半导电阻水带后 ， 线芯应立即挤 包铅护 套 。 ( 3 )压铅配模应尽可能紧凑 ， 使铅护套 紧贴绕 包 了半导电阻水带的绝缘线芯。 ( 4 )在压铅工序完成后 ， 应对单芯电缆进行局 部放电检测和交流耐压试验 ， 合格后才 能流入下道 工序。 2 2光单 元制 造 光单元的结构如图 2所示 。 2 2 1 高强度的光纤选用 光纤应选用能承受较高强度 、 较大应变的单模 光纤 ， 为此 ， 光纤 筛选张力应设定得大些 。本工程 中 ， 光纤筛选强度控制在不小于 1 5 的程度。 2 2 2光纤 的余 长控制 光纤的余长与复合缆的抗拉特性和温度特性关 系密切 。光纤余长的设计原则是使得拉力和温度变 2 0 0 8年第 5期 No 5 2 00 8 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca bl e 2 0 0 8年 1 O月 Oc t ， 20 08 图 2光 单元 结 构 图 1 一高强度 G 6 5 2单模光纤2一阻水纤膏36 3 0不锈钢束 管 ， 壁 厚 0 2 m m 4一HD P E护套5一 1 2加强钢丝 化不会对光纤 产生应力 。在光纤余 长的规定范 围 内， 拉力和温度变化不会造成光纤的附加损耗。当 光纤达到规定的余长幅度时 ， 光纤将接触到不锈钢 管的内壁 ； 当光单元再受到进一步的拉伸或收缩 ， 则 会对光纤产生应力 ， 使光纤 的损耗开始增加。因此 制造时 ， 光单元中光纤的余长应严格控制在设计要 求范 围 内。本 设计 中， 光 纤 的余 长要 求 为 3 o 5o 。 2 2 3纤 膏的填 充 光纤对水 和潮气产 生的 O H一 极为敏感。水 和 潮气会使光纤表面的微裂纹扩张 ， 从而造成光纤 的 强度显著下降， 水分与钢管金属材料之 间的化学反 应所产生的氢会引起光纤 的氢损 ， 导致光纤的传输 损耗增大 ， 严重影 响复合缆 中光单元 的使用质量和 使用寿命 。为了防止水 和潮气渗入到不锈钢管 内， 不锈钢管内填充的纤膏除了要求有 良好的物理化学 稳定性 ， 还必须具有 良好的温度稳定性 ， 避免纤膏在 低温下对光纤产生径 向应力 ， 引起光纤微弯 ， 增加低 温附加损耗。同时， 不锈钢束管生产时 ， 纤膏的填充 率应控制在 9 0 以上 。所谓填充率是指实 际填充 的纤膏体积与理论计算可填充的总体积之比。 2 2 4抗拉 构件 的放 置 作为抗拉构件 的两根平行放置的高强度钢丝 ， 应处于光单元上 的 H D P E护套 的壁厚的正 中间， 以 便在光单元承受较大拉力时能对光纤起到正确的保 护作用 。HD P E护套 挤出过程 中， 两 根钢丝的放线 张力应严格控制一致， 以便使护套挤制后 的光单元 呈完全直线状 。 2 3 成 缆及 护层 的 制造 光单元采用整根连续长度 ， 无 中间接头。电力 线芯则按周转盘的容量取最大长度 ， 分段制造 ， 在成 缆及护层 的制造过程 中 ， 再进行工厂接头 。 复合成 缆及护层的制造在立式成缆钢丝铠装联合生产线上 进行。由于复合缆是大长度生产 ， 成缆前要确保设 备完好 。生产过程 中， 时刻注意绝缘 线芯和光单元 的放线张力。避免张力过紧或过松现象发生。 海底光纤复合电力电缆的外护层结构与普通的 海缆一样 ， 即采用钢丝铠装结构 。聚丙烯绳加涂沥 青作为铠装 的内衬层 。铠装钢丝采用 6 0 m m低 碳镀锌钢丝。沥青涂覆的聚丙烯纤维绳作为复合缆 的外 被层 。 成品海底光纤复合电力缆盘绕于海缆成品水池 内。 3试验 在压铅工序完成后 ， 进行 了局部放 电检测 和交 流耐压试验 ， 合格后 ， 流人下道工序。成缆前测试了 光单元的相关光学性能和机械性能试验。 成品复合缆进行了直流 电阻试验、 直流耐压试 验、 光单元 的传输性能试验。测试结果表明， 成品复 合缆 的各项性能都达到合同规定要求 ， 并且 ， 光单元 没有 附加衰减 ， 说 明光纤在复合缆 的制造过程 中及 制造后无机械应力作用 。我们还委托了国家电力公 司武汉高压研究所进行复合缆的型式试验 。型式试 验也表明， 复合缆性能完全满足相关标准和合 同要 求 。 4 结束语 湖北永鼎红旗 电气有 限公司先后为浙江省 、 福 建省、 江苏省 、 山东省、 广东省的电力用户和 中国海 洋石油公司提供 了多条交联聚乙烯绝缘海底电力电 缆和复合缆。本次 4 1 k m的连续大长度的海底光电 复合缆的成功研制 ， 对我 国国民经济 的发展将起 到 十分重要的作用 ， 标志着我 国海底 电缆 的生产研究 上 了一 个新 台 阶 。 对于中海石油 ( 中国) 有 限公 司和其他单位 的 同志在海底光纤复合电力 电缆的设计和制造过程中 为我们提供的建议和无私 的合作表示真诚感谢 。 参考文献 ： 1 王国忠 海底光纤复合电力电缆试制及机械性能试验 J 电 线电缆 ， 2 0 0 7 ， ( 2) ： 1 3 1 5 2 G B T1 2 7 0 6 -2 0 0 2 ， 额 定 电压 1 k V( U =1 2 k V) 到 3 5 k V ( U = 4 0 5 k V) 挤包绝缘电力电缆及附件 S 】