麟 口Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｎｅｗ Ｐｒｏｄ￣』（ｔ ｌ ｌ ＯｋＶ海底光电复合缆的 设计与制造 文／王瑛华良伟片网敬一郎 上海上缆藤仓电缆有限公司（２０００９３） 王瑛（１９７５年～） 女 ２００１年西安交通大学电气Ｉ程专 业硕士毕业 从事电缆光缆的生产和技术Ｉ作至今 并 专 从事海底电缆的生产和技术开发Ｉ作 参ｓ并ｉ持 多项海底光电缆以及复合光电缆项目的研发和翩造 摘要：阐述了复合海底电缆的选型要 求和发展趋势，并介绍上缆藤仓设计 开发１ １ ＯｋＶ单芯海底光电复合缆的过 程。列举了具体的设计要点与制造和 检验的关键控制点。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｍｅｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｃａｂｌｅ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｉ １ ０ｋＶ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ＸＬＰＥ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ Ｃａｂｌｅ．ＴｈｉＳ ａ ｒｔｉｃｌｅ ｆｏｃＵＳ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｃＯｍｐＯｓｉｔｅ ＸＬＰＥ ｃａｂｌｅ，ａｎｄ ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｔｅｓｔ ｂｙ Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ． ２８ Ｉ装 备 机 械 背景介绍 随着海洋经济的蓬勃发展，海底电缆这个线缆 光电复合海缆作为高端海缆市场近十余年来蓬 勃发展的产品，具有广泛的应用前景。它集中了电 力传输以及信息传输等多项功能，充分发挥光纤传 输大容量，高抗干扰的优势，并有效地利用电缆通 道完成复合输送。 家族中的新宠儿绽露头角，得到了用户的推崇。 从１９１６年在美国旧金山敷设运行的１２ｋＶ三 芯浸渍纸包海缆（见图１），到１９３２年哥伦比亚１１５ ｋＶ单芯充油海缆投运，海底电缆作为与海岛 及海岛之间输电和通信的主要手段，得到了广泛 的应用。 二、上海上缆藤仓复合海缆项目介绍 ２００５年上 随着光通信技术和光纤光缆技术的不断发展， １９８５年意大利比瑞利公司在亚得利亚近海敷设的１０ ｋＶ三芯３５ｍｍ 海缆，含４芯光纤单元。至今光电复 合缆已在各国海缆以及陆上电缆工程中扮演了重要 的角色，日本藤仓公司于１９９８年在其东京湾富津工 场生产的±５００ｋＶ４８．９ｋｍ直流ＰＰＬＰ电缆复合了１２芯 海电缆厂有限 公司和日本藤 仓、上海华普 电缆有限公司合 资成立上海上缆 藤仓电缆有限公 司。上缆藤仓合 资的首要目标， 就是引进藤仓公 光纤单元，可以作为目前世界上已经投运的较高电 压等级的复合海底电缆（见图２）。 司在海缆制造上 的质量管理与制 图３上缆藤仓电缆有限公司 造工艺，将上缆藤仓打造成一个具备１ ｌＯｋＶ及以下 大长度交联海底电缆生产基地（见图３）。 在合资初期，公司即陆续制定了一整套海底电 缆项目开发目标： １．开发具有自主能力并全面国产化的电力海 缆软接头； ２．建立健全电力电缆的大长度配套生产能力， 以满足大长度海底电缆的生产要求； 图１ １ ９１６年世界上首根海底电缆在美国旧金山敷设 至今上缆藤仓的海缆项目开发已经历经了４年 之 ， 三 海底复合设计与工艺要求 在光电复合海缆领域其应用按照电缆的结构设 计，一般分成以下两种典型结构： １．三芯海缆结构 由于存在三芯成缆的工序，只要将一根或者两 根光单元作为填充材料的一部分填入成缆间隙即可 完成光电复合。 从结构上来说，三芯海底电缆已经具备合适 图２藤仓公司的５００ｋＶ直流输电海底电缆 的光电复合能力，并已普遍应用在石油平台与风 ２９ Ｉ Ｎｏ．１ ２００９ 陆强 硼Ｎｅｗ Ｔｅｃ 。ｉ。 ＆Ｎｅｖｖ ｛ 电项目等对于送电负 荷要求不高的领域 中，其产品电压等级 为３５ｋＶ及以下，复 ８Ｇ６５２Ｂ海缆结构 上缆藤仓试制的海底复合缆选择了单芯海电 缆铠装衬垫层复合光缆的结构。其结构及参数见 图６所示。 合的光缆芯数一般在 ４８芯及以下的中低压 复合光电缆领域。 ２．单芯海缆结构 随着对海岛 图４三芯复合海底电缆结构 以及海岛间供电的电 缆，其复合的需求被进一步发掘后，高电压等级 的海底电缆需要复合光缆作为通信或者监测的应 用市场开始形成。对于６６ｋＶ及以上的高压海底电 缆而言，由于结构紧凑度更高，复合的通道也更为 缺乏。与１ｌＯｋＶ已经基本定型的海缆产品相比，复 合海缆在其寿命区间中必须长期面对恶劣的海底环 境，考虑到光缆复合的可靠性及可行性，并继续保 持电缆本体经典结构之后，笔者推荐采用以下两种 典型的复合选择： （１）光单元复合 在海缆结构外层的 铠装钢丝衬垫层中 在维持复合缆 内部电气、机械结 构不变的前提下， 在铠装衬垫层中加 图５单芯复合海底电缆结构 入光单元。既保持了电缆结构的整体机械稳定性， 又不破坏电缆结构中的电场分布。是目前应用比较 广泛的一种单芯复合结构。 （２）光单元复合在海缆结构外层的回流导体层 由 此类复合缆专门针对大截面单芯电缆，为了进 步提高载流量而增加的回流导体层而设计，比如 ２００７年的南方电网一海南联网项目等。在该设计 中，将光单元结构复合在回流导体层上，基本上维 持了电缆的整体结构不变，由于并不增加额外的结 构，电缆的外径也更加紧凑，这一类型的复合缆将 成为大截面海底电缆复合光缆的首选结构。 ２．ＹＪＱ４１ＧＧＨ一１ Ｘ ３００ｍｍ ６４／１ １ＯｋＶ＋２ Ｘ ３０【装 备 机 械 绞合铜导体 ７沥青层 导体屏蔽 ８塑料护层 ＸＬＰＥ绝缘 ９铜带，填充条 绝缘屏蔽 光单元，内衬层 半导电阻水带 ｌ０钢丝铠装层 铅合金护套 Ｉ１外被层 Ｉ光缆结构 ｌ１光纤 电缆整体外径：１２０ｍｍ Ｉ２纤膏 电缆重量（空气中）：３３ｋｇ／ｍ ｊ ３不锈钢管 电缆重量（水中）：２３ｋｇ／ｍ ４护套 图６ ＹＪＱ４１ ＧＧＨ一１ Ｘ ３００ｍｍ ６４／１ １ ０ｋＶ＋２ Ｘ ８Ｇ６５２Ｂ海缆结构 ３．复合缆的设计 对于复合缆的缆体设计，鉴于力缆部分的设 计属于经典结构，结构紧凑，形成的运行电场分 布均匀，生产和运行可靠性都很高，我们的设计 上对这方面的结构不作改动，而主要考虑以下几 个方面： （１）复合缆整体结构设计 常规的海底电缆设计中，对于电缆的拉伸强 度和抗侧压能力等指标并不敏感，一般情况下的设 计仅考核电缆的拉断强度等极端指标。而在复合缆 中，缆体敷设、打捞等各种状态下都必须受到很大 的拉伸变形。光纤的物理特性决定它只能承受暂时 的短期微弱拉伸变形，或完全不允许变形。这样就 对复合缆的整体结构强度提出了严格的要求。 （２）结构强度设计方法 常规的光缆设计，会为光纤设计出一定量 的多于缆长的余长，通常表现为光纤的长度将稍 多于容纳光纤的松套管长度，一般这个长度在 ０．２％－０．３％左右，这个多余的量被称为光纤余长， 这个余长量是在松套管结构生产时采用一定的工艺 体重量并影响铠装衬垫的实际缓冲效果，加强件 材料应首选低密度的非金属材料。 （Ｃ）由于必须承担一定的侧压力以及整体抗压性 控制，制造在松套管中的。对于不同的松套管材料 这个值相对稳定。 能的要求，该材料必须选择高强度的材料。 基于以上要求，笔者采用具有极高抗拉强度的 非金属塑料杆作为结构加强件使用。 应用结果表明，该材料具有极高的机械强度， 对于松套管位于层绞型结构中的光缆，由于 存在层绞结构，缆体发生拉伸或弯曲时，光纤不 仅会在松套管中发生轴向位移，同时也会在松套 管中产生相对复合缆中心轴线的径向位移，松套 管内径越大，可以存在的径向位移量也越大，将这 个位移量换算到与光纤余长相同的物理指针后， 该值就被称为结构余长。 最后将两个余长相加，就可以得到该结构下 光纤的应变窗口。 在制造以及设计结构上对光纤实现了余长值， 再加之光纤周围填充的触变型阻水纤膏。这样的整 体结构设计，可以在一定程度上保证光纤在松套管 结构发生一定的拉伸时，仍能保持不受到任何外 力。对于复合缆的设计，附加校核了在各个极端 情况下，缆体的应变情况，针对性的设计了光单 元结构容许的应变窗口，以保护光纤在缆体变形 时，将不受到外力。 在海底复合缆的设计中，选择了０．６％一０．７％之 间的应变窗口。这个应变窗口值，使用了偏于安全 的主要受力元件强度设计方法进行设计校核（注： 该计算方法并不将缆体结构中所有元件参与强度计 算，而是将缆体结构中的主要受力元件的应力应变 进行叠加计算），以保证该结构下的复合缆缆体强 度安全、可靠，胜任对光纤的保护功能。 （３）光缆层强度设计方法 光缆结构除了拉伸弯曲应变情况下可能对光单 元产生影响，在侧压情况下发生的变形，也将会对 光纤造成致命的问题。 对于复合缆光缆层，即铠装衬垫层的设计时， 对于结构加强件的选择，充分考虑了光缆可能的受 力情况，其设计思路如下： （ａ）由于铁磁材料将造成附加磁滞损耗而进一 步影响电缆的载流量，所以首先避免选择铁磁材 料作为光缆加强； （ｂ）鉴于金属材料的引入将大大增加海缆的整 并且成绞成型简单，非常适用于铠装衬垫层的保护 使用。经测试该结构的抗侧压能力相当好，该结构 海缆每米长期可以耐受的侧压超过７５０ｋｇ，而光缆 不会发生损耗的上升。 ４．基于光缆部件的可靠性设计 考虑到海底复合缆使用环境的特殊性以及高可 靠性，而电单元在可靠性方面的特性要明显优于光 单元。故对光元件的机械性能以及产品运行寿命方 面必须进行以下两方面的特殊设计。 （１）钢管光纤的选择 首先要关注光纤的筛选强度。依据光纤寿命的 韦伯分布，对光纤的使用应变与强度筛选应变以及 实际寿命之间存在以下的关系： 一 普通光纤Ｇ６５ ２一Ｇ６５４光纤采用的是至少 ０．３５ＧＰａ的筛选张力，筛选应变为０．５％左右，而 对于海底光缆用光纤，我们采用的筛选应变为１．８％ ２．０％，筛选张力超过２０Ｎ，可以确保在光纤应用 时的高可靠性要求。 式中ｏ 为光纤筛选应变，为２％（无量纲）； ｏ 为光纤使用过程中所产生的应变（相对拉长， 无量纲）； Ｆ 为光纤断裂概率（无量纲）； Ｌ 为光缆线路中光纤总长度（ｋｍ）； 为光纤筛选每公里平均断裂次数； ，ｚ为光纤的疲劳参数（可用动态疲劳参数代替， 无量纲）； ｍ为光纤断裂强度韦伯尔分布曲线斜率（无量 纲）； ｔ 为光纤出厂时加力筛选的持续时间（ｓ）； ３１ Ｉ Ｎｏ．１ ２００９ 整个过滤系统与料路，采用高温模具专用的清理方 式，并结合两道各自的传统清洗与金属清洗相 结合的清理方式，确保过滤系统在处理后，无任何 影响绝缘的污染物残留。 （ｄ）采取移动烘房，可以对置于转盘上的大长 度海缆进行去气处理。 （ｅ）烘房采用电缆剩余气体压力检测技术，用以 精确检测大长度电缆绝缘中的残余气体量，可保证 每盘电缆剩余气体压力在受控范围内。 （ｆ）针对生产大长度海底电缆的生产，专门制 造了５５＇－具备主动收放线功能的大型转盘式的收放 线系统，保证大长度无扭式收线，其中为绝缘工 序配备二台，载重１５０ｔ，包带、铅包、挤塑配备二 台，载重３００ｔ，实践证明大转盘系统可以有效地避 免电缆光缆内的结构扭转问题，对于电缆结构的稳 定性，以及克服光缆结构容易发生的宏弯损耗，所 引起的衰减上升有很大的裨益。 （７）配备了确保大长度生产的设备并提供相应 的工艺保障。 （ａ）作为长期阻水屏障的铅护套，上缆藤仓拥 有瑞典ＳＡＮＤＦＬＩＮ的连续压铅设备，连续挤包铅 包，最大铅包外径１２０ｍｍ，配备１０ｔ保温炉，１８ｔ化 铅炉，确保大长度铅护套生产的连贯性。 （ｂ）大长度三芯光电缆使用立式成缆机成缆， 图８上缆藤仓复合海底电缆生产现场二 济损失大。因此，除了常规的电气，机械以及寿命 指标等检验手段之外，如何评价海底电缆以及其软 接头的综合抗御外力综合作用的能力就显得尤其重 要，涉及的试验包括模拟实际生产敷设打捞的机械 试验以及后续的型式试验以及裕度试验。笔者在此 着重介绍上缆藤仓为海底电缆开发和生产专门确定 的机械试验方法。 从机械试验方面考虑，按照ＣＩＧＲＥ提出的试 验方法（（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ ｏｎ 配置了单盘８０ｔ的主动放线系统；最大可成缆直径 ０２４０ｍｍ；采用转盘收线系统，载重８００ｔ。 （ｃ）海缆装铠采取（２４＋４８）盘Ｏ６００ｍｍ型＋２盘 ８００ｍｍ型复合海底光电缆装铠设备，复合光单元 ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｃａｂｌｅｓ ，推荐当额定电压大于３６ｋＶ（交 流）或ｌＯＯｋＶ（直流）时，用此试验方法考核海底电缆 （含工厂软接头）的机械以及电气性能水平。其中采 取的主要试验项目包括： （９）盘绕试验 放线采取张力可调，特殊的成型工艺，确保具备生 产１１０ｋＶ ２０００ｍｍ 复合海底光电缆的能力。 （ｄ）千吨位的专用海缆码头紧邻黄浦江主通航 海底电缆在堆放和倒缆、装船和敷设的过程中 要经受约１５￣３０。／ｍ的扭转，必须对实际制造运输的 工况进行模拟，以验证海底电缆的抗扭转水平。 盘绕直径和高度和盘绕次数的考虑：盘绕直 径和高度会直接影响到电缆的受力情况，条件允 许时盘绕直径和高度愈大，对电缆愈有利。对于 油纸绝缘电缆，经验数据为每米扭转角度不超过 ２５。，由此最小盘绕直径４．６ｍ，对于固体绝缘电缆 尚无明确的实验数据。我们根据电缆堆放场地以 道，水深条件优越，大型电缆敷设船可方便的抵 达并装运海缆。 （８）海缆试验系统 海底电缆和陆上电缆相比，其制造过程和敷 设过程不一样，运行维护的要求也不一样。一方面 海底电缆在生产、运输、敷设和打捞过程中，会受 到错综复杂的多因素机械外力的综合作用，另一方 面一旦电缆出现故障后修理的难度大、周期长、经 及敷设船的船况等实际情况，确定了最小盘绕直 ３３ Ｉ Ｎｏ．１ ２００９ 重强 圈Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｎｅｗ Ｐ｝ｏｄｔｌｃｔ 导体中心压接固定和铠装层分层压接固定的措施， 在试验过程中使得导体和铠装同步受力。 （１ １）复合缆软接头技术的储备 按照国际上的惯例，作为具备１ ｌＯｋＶ海底复合 １５ｍ，高度为１４ｍ，盘绕２次。 （１０）张力弯曲试验 海底电缆在敷设和打捞时会受到比较大的张 张力的大小显然和电缆重量以及敷设深度有 张力弯曲试验的目的就是模拟实际的敷设条 验证海底电缆承受张力的水平。 （ａＪ试验要求及参数设定 参考了大量国内海缆安装数据，发现国内海底 缆的生产能力的企业，除了具备大长度连续海缆生 产的必须制造能力外，还必须储备有相应电压等级 的海缆应急工厂接头接续技术，以确保紧急情况下 对于海缆的修复，并保证及时供货的需要。上海上 ￡的敷设水域，水深基本上在ｌＯＯｍ深度以内。 ｝山海域通常为２０～７０ｍ左右，福建海域通常 Ｄ～５０ｍ以内。因此我们选取的 ＝１００ｍ，计算 ００００Ｎ。施加的张力通过安装的拉式负荷传感 ￡行测量。 在参考了包括国内专业海底电缆敷设机构后， 】认为比较主流的敷设形式基本上采取：履带 引送缆并辅助拖体放缆的敷放形式，从履带 Ｉ出来的海缆穿入船头的拖体内（该拖体的弯曲 般在３ｍ左右），并由该拖体最终控制电缆施 ｊ度与在水底的，埋设位置。参考这样的典型海 放方法，我们将海缆的张力弯曲试验的鼓轮直 设置为６ｍ。 （ｂ）端头固定 按照要求，电缆端头必须采取特殊的固定形 以确保电缆导体和铠装层同步受力的原则。依 要求，我们设计了特殊结构的牵引头，采取 图９上缆藤仓复合海底电缆试验现场 装 备 机 械 缆藤仓不仅具备通过ＣＩＧＲＥ推荐试验标准的１ ｌＯｋＶ ３００ｍｍ 海底光电缆工厂接头接续能力，还具备了 中压光电缆的工厂接头接续能力。 （１２）试验保障控制 （ａ）过程检验 在海缆生产过程中，除了常规的局放检测，工 频耐压测试，缆芯阻水测试等海底电缆需要的常规 机械和电气参数测试之外，在装铠过程中，另外附 加了在一定长度间隔下对于复合光单元在工作窗口 下衰减的监测工作。 （ｂ）结构试验 上缆藤仓按照日本藤仓的实践，对该１ ｌＯｋＶ光 电复合缆完成了型式试验。 四、结论 １．上海上缆藤仓电缆成功研制了ＹＪＱ４１ＧＧＨ一 １ ｘ ３００ｍｍ ６４／１ １０ｋＶ＋２ ｘ ８Ｇ６５２Ｂ，并取得了国家 电线电缆权威检测机构的型式试验报告，其光电复 合的结构设计可靠，整体结构紧凑； ２．复合海底电缆的制造，必须严格确保各工序 的高可靠性，在注重生产效率的同时，对各道工序 中可能影响大长度生产，影响绝缘可靠性的因素进 行严格控制； ３．软接头的技术在复合海缆的制造过程中作为 关键工序，具有比较好的应用效果，特别在大长度 复合海底电缆中将得到广泛的使用； ４．该复合海缆作为国内首根１１０ｋＶ复合缆产 品，对于国内开发生产海底复合缆产品具有很大 的指导意义。同时，上缆藤仓对于海底复合缆产 品的多年的研发经验，在这个项目中也得到了集 中的体现。
