CN114171246A - 一种海底光电缆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底光电缆，包括缆芯，所述缆芯包括若干根电缆单元和光纤单元，所述电缆单元和光纤单元中部间隙利用填充绳填充，所述缆芯由内至外依次设置有绕包带、内护套、铠装层、外护套。本发明还公开了一种海底光电缆的制备方法，包括如下步骤：步骤1)，利用绝缘挤塑机制作电缆单元；步骤2)，利用绝缘挤塑机制作光纤单元；步骤3)，利用成缆机在电缆单元和光纤单元中部间隙填充填充绳以及包覆绕包带；步骤4)，利用挤塑机形成内护套；步骤5)，利用编织机形成铠装层；步骤6)，利用挤塑机形成外护套。

Description

一种海底光电缆及其制备方法

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，涉及一种海底光电缆及其制备方法。

背景技术

目前海底电缆中，大多都采用钢丝铠装电缆，电缆的抗拉伸能力比较强，但是抗压能力不是特别好。

为此，目前有中国专利CN206412109U公开了一种海底抗压抗拉伸电缆，该专利虽然能够基本符合海底电缆的要求，但是该专利不具备光缆功能，结构也不合理。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种海底光电缆及其制备方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种海底光电缆，包括缆芯，所述缆芯包括若干根电缆单元和光纤单元，所述电缆单元和光纤单元中部间隙利用填充绳填充，所述缆芯由内至外依次设置有绕包带、内护套、铠装层、外护套。

在本发明的一个优选实施例中，所述电缆单元包括四根电线芯，每一电线芯包括镀锡铜导体和包覆在镀锡铜导体外的交联聚乙烯绝缘层。

在本发明的一个优选实施例中，所述光纤单元包括四芯光纤和包覆在四芯光纤外的PBT层；或者，所述光纤单元包括六芯光纤和包覆在六芯光纤外的PBT层，六芯光纤中的其中两芯留作备用。

在本发明的一个优选实施例中，所述绕包带包括聚酯带。

在本发明的一个优选实施例中，所述内护套包括聚氨酯护套。

在本发明的一个优选实施例中，所述铠装层采用高强度芳纶编织而成，编织丝线密度3340detx，股数为1，锭子数为16，编织节距为40mm。

在本发明的一个优选实施例中，所述外护套包括黑色聚氨酯护套。

一种海底光电缆的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)，利用绝缘挤塑机制作电缆单元；

步骤2)，利用绝缘挤塑机制作光纤单元；

步骤3)，利用成缆机在电缆单元和光纤单元中部间隙填充填充绳以及包覆绕包带；

步骤4)，利用挤塑机形成内护套；

步骤5)，利用编织机形成铠装层；

步骤6)，利用挤塑机形成外护套。

由于采用了如上的技术方案，本发明合理设计缆芯结构，能够实现水下环境的光纤通信传输对电力需求的传输。而且本发明还具有良好的横向水密性、抗张强度、抗侧压力性能，电缆所使用的所有材质均可以满足-35℃～+85℃的温度要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例的结构示意图。

图2是本发明一种实施例的制备工艺图。

图3是本发明一种实施例进行过滑轮试验时的结构示意图。

图4是本发明一种实施例进行温度循环试验的温度循环图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1所示的一种海底光电缆，包括缆芯10，缆芯10包括若干根电缆单元11和光纤单元12，电缆单元11和光纤单元12中部间隙利用填充绳20填充，缆芯10由内至外依次设置有绕包带30、内护套40、铠装层50、外护套60。

本实施例中，电缆单元11包括四根电线芯11a，每一电线芯11a包括镀锡铜导体11aa和包覆在镀锡铜导体11aa外的交联聚乙烯绝缘层11ab。光纤单元12包括六芯光纤12a和包覆在六芯光纤12a外的PBT层12b，六芯光纤中的其中两芯留作备用。当然光纤单元也可以包括四芯光纤和包覆在四芯光纤外的PBT层。本发明形成四光纤四电线芯的专用电缆，能够实现水下环境的光纤通信传输对电力需求的传输。

绕包带30包括聚酯带，绕包带30搭盖率控制在25％，搭盖圆整，不能跳带及脱带现象。

内护套40包括黑色聚氨酯护套，护套材料根据电缆力学要求、环境性能和使用条件等进行选择决定，但护套挤出一般采用挤压式结构，要求护套材料与缆芯紧密联系一起，并且不能有空隙，同时挤出后的护套不能有漏料和瑕疵等现象。

铠装层50采用高强度芳纶编织而成，编织丝线密度3340detx，股数为1，锭子数为16，编织节距为40mm。

外护套包括黑色聚氨酯护套，护套材料根据电缆力学要求、环境性能和使用条件等进行选择决定，但护套挤出一般采用挤压式结构，要求护套材料与缆芯紧密联系一起，并且不能有空隙，同时挤出后的护套不能有漏料和瑕疵等现象，护套应该保证有足够的厚度和强度。

结合图2所示，一种海底光电缆的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)，利用绝缘挤塑机制作电缆单元，导体标称截面为1mm²,导体材料采用标准电工5#镀锡铜导体，符合IEC60228标准要求。结构形式为19/0.26mm。20℃时导体直流电阻不大于19.0Ω/km，满足设计输入不大于25.0Ω/km。同时导体采用镀锡结构，不仅有利于在海洋环境的防腐，同时还方便电缆端头的焊接。

步骤2)，利用绝缘挤塑机制作光纤单元；

步骤3)，利用成缆机在电缆单元和光纤单元中部间隙填充填充绳以及包覆绕包带，成缆工序要求光纤放线张力均匀，整体成缆圆整，成缆的空隙处填充PP绳。绕包带搭盖率控制在25％，搭盖圆整，不能跳带及脱带现象；

步骤4)，利用挤塑机形成内护套；

步骤5)，利用编织机形成铠装层；

步骤6)，利用挤塑机形成外护套。

步骤1)中，交联聚乙烯绝缘层与氟塑料对比的优点如下:

首先，考虑到该复合缆的作用是传输电能和信号，因此该材料应有较好的电性能，从表1中可以看出，交联聚乙烯绝缘层与氟塑料电性能均可，耐击穿场强交联聚乙烯绝缘层较好。电缆中导电线要求耐电压较好，同时该缆的外径要求很小，如何才能达到以上要求，只有通过选有较高的击穿场强的材料才能有效的降低该缆的外径。

第二，从机械性能来看，抗拉强度和伸长率方面，交联聚乙烯绝缘层均较好。

第三，从价格和加工方面来讲，交联聚乙烯绝缘层均有较强的优势。

第四，交联聚乙烯绝缘层有较高的强度及光滑度，这样才能具有良好的耐磨性和柔软性。

第五，从材料成本来讲，交联聚乙烯绝缘层价格约是氟塑料的十二分之一，适用于大批量生产。

根据表1我们可以看出，交联聚乙烯绝缘层有着良好的性能，同时该料在加工成型方面有着良好的性能，价格适宜，适合批量生产，同时具有良好的耐磨性和强度要求，因此选取该料为作为绝缘材料。

表1部分绝缘材的性能

根据上述制备方法得到的本发明海底光电缆，具有如下性能指标：

表2电缆主要功能特性

其他设计要求：

使用环境海区流速：小于3节，

水下工作时间1年，

电缆使用寿命10年。

性能设计：

横向水密设计：

为实现2.25MPa水下的试验条件，水下通信和电力传输的需求，电缆需要整体结构紧实圆整，在2.25MPa水压下受力均匀，同时有足够的抗张强度，用于满足敷设和安装的要求。电缆采用整体界面填充紧实的结构，经验证可以满足GJB1916-1994规定的2.25MPa，6h的水密要求。

耐电压设计：

根据该电缆的设计输入300V工作电压，1A的工作电流，所以电缆的耐电压设计根据GB/T 9333-2009《船舶电气设备船用通信电缆和射频电缆一般仪表、控制和通信电缆》中的规定，主要考虑DC 3600V或AC 1500，满足5分钟试验电压。该电缆的绝缘材的介电强度为不小于35kV/mm，所以在绝缘厚度设计应满足厚度不小于0.15mm。考虑到实际工艺及电缆的传输性能需求，该电缆的最小绝缘厚度为0.85mm，满足绝缘的耐电压要求。

光纤余长：

根据电缆结构的特性，光纤余长包括初始余长和结构余长。

初始余长为光单元中光纤的余长，主要由光单元中光纤的芯数和光单元保护层的结构尺寸所决定。

本发明的光单元的光纤的初始余长，通过计算为千分之三。

结构余长为电缆各单元通过成缆，结构上产生的余长，主要由各单元的结构尺寸和光单元排布的位置所决定。

本发明的总的光纤余长，通过计算为不小于千分之十。

当电缆处于拉力状态时，芳纶加强件承受拉力，芳纶的断裂伸长率为千分之三。因此，当芳纶没有断裂前，光纤不承受拉力。

最大使用温度范围：

电缆所使用的所有材质均可以满足-35℃～+85℃的温度要求。

抗张强度：

根据实际测试一根3340的芳纶破断力为600N，为了方便电缆的加工以及电缆的收放线施工，铠装层采用16根3340的芳纶进行编织加强。根据以往的经验值，芳纶编织后力值损失约为25％，所以铠装层的抗张强度为16x600x0.75＝7200N>5000N满足电缆设计要求。

抗侧压力性能

该电缆为光电复合电缆，主要侧压力来自于反复收放的过程中的侧压力和剪切力。由于光纤比较脆弱，在敷设时绞车上的电缆缆会受到巨大的剪切力、侧压力作用，因此增大松套管直径和厚度的结构对光纤进行保护，保证了光纤优良的传输性能和机械性能。松套管的直径从1.6mm增大到3.0mm，同时光单元处于层绞结构的外层，可有效增加光纤余长，在光纤不伸长的情况下，有效提高光电电缆的工作拉力。

为提高电缆的耐侧压性，除以上介绍的光单元保护结构，电源线采用特种绝缘料，即保证了优良的电绝缘性能，又提供了良好的耐侧压性。复合缆的每一个单元具有良好的耐侧压性。采用非金属加强纤维加强件，即提高了抗拉性能，又能提高耐侧压性。护套采用双层结构，两层护套间采用芳纶编织增强，同时两层护套厚度达到3.5mm，能有效增加复合缆的耐侧压性能。

电缆试验要求

功能要求：

本发明应具有以下功能：

具备多路光信号、弱电信号与供电电力传输功能；

性能指标：

本发明专用缆技术指标：

a)直径：14.6mm±0.3mm；

b)最小弯曲半径：≤120mm；

c)耐侧压：2.25MPa，6h，不漏水；

d)破断力：5000N缆不断，2000N光纤不断；

e)光纤芯数：4芯，G652D单模光纤；

衰减：≤0.3dB/km@1550nm；

f)电线芯数：4芯；

4芯电源线，导体截面积为1.0mm2(19×0.26mm)镀锡铜线，供电要求(300V)直流，电流1A；

g)绝缘电阻：≥500MΩ·km

7.3测试性要求

主要开展测试项目如下表3所示。

表3试验项目表

出厂检验是对每批电缆进行的检验，并提供每批产品的检验报告。

特定试验项目包括：恒定负载试验、断裂强度试验和温度循环试验，分别对2000N拉力下光纤不断、电缆破断力、最小弯曲半径、反复收放次数、环境适应性指标进行测试。特定试验即为型式试验。特定试验是有下列情况之一时，应进行的检验：

a)新产品或老产品转厂生产的试制定型；

b)正式生产后，如结构、材料工艺有较大改变，可能影响产品性能时；

c)正常生产时，每年应进行一次检验；

产品长期停产后，恢复生产时。

电缆检测

复合缆性能检验：

外观和尺寸

1、测试说明

检查电缆缆型号、规格、外形尺寸、结构、外观、长度是否满足技术方案的要求。

2、测试仪器

卡尺、直尺。

3、测试步骤

a)用目力检查成品电缆缆有无损伤，以及表面标志等的质量；

b)用卷尺测试电缆两米标间距离，观察并记录电缆两端计米数；

c)用卡尺测试电缆直径，在电缆上选择5个位置进行测试，计算平均结果，作为电缆直径测试结果，按GB/T 2951.11-2008规定检查。

4、判断准则

电缆无损伤，产品标记应正确、清晰、牢固；

电缆直径为Φ14.6mm±0.3mm，则判定合格。

耐电压试验

1.测试说明

测定成品电缆绝缘耐受过电压而不击穿的能力。

2.测试仪器

耐压测试仪。

3.测试步骤

按照GJB 1916-1994中4.5.4条进行。试验在交货盘的整盘电缆上进行测试。按规定连接试样，连接后，试验电压应均匀地由零上升到DC 3600V，试验电压维持5min，然后将测试电压降为零，降压速率大致与施压时相同。

4.判断准则

绝缘芯线之间以及绝缘芯线和屏蔽之间不应产生击穿现象。

绝缘电阻试验

1.测试说明

测定成品电缆绝缘电阻是否满足技术要求。

2.测试仪器

绝缘电阻测试仪。

3.测试步骤

按照GB/T 3048.5-2007进行，试验电压为DC 500V。试验在交货盘的整盘电缆上进行测试，将端头作适合于绝缘电阻测量的处理后，用绝缘电阻测试仪测量单根线芯与其他绝缘线芯接屏蔽之间的绝缘电阻。

4.判断准则

绝缘电阻≥500MΩ·km。

直流电阻试验

1.测试说明

测定成品电缆的直流电阻是否满足研制技术要求。

2.测试仪器

数字万用表。

3.测试步骤

按照GB/T 3048.4-2007进行。试验在交货盘的整盘电缆上进行测试，去除试样导体外表面绝缘、护套及其他覆盖物，露出导体；清洁连接部位的导体表面，去除附着物、污浊和油垢，将试样接入数字万用表，测试电缆的直流电阻。

4.判断准则

导体直流电阻(Ω/km)(+20℃)：≤25.0Ω/km；

光纤衰减试验

1.测试说明

测定成品复合缆光纤衰减是否满足技术要求。

2.测试仪器

OTDR光时域反射测试仪。

3.测试步骤

按照GB/T 15972.40-2008进行。电缆的光纤长度需大于1000m，试验在交货盘的整盘电缆上进行测试。去除试样光纤外表面包层及其他覆盖物，露出光纤；清洁连接部位的光纤表面，去除附着物、污浊，与OTDR连接，进行测试。

注：复合缆的光纤长度小于1000m时，仅做光纤导通试验，观察OTDR的测试曲线是否平直。

4.判断准则

光纤衰减：≤0.3dB/km@1550nm,

光纤长度小于1000m时：光纤测试曲线需平直。

恒定负载试验

1.测试说明

测定电缆在一定拉力载荷的情况下，保持一定的时间，光纤及导线的连通状态。

2.测试仪器

拉力机，数字万用表，红光源。

3.测试步骤

按照GJB 1916-1994中4.5.14条进行。在电缆上截取合适长度的试验样品，将试样两端固定于拉力试验机的两端。电脑控制使拉力试验机的两端匀速分离，当拉力达到2000N时，停止增加载荷，在此状态下至少保持1min，做光纤导通测试，及导线混断线测试。

4.判断准则

在2000N的拉力下，保持至少1min，光纤应不断裂，导线不发生混线、断线现象。

断裂强度试验

1.测试说明

用于测定成品复合缆的轴向抗拉断力。

2.测试仪器

拉力机。

3.测试步骤

按照GJB 1916-1994中4.5.14条进行。在电缆上截取合适长度的试验样品，将试样两端固定于拉力试验机的两端。电脑控制使拉力试验机的两端匀速分离，直到电缆被拉断，记录最大拉力值。

4.判断准则

成品电缆的轴向抗拉断力应不小于5000N。

过滑轮试验

1.测试说明

测定电缆以推荐的滑轮尺寸和步骤架线将不会损伤电缆。

2.测试框图(如图3所示)，图中，1为光纤环回接头，2为滑轮，3为试样，4为光源，5为光功率计，6为记录仪。

3.测试仪器

过滑轮拉力机，红光源，数字万用表。

4.测试步骤

按照DL/T 832-2003中附录B的方法进行，过滑轮试验装置示意图见图2。结合实际的试验设备，在复合缆主缆上截取合适长度的试验样品，选用500mm外径的滑轮，拉力大小：5000N，进行50次的过滑轮循环试验。试验结束后，做光纤导通测试，及导线混断线测试。

5.判断准则

整个试验过程中光纤应处于连通状态，导线不发生混线、断线。

横向水压试验

1.测试说明

测定成品电缆承受横向水压的能力以及在高压下水密电缆的电性能，光纤的连通状态。

2.测试仪器

水密罐，耐电压测试仪，绝缘电阻测试仪，红光源。

3.测试步骤

在电缆上截取合适长度的试验样品，将试样穿过水压试验容器的填料管，密封试样，试样两端暴露在空气中。试验水压为2.25MPa，试验时间2小时。试验结束后对复合缆的绝缘电阻、耐电压进行测试。

4.判断准则

电缆两端面无水漏出，对导线做耐电压和绝缘电阻测试，应满足下面要求：

绝缘电气强度(DC 3600V，5min)：不击穿；

绝缘电阻(MΩ·km)(DC 500V)：≥500；

对光纤做导通测试，光纤应处于连通状态。

温度循环试验

1.测试说明

测定复合缆在遭受温度变化时，复合缆内光纤的衰减的稳定性。

2.测试框图(如图4所示)

3.测试仪器

高低温试验箱，耐电压测试仪，绝缘电阻测试仪，光源功率计。

4.测试步骤

按照GB/T 7424.2-2008方法F1进行。将交货长度的电缆整盘放入高低温循环箱中，复合缆两端伸出箱外。光纤去除其外表面包层及灰尘、污垢。当在规定温度下并达到恒温时间后，用OTDR测量光纤衰减数值。

温度变化范围：TA＝-30℃,TB＝+70℃，温度循环次数：1次，恒温时间：t1≥8h。

试验结束后，目力观察电缆外护套有无开裂；对导线做耐电压和绝缘电阻测试。

5.判断准则

整个试验过程中光纤在1550nm波长下的衰减变化应不大于0.3dB/km；试验后，电缆外护套无开裂，导线无混线、断线，绝缘电气强度(DC3600V，5min)：不击穿，绝缘电阻(MΩ·km)(DC 500V)：≥500。

关键指标的计算分析

直流电阻

导体直流电阻按照下面公式进行计算：

R＝1000λρ/S(Ω/km)

λ为导体单线总绞合系数；

ρ为导体的电阻率，单位Ω·mm²/m；

S为导体截面积，单位mm²；

电源线直流电阻：R＝1000λρ/S＝18.3(Ω/km)满足要求(≤25)；

绝缘电阻设计

绝缘电阻可以通过以下公式计算：

R＝ρ*(d₁-d₂)/S

公式中：ρ为绝缘材料的体积电阻率

d1为绝缘外径

d2为导体有效直径

S为绝缘的有效面积

纵向水密电缆的绝缘材质为交联聚烯烃，该材质的体积电阻率ρ＝10¹⁴Ω·mm。将绝缘外径3.0mm，导体有效直径1.3mm代入公式计算可得绝缘电阻为2.98x10¹³Ω＝2.98x10⁷MΩ>500MΩ,满足要求。

断裂强度

考虑到电缆通过绞车进行收放，设计时要尽量考虑电缆的承力性和柔软性，同时设计时还应该尽量减少电缆自重，我们采用柔性的超高强度抗拉绳作为加强件材料。

由于其他元件承担的拉伸强度很小，可忽略，仅计算主要承力元件的拉伸破断力。

P＝P_w*cosθ (1)

式中：P为电缆的断裂拉伸强度。

P_w为承力元件断裂拉伸强度；

θ为承力元件绞合角度。

式中：d为承力元件直径；

S_W为承力元件抗拉强度。

(3)

式中：N为承力元件数量；

d为承力元件直径；

o为外层承力元件；

i为内层承力元件。

在实际计算过程中，外层电缆护套和内层电缆线芯的断裂强度和高强度抗拉绳相比可以忽略，所以仅用高强度抗拉绳的断裂伸长强度作为电缆的断裂伸长强度计算，即：

式中：P_s为单根承力元件断裂拉伸强度由于外层受力单元为编织结构，所以电缆的断裂伸长强度：

P＝NP_scosβ (5)

假设选择单根3340高强度抗拉绳的断裂伸长强度P_s为790N，当P＝5000N，高强度抗拉绳的编织角β＝38时：

理论来说有9根3340即可以满足实际需求，考虑到芳纶加工损失以及编织间相互剪切损失，选择16根3340dex的高强度抗拉绳进行铠装。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种海底光电缆，包括缆芯，其特征在于，所述缆芯包括若干根电缆单元和光纤单元，所述电缆单元和光纤单元中部间隙利用填充绳填充，所述缆芯由内至外依次设置有绕包带、内护套、铠装层、外护套。

2.如权利要求1所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述电缆单元包括四根电线芯，每一电线芯包括镀锡铜导体和包覆在镀锡铜导体外的交联聚乙烯绝缘层。

3.如权利要求2所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述光纤单元包括四芯光纤和包覆在四芯光纤外的PBT层；或者，所述光纤单元包括六芯光纤和包覆在六芯光纤外的PBT层，六芯光纤中的其中两芯留作备用。

4.如权利要求1所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述绕包带包括聚酯带。

5.如权利要求1所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述内护套包括聚氨酯护套。

6.如权利要求1所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述铠装层采用高强度芳纶编织而成，编织丝线密度3340detx，股数为1，锭子数为16，编织节距为40mm。

7.如权利要求1所述的一种海底光电缆，其特征在于，所述外护套包括黑色聚氨酯护套。

8.一种海底光电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，利用绝缘挤塑机制作电缆单元；

步骤2)，利用绝缘挤塑机制作光纤单元；

步骤3)，利用成缆机在电缆单元和光纤单元中部间隙填充填充绳以及包覆绕包带；

步骤4)，利用挤塑机形成内护套；

步骤5)，利用编织机形成铠装层；

步骤6)，利用挤塑机形成外护套。

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