CN116830002A - 轻型双极海光缆及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种轻型双极海光缆及其设计方法，轻型双极海光缆包括中心光单元、内极导体、内极绝缘、外极导体、外极绝缘及铠装层，中心光单元外套设有内极导体，内极导体外挤制有内极绝缘，内极绝缘外套设有外极导体，外极导体外挤制有外极绝缘，外极绝缘外设置有铠装层。
Description
技术领域
本发明涉及中继海底光缆技术领域，例如涉及一种轻型双极海光缆及其设计方法。
背景技术
近10年来在中国海光缆企业取得了快速发展，在大长度有中继海光缆方面有所突破，国家海底科学观测网是中国海洋领域在建的唯一海底国家重大科技基础设施，已建成南海子网以及东海子网部分，并服务于海洋环境监测、海洋资源开发、海洋灾害预警以及国防军事等多方面的综合需求。随着中国海洋开发的深入，对海洋的生物、物理、化学探测等要求越来越高，水下ROV、潜艇等技术的发展对海缆的光电通信能力提出了更高的要求，因此大长度双极海底光缆的设计及制造迫在眉睫。
相关技术中的水下光电通信系统采用一条海电缆和海光缆分别敷设，敷设和维护成本高，采用层绞式光电复合海缆存在着外径大、结构松散、敷设深度低、生产长度短等问题，阻水性能不佳；而相关技术中，国外采用的主流结构为中心管双套管导体结构，小尺寸光单元位于缆中心，外层绞合内铠钢丝，后包覆双层铜带及绝缘的方式，此结构可容纳光纤数量少，具有生产工序复杂、成品外径粗、重量大、敷设困难等缺点，无法满足观测网各类大功率设备、水下机器人及潜艇等大容量光通信及供电需求。
发明内容
本发明提供了一种轻型双极海光缆及其设计方法，能够测算线缆满足性能要求的最优结构，提升海底光缆的质量及性价比，满足在主要海域0～2000m水深范围内海洋科学观测网系统的建设需求。
一方面，本发明一实施例提供了一种轻型双极海光缆，包括中心光单元、内极导体、内极绝缘、外极导体、外极绝缘及铠装层，中心光单元外套设有内极导体，内极导体外挤制有内极绝缘，内极绝缘外套设有外极导体，外极导体外挤制有外极绝缘，外极绝缘外设置有铠装层。
另一方面，本发明一实施例提供了一种基于上述轻型双极海光缆的设计方法，包括：
确定海缆的敷设水深D及使用电压，测算水压p：
其中，根据公式p＝ρgD，得出海缆在目标水深敷设的耐压要求，式中ρ为海水密度，g为重力加速度；
确定中心光单元尺寸，并验证所述中心光单元的抗压强度：
其中，根据公式测算海缆中多根光纤的等效直径Re，式中N为光纤根数，Rf为表单根光纤直径，根据等效直径Re并考虑光纤余长及纤膏填充空间，选定中心光单元的外径D0，及由公式/>验算中心光单元的抗压强度P是否满足耐压要求，式中t0为中心光单元所用不锈钢管的厚度，σs为不锈钢带的屈服强度；
确定内极导体尺寸：
其中，根据公式R＝ρΩ/S，计算导体的截面面积S，式中R为海缆电阻设定值，ρΩ为导体材料电阻率，再由公式S＝π×(D1 2-D0 2)/4，得到所述内极导体的外径D1；
确定内极绝缘尺寸：
其中，根据公式D2＝D1+2×δ，得到所述内极绝缘的外径D2，式中δ为标称绝缘厚度；
确定外极导体尺寸：
其中，根据公式得到所述外极导体的外径D3；
确定外极绝缘尺寸：
其中，根据公式D4＝D3+2×δ，得到所述外极绝缘的外径D4；及
确定铠装层钢丝尺寸及数量：
其中，选用镀锌钢丝进行铠装，得到所述铠装层钢丝的外径D5，根据公式D5＝D4×sinα/(1-sinα)，得到钢丝半径夹角α，则铠装钢丝的数量M＝π/α。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的轻型双极海光缆的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的基于上述轻型双极海光缆的设计方法的流程图。
图中：
1、中心光单元；2、内极导体；3、内极绝缘；4、外极导体；5、外极绝缘；6、铠装层。
具体实施方式
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，可以是机械连接，也可以是电连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图1所示，本优选实施例提供一种轻型双极海光缆，适用于海底观测网、ROV、潜艇等水下设备及器件的电力及通信需求，轻型双极海光缆包括中心光单元1，中心光单元1外套设有内极导体2，内极导体2外挤制有内极绝缘3，内极绝缘3外套设有外极导体4，外极导体4外挤制有外极绝缘5，外极绝缘5外设置有铠装层6。
其中，中心光单元1采用不锈钢管式结构，不锈钢管内穿设有多根光纤。由此，提高中心光单元1的耐压强度，取消常规海光缆的内铠层，使用大尺寸光单元替代小管子结构，在满足海底抗压性能的情况下大幅提升光纤容纳数量，满足大容量通信需求。
内极导体2与外极导体4采用铜带纵包后焊接成管形，再拉拔贴合至中心光单元1或内极绝缘3的表面。此处导体的加工方式为使用铜带纵包后氩弧焊焊接成大管，再进一步拉拔贴合至光单元及绝缘表面，拉拔系数1.2～1.5，即铜管工序生产速度可提升20～50％，并利用时间差降低管内温度，可减少对缆芯的伤害。
根据敷设要求，铠装层6可以设置一层、两层甚至多层，在一实施例中铠装层6包括两层铠装于外极绝缘5外的镀锌钢丝，镀锌钢丝外绕包有PP绳形成麻被层，且镀锌钢丝的表面及缝隙中涂浇有防腐沥青。在一实施例中，两层镀锌钢丝的绞向相同，且与PP绳的绞向相反，保证海缆的弯曲性能。
对此，本实施例还提供一种基于上述轻型双极海光缆的设计方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤(1)：确定海缆的敷设水深D及使用电压，测算水压P。
根据中国相关海域的海防及观测需求，双极海光缆敷设水深约在0～2000m，一般海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，500m及以上为深海缆，深海缆人类活动较少，可采用单层铠装；小于500m的为浅海缆，为避免人为损伤，采用双层铠装加强型缆。
根据公式p＝ρgD，得出海缆在目标水深敷设的耐压要求，式中ρ为海水密度，g为重力加速度，测算得到500m水深对应水压为5MPa，2000m水深对应水压为20MPa，水深越深，则双极海光缆表面受到的压强越大。
至于电压等级可参照国际海光缆常规电压以及设备负载，一般在5～5kV，在一实施例中，考虑水下设备的多样性及扩展性，电压采用高电压。
步骤(2)：确定中心光单元1尺寸，并验证中心光单元1抗压强度。
常用的双极缆缆芯包括如下结构：a)两电一光层绞式三芯结构；b)带内铠双层铜管结构。其中a)和b)为国内外双极缆采用的主流结构，a)结构层绞式缆芯光电分离，加工方式类似三芯电缆，有着成熟的成缆技术，但仅适合短段生产，且缆芯外径较大、结构松散等，阻水性能不佳；b)结构为国外深海光缆改进型结构，小尺寸光单元位于缆中心，外层绞合内铠钢丝，后包覆双层铜带及绝缘的方式，阻水性能好，适合大长度生产，但也存在外径粗、重量大、容纳光纤数量少等缺点。本实施例在b)结构基础上改进，中心采用大尺寸光单元，外层包覆双管导体，使用此方法制造的双极海光缆可满足海底观测网、ROV、潜艇等水下设备及器件的大容量电力及通信需求，满足海缆的机械性能，并拥有较小的外径。
三种结构的双层铠双极海光缆性能参数见表1，可见本实施例结构在外径、单位重量、容纳光纤上具有显著优势。
表1
| 结构 | 适用电压 | 电阻 | 外径 | 单位重量 | 适用水深 | 容纳光纤 |
| 对比例a | 3kV | 1Ω/km | 50mm | 6.5kg/m | 0～100m | 48 |
| 对比例b | 5～15kV | 1Ω/km | 45mm | 5.7kg/m | 0～2000m | 24 |
| 本实施例 | 5～15kV | 1Ω/km | 42mm | 5.0kg/m | 0～2000m | 96 |
为满足双极海光缆的水下抗压等级，下面验证本实施例缆芯的抗压强度。为满足双极海光缆的大容量通信需求，采用相关技术中较为成熟的不锈钢管造管技术，可满足最大96芯光纤造管。
根据公式测算海缆中多根光纤的等效直径Re，式中N为光纤根数，Rf为表单根光纤直径，得出96芯光纤等效直径约为0.29mm，考虑适当光纤余长以及纤膏填充空间，不锈钢管厚度按常规用0.25～0.30mm不锈钢带，一般安装等效直径Re的1.5～2.5倍，96芯对应管径D0设定为5.0～5.6mm比较合适。
再由公式式中t0为中心光单元1所用不锈钢管的厚度，σs为不锈钢带的屈服强度，在210～310MPa，验算中心光单元1的抗压强度P是否满足耐压要求。
列举不同管径中心单元的抗压强度计算值见表2，可见对于96芯不锈钢光单元，均可以满足30MPa(对应3000m水深)敷设的耐压要求。
表2
| 不锈钢管外径(mm) | 钢带屈服强度中值(Mpa) | 壁厚(mm) | 内半径(mm) | 抗压强度(Mpa) |
| 5.0 | 260 | 0.30 | 2.20 | 35 |
| 5.3 | 260 | 0.30 | 2.35 | 33 |
| 5.6 | 260 | 0.30 | 2.50 | 31 |
步骤(3)：确定内极导体2尺寸。
参照GB/T 18480-2001海底光缆规范，海光缆直流电阻要求≤1.5Ω/km，考虑设备扩展需求，按1～1.50Ω/km预留。
根据公式R＝ρΩ/s，计算导体的截面面积S，式中R为海缆电阻设定值，ρΩ为导体材料电阻率(铜取0.017)，再由公式S＝π×(D1 2-D0 2)/4，得到内极导体2的外径D1，由于导体是由铜带纵包后氩弧焊焊接成大管再拉拔成型，此处的D1为拉拔后的尺寸。
选择D0为5.0mm及5.6mm两种尺寸计算拉拔后内极导体2尺寸D1，见表3。
表3
| 适用电压 | 电阻 | 光单元外径D0 | 拉拔后尺寸D1 | 拉拔前尺寸 |
| 5～15kV | 1Ω/km | 5.0mm | 6.86mm | 10.3mm |
| 5～15kV | 1Ω/km | 5.6mm | 7.31mm | 11.0mm |
步骤(4)：确定内极绝缘3尺寸。
参照35kV电力电缆标准GB/T 12706.3，绝缘厚度δ取值4.5mm，根据公式D2＝D1+2×δ，得到内极绝缘3的外径D2。
步骤(5)：确定外极导体4尺寸。
根据公式同理步骤(3)得到外极导体4的外径D3。
步骤(6)：确定外极绝缘5尺寸。
根据公式D4＝D3+2×δ，同理步骤(4)得到外极绝缘5的外径D4。
步骤(7)：确定铠装层6钢丝尺寸及数量。
针对此处两层铠装结构，选用镀锌钢丝进行铠装，得到其外径D5，常用镀锌钢丝的外径D5范围在3.2～3.8mm，根据公式D5＝D4×sinα/(1-sinα)，得到第一层铠装钢丝的半径夹角α，则第一层钢丝的数量M＝π/α，第二层钢丝的数量为(M+6)。
上述三种结构的双层铠双极海光缆主要机械及光电性能参数见表4。可见，此轻型双极海光缆及设计方法，适用于中国科学观测以及国防领域海底网络的建设需求，使得双极缆的各项设计参数更精确，在降低成本的情况下保证每项光电及机械性能更为优越，有效弥补了相关技术中的层绞式海光电复合缆的外径粗、重量大、敷设难、长度受限等缺陷。
表4
| 结构 | 适用电压 | 电阻 | 外径 | 单位重量 | 适用水深 | 容纳光纤 |
| 对比例a | 3kV | 1Ω/km | 50mm | 6.5kg/m | 0～100m | 48 |
| 对比例b | 5～15kV | 1Ω/km | 45mm | 5.7kg/m | 0～2000m | 24 |
| 本实施例 | 5～15kV | 1Ω/km | 42mm | 5.0kg/m | 0～2000m | 96 |
由此，上述轻型双极海光缆的生产过程包括不锈钢光单元、内极导体焊接拉拔、内极绝缘挤制、外极导体焊接拉拔、外极绝缘挤制、铠装层每个工序，相比相关技术中的光电复合海缆，双极缆在光电方面要求大容量、大通道、大长度、可扩展等特点，以满足海底观测网、ROV、潜艇等水下设备及器件的电力及通信需求，通过上述设计方法制成的海光缆，适用于中国沿海地区科学观测以及国防领域海底网络的建设需求，使得双极缆的各项设计参数更精确，在降低成本的情况下保证每项光电及机械性能更为优越，有效弥补了相关技术中层绞式海光电复合缆外径粗、重量大、敷设难、长度受限等问题。
本发明的有益效果为，与相关技术相比，所述轻型双极海光缆及其设计方法具有以下优点：
1)相比相关技术中海缆设计方法，根据典型海域实际工况来确定双极海光缆的继续性能，更注重数据的准确性，安全性能更高；
2)取消相关技术中的海光缆的内铠层，使用大尺寸不锈钢光单元替代小管子，在满足海底抗压性能的情况下，大幅提升光纤容纳数量，满足观测网的大容量通信需求；
3)内外层铜管导体由铜带纵包后氩弧焊焊接成大管，再进一步拉拔贴合至光单元及绝缘表面，铜管工序生产速度可提升20～50％，并利用时间差降低管内温度，减少了对缆芯的伤害；
4)根据材料力学确定不锈钢、铜、镀锌钢丝等多类材料的机械性能以及物理特性并预留适当安全裕度，在保证双极海光缆各类性能均符合标准的基础上，降低了不锈钢带、铜带、绝缘、钢丝、胶水等主原材料用量，相比相关技术中的结构重量降低10～15％，性价比更高；
5)每层结构设计时使用常规材料，如常规尺寸不锈钢带、光纤、铜带、镀锌钢丝，材料易获取，节约采购成本；
6)双极海光缆外径与国际海缆联盟UJ认证的双铠海光缆外径一致，在使用接头盒接续以及敷设时可采用相关技术，与国际海缆的相容性及通用性保持一致，在光电方面具备大容量、大通道、大长度、可扩展等特点。
Claims (10)
1.一种轻型双极海光缆，包括中心光单元、内极导体、内极绝缘、外极导体、外极绝缘及铠装层；
其中，所述中心光单元外套设有所述内极导体，所述内极导体外挤制有所述内极绝缘，所述内极绝缘外套设有所述外极导体，所述外极导体外挤制有所述外极绝缘，所述外极绝缘外设置有所述铠装层。
2.根据权利要求1所述的轻型双极海光缆，其中，所述中心光单元采用不锈钢管式结构，不锈钢管内穿设有多根光纤。
3.根据权利要求1所述的轻型双极海光缆，其中，所述内极导体与所述外极导体设置为采用铜带纵包后焊接成管形，再拉拔贴合至所述中心光单元或所述内极绝缘的表面。
4.根据权利要求1所述的轻型双极海光缆，其中，所述铠装层包括两层铠装于所述外极绝缘外的镀锌钢丝，所述镀锌钢丝外绕包有PP绳形成麻被层，且镀锌钢丝的表面及缝隙中涂浇有防腐沥青。
5.根据权利要求4所述的轻型双极海光缆，其中，两层镀锌钢丝的绞向相同，且与PP绳的绞向相反。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的轻型双极海光缆的设计方法，包括：
确定海缆的敷设水深D及使用电压，测算水压p：
其中，根据公式p＝ρgD，得出海缆在目标水深敷设的耐压要求，式中ρ为海水密度，g为重力加速度；
确定中心光单元尺寸，并验证所述中心光单元的抗压强度：
其中，根据公式测算海缆中多根光纤的等效直径Re，式中N为光纤根数，Rf为表单根光纤直径，根据等效直径Re并考虑光纤余长及纤膏填充空间，选定所述中心光单元的外径D0，及
由公式验算所述中心光单元的抗压强度P是否满足耐压要求，式中t0为所述中心光单元所用不锈钢管的厚度，σs为不锈钢带的屈服强度；
确定内极导体尺寸：
其中，根据公式R＝ρΩ/S，计算导体的截面面积S，式中R为海缆电阻设定值，ρΩ为导体材料电阻率，及
由公式S＝π×(D1 2-D0 2)/4，得到所述内极导体的外径D1；
确定内极绝缘尺寸：
其中，根据公式D2＝D1+2×δ，得到所述内极绝缘的外径D2，式中δ为标称绝缘厚度；
确定外极导体尺寸：
其中，根据公式得到所述外极导体的外径D3；
确定外极绝缘尺寸：
其中，根据公式D4＝D3+2×δ，得到所述外极绝缘的外径D4；
确定铠装层钢丝尺寸及数量：
其中，选用镀锌钢丝进行铠装，得到铠装层钢丝尺寸的外径D5，
根据公式D5＝D4×sinα/(1-sinα)，得到钢丝半径夹角α，则铠装钢丝的数量M＝π/α。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其中，在所述确定中心光单元尺寸，并验证所述中心光单元抗压强度中，D0设定为Re的1.5～2.5倍，不锈钢管的厚度t0为0.25～0.30mm。
8.根据权利要求6所述的设计方法，其中，在所述确定内极导体尺寸及所述确定外极导体尺寸中，海缆直流电阻R设定为1～1.5Ω/km。
9.根据权利要求6所述的设计方法，其中，在所述确定内极绝缘尺寸及所述确定外极绝缘尺寸中，标称绝缘厚度δ＝4.5mm。
10.根据权利要求6所述的设计方法，其中，在所述确定铠装层钢丝尺寸及数量中，海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，所述浅海缆的长度小于500m，深海缆的长度为500m及以上，所述深海缆采用单层钢丝铠装，浅海缆采用双层钢丝铠装，第一层铠装钢丝有M根，第二层铠装钢丝有(M+6)根。
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2023
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