海底光纤复合电力电缆试制及机械性能试验.pdf

2 0 0 7年第 2期 No． 2 2 0 0 7 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 7年 4月 Ap r． ， 2 0 0 7 海底光纤复合电力电缆试制及机械性能试验 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、 制造及进行的盘绕 、 拉伸 、 张力弯曲等机械性 能试验。 关键词 ： 海底 光纤复合 电力电缆 ； 设计 ；制造；机械性能试验 ； 盘绕试验 ； 拉伸 试验 ；张力弯曲试验 中国分类号 ： T M2 4 7 ． 9 ； T N 8 1 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 — 6 9 0 1 ( 2 0 0 7 ) 0 2 — 0 0 1 3 ． 0 4 Tr y - Pr o d uc t i o n a n d M e c h a n i c a l T t s o f S ub ma r i n e Co mp o s i t e P owe r Ca bl e s wi t h Op t i c a l Fi b e r s W ANG Gu o — z h o n g ( H u b e i Y o n g d i n g - H o 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 ) Ab s t r a c t ：Th i s p a p e r p r e s e n t s t h e de s i g n a n d p r o d uc t i o n o f s u b ma r i n e c o mp o s i t e p o we r c ab l e s w i th o p t i c a l fib e r s a s we l l as the me c h an i c al t e s ts- wr a pp i n g t e s t ，t e n s i l e t e s t and b e n d i n g t e s t ． Ke y wor d s：s u bma r i n e c o mpo s i t e p o we r c ab l e s wi t h o p tic al fiber s ；d e s i gn ；p r o du c t i o n；me c h a n i c a l t e s ts；wr a p p i n g t e s t ； t e n s i l e t e s t ；be n di n g t e s t O 引 言 海底电缆在敷设 、 维修和回收过程 中， 将要承受 其它应用场合不会发生的额外机械力作用。我公司 应中海石油( 中国) 有限公 司之要求 ， 为模拟海底光 纤复合电力电缆( 以下简称复合缆 ) 在实际应用中可 能受到的机械作用力 ， 对 中海石油 ( 中国) 有限公司 将要使用的复合缆进行了相关的机械性能试验 ， 以 检验复合缆在运输 、 转船 、 敷设和在海底苛刻环境下 的适 用性 。 1 复合缆的设计及制造 本次海底光纤复合 电力电缆 的设计， 其 中的电 缆 、 光单元和电缆的复合位置 、 护层设计， 与常用 的 光 电复合缆设 计基 本相 同， 具体 设计 可参 见文献 [ 1 ] ， 但光纤单元有所 不同。应客户要求 ， 本次光纤 单元采用不锈钢束管结构。为了增强不锈钢束管的 抗拉力 ， 以保证 4 0 k m及以上光单元生产过程 中可 能受到的拉力作用而不损伤光单元 ， 一种结构是在 不锈钢束管外铠装细加强钢丝 ， 然后再挤包 高密度 聚乙烯( H D P E ) 护套 ； 另一种结构是在不锈钢束管外 直接挤包 H D P E护套 ， 在挤包 H D P E护套过程 中， 将 收稿 日期 ： 2 0 0 6 ． 1 0 ． 2 0 作者简介： 王国忠 ( 1 9 6 2一) ， 男 ， 江苏 海 门人 ， 高级工 程 师 。 总工程师 ． 作者地址 ： 湖北 宜昌市谭家河路 1 8 ． 1 3 2号[ 4 4 3 0 0 4 ] ． 两根直径为 1 ． 2 n l ／ n的平行加强钢丝纵放 在不锈钢 管轴线对称的两侧 。两种结构 比较， 前者是必须两 道工序实现 ， 光单元的柔软性好 ； 而后者虽然柔软性 稍差 ， 但工序简单， 有利于大长度制造。在本次设计 中采用后一种结构 ， 见图 1 。束管内光 纤的余长控 制在 0 ． 5 ％左右 ， 使光单元受到张力负荷时 ， 光纤不 会立即受到应力的作用 。不锈钢束管内充填阻水纤 膏。复合缆的结构如表 1 和图 2所示。 图 1 光单元结构 图 1 一G 6 5 2单模光纤2一阻水纤 膏填充3一q ) 3 ． 0m i ll 不锈钢管 ， 壁 厚0 ． 2 11 1 11 1 4 一西 1 ． 2 a m加强钢丝5一高密度聚乙烯 ( H D P E ) 护套 我们按中海石油( 中国) 有限公司将要采用的型 号规格 Y J Q F 4 1 ． 2 6 ／ 3 5 31 2 0+21 2 B 1制作了复 合缆样品 2 0 0 m 。在每 1 0 0 m复合缆上制作 了一套 软接头。为便于在试验中监控两个光单元的光性能 变化， 样品中多加了 23 0 0 m的光单元 ， 即单根光 单元 的 连续长度 为 5 0 0 m。 2 试验 方案 机械性能试验 依据 C I G R E国际大电网会议海 底电缆机械性能试验推荐标准进行 。我们依次对样 品进行盘绕试验、 拉伸试验、 张力弯曲试验及随后的 维普资讯 2 0 0 7年第 2期 No． 2 2 0 07 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca bl e 2 O O 7年 4 月 Ap r ． ， 2 0 0 7 导体接头拉抻试验。试验方案如下。 表 1 2 6 ／ 3 5 k V 3 X 1 2 0删 +2 X 1 2 1 1 1海底复合缆 结构 项 目 数 值 导体截面／ m m 直径／ m m 导体屏蔽厚度／ m m 绝缘厚度／ m m 绝缘屏蔽厚度／ m m 直径／ m m 半导电阻水层厚度／ m m 合金铅厚度／ m m H D P E护套外径 光缆单元外径／ m m 防腐 内衬层厚度／ m m 铠装镀锌钢丝直径／ m m 聚丙烯绳纤维外被厚度／ m m 成 品复合缆外径／ m m 标称重量， ( k g ／ m) 图 2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H D P E护 套8一填充物 9一光单元 1 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 2 ． 1 盘绕 试验 ( 1 )将 2 0 0 m复合 海缆 进 行盘 绕试 验 。盘 绕 时 退扭高度为 7 m， 盘绕成圈直径为 4～6 m。试验装 置如图 3所示。试样 中含二套软接头， 试样经履带 牵引 、 导 轮来 回成 圈盘绕 5次 ； ( 2 )盘绕过程中监控光单元中任意一芯光纤的 光性能变化。盘绕试验结束后， 测试所有光纤的损 耗 ， 并同盘绕前的数据对比； ( 3 )回收复合海缆绕 至电缆盘上， 进行其它性 能试验 。 2 ． 2 拉 伸试 验 1 4 光 履带牵引机 图 3盘 绕 试验 装 置 ( 1 )从盘绕试验后的试样中取含有一套软接头 的复合缆样品进行拉伸试验。拉仲试验时， 施加初 始拉力 T o ( 2 t ) ， 至复合缆拉直， 用钢圈尺在复合缆 上 标 出 3 0 m的 两个 标 距 ， 保 持 初 始 拉 力 1 5 m i n ， 随 后记录标距长度 L 。 ； 逐渐增加拉力至 1 0 t ， 保持 1 5 m i n ， 记录标距长度 L ； 维持 1 0 t 拉力， 1 5 m i n后， 再 次记录标距长度 L t 1 0 ； 继续保持 1 0 t 拉力， 1 5 m i n后 又记录标距长度 L ” ； 然后增加拉力至 1 5 t ， 1 5 m i n 后记录标距长度 L ， ； 最后 ， 逐渐释放拉力至初始拉 力 2 t ， 1 5 m i n 后 ， 记 录试样 标距长 度 L 。 ； ( 2 )分 别计 算 每次 的拉 伸率 ， 即 ，。 ； ； 。 ； 币 L 。 等 5种试验状态的拉伸率。 ={ ( 拉 伸后标距长度 L一原始标距长度 L 。 ) ／ 原始标距长度 L 0 } 1 0 0 ％ ； ( 3 )拉伸试验完成后进行光纤性能的测试 ； ( 4 )回收复合缆至电缆盘上 ， 进行 电缆的电气 试 验 ； ( 5 )解剖复合缆 ， 观察各结构的破损情况。 2 ． 3 张力弯 曲试 验 ( 1 )从盘绕试验后的试样中取含有一套软接头 的复合缆约 1 0 0 m进行张力弯曲试验。张力弯曲试 验装置如图 4所示 。施加张力 ， 使复合缆试样上保 持 1 0 ． 5～1 1 t 的张力 。转动半径为 3 m的转盘， 使 复合缆试样上的软接头在转盘上通过 1 ／ 2以上的圆 周。 ． 顺时针 、 逆时针各转动一次为一个循环 ， 共进行 图 4 张力弯曲试验装 置 ∞ O 5 8 ) 4 ) ) ， ， 珥 一 ∽ 仙 牝 维普资讯 2 0 0 7年第 2期 No． 2 2 00 7 电 线 电 缆 E l e e t r i e Wi r e& C a b l e 2 0 0 7年 4月 Ap r． ， 2 00 7 5个循环。其 中， 最后两个循环试验时， 作用在复合 缆上 的张力增 大 到 1 2 t ； ( 2 ) 试验过程 中， 监测光单元 中任意一芯光纤 的光 性能 变化 。张 力 弯 曲试 验 后 ， 测试 所 有 光 纤 的 损耗， 并同盘绕前的数据对 比； ( 3 )回收复合缆至电缆盘上 ， 进行 电缆的电气 试验 ； ( 4 ) 解剖复合缆 ， 观察各结构的破损情况 。 2 ． 4 导体 接 头拉伸试 验 分别从拉伸试验和张力弯曲试验后的试样上 ， 截取软接头 ， 取出两套( 6个 ) 导体接头， 进行接头的 拉力试验 ， 并同未接头的导体拉伸强度进行对 比。 电缆的电气试验在本试验中仅进行局部放 电试 验和 工频耐压 试验 两项 。然后 比较 机械 性能试 验前 后 的局 放 量 有 无 明显 变 化 。 电气 试 验 的 试 验 依 据 G B 1 2 7 0 6 ． 3标准中的例行试验进行。 为保证试验 的有效性 和正确性， 中海石油 ( 中 国) 有限公司派出四位专家， 对试验方案和过程进行 审查 和鉴证 。 3 试验过程 在机械性能试验前， 测试 了两个光单元 的各芯 光纤的损耗 ， 并对电缆进行了局部放电试验和工频 耐压试验。在各项指标合格后 ， 进行机械性能试验。 试验严格按上述的试验方案进行。 考虑到盘绕试验不至于影响 电缆的电性 能， 于 是将盘绕试验后的试样未进行 电气试验便直接依次 进行了拉伸试 验、 张力弯曲试验。拉伸试验和张力 弯曲试验后 ， 分别进行电缆 的电气试验。在电气试 验结束后 ， 解剖复合缆 ， 检查其结构有否受到明显损 伤。解剖发现 ， 除了在聚乙烯护套上有轻微的铠装 钢丝压痕外， 其余各结构均完好无 损， 无任何变形。 软接头处 ， 铅包焊接点未受到任何变形 ， 绝缘接头部 位与电缆绝缘本体仍完全熔合在一起 ， 无明显界面 ， 在 显微镜 下观 察 ， 也 没有 发现任 何裂纹 。 4 试验 结果及分析 机械性能试验项 目及试验结果见表 2 。复合缆 中各 芯光纤 在机 械性 能试验 过程 中及试 验后 衰减 几 乎没有什么变化 ， 因为衰减曲线光滑平整， 无任何阶 梯， 试验前后衰减数据的细小变化仅仅是测试误差 所造成 ， 所以表 3～表 5仅列 出了两个光单元 中色 标为蓝色的光纤其损耗情况 。 表 2 试验项 目要求及实测结果 试验项 目 试验要求 实测结果 1 成品复合缆性能 ( 1 )局部放 电试验 ( 1 ． 7 3 U o ) ／ p c ( 2 ) 2 0 ℃导体直流电阻／ ( I 2 ／ k m) ( 3 )交 流电压试验 ( 6 5 k V ／ 3 0 ra i n ) ( 4 )光纤衰减／ ( d B ／ k m) 1 3 1 0 I I Ⅱ l 波长下 1 5 5 0 n m波长下 2 复合电缆盘绕试验 ( 1 )外观 ( 2 )局部放 电试验( 1 ． 7 3 V o ) ／ pc ( 3 )交流电压试验( 6 5 k V ／ 3 0 r a i n ) ( 4 )光纤衰减／ ( d B ／ k m) 1 3 1 0 I IⅡ l 波长下 1 5 5 0 n m波长下 3 复合 电缆拉伸试验 ( 1 )拉伸 率／ ％ ( 2 )局部 放电试验 ( 1 ． 7 3 U o ) ， P c ( 3 )交 流电压试验 ( 6 5 k V ／ 3 0 ra i n ) ( 4 )结构 破损情况 4 复合电缆张力弯曲试验 ( 1 )局部放 电试验( 1 ． 7 3 U o ) ／ pc ( 2 )交流 电压试验( 6 5 k V ／ 3 0 ra i n ) ( 3 )光纤衰减／ ( d B ／ k m) 1 3 1 0 n m波长下 1 5 5 0 n m波长下 ( 4 )结构破损情况 ≤ 3 2；2；3 0 ≤0． 1 5 3 0． 1 5 2 ；0． 1 5 2；0． 1 5 2 0 不击穿 未击穿 ≤0． 3 5 ≤ 0． 2 2 ① ≤ l 0 不击穿 ≤ 0． 3 6 ≤0． 2 5 ≤0． 3 3 ≤0． 2 1 通过 2；2：2 0 未击穿 ≤ 0． 3 3 ≤ 0． 2 3 0． 0 6 7；0． 0 7 7； 0． 0 8 3； 0． 1 9 3：0． 0 9 3 0 ≤ 1 0 2；2；2 0 不击穿 未击穿 ① 通过 ≤ 1 0 不击穿 ≤ 0． 3 6 ≤ 0． 2 5 ① 2 ；2 ；2 0 未击穿 ≤ 0． 3 3 ≤ 0． 2 1 通过 ① 复合缆外观和结构破损情况的要求为合金铅套 应无裂缝， 导 体和铠装无鸟笼状 。 ② 分别为电力线芯 A相( 绿 ) 、 B相( 黄) 和 C相( 红 ) 三相测试值 。 ③ 分别 为 Io ； 1 o ； Io ； 1j 和 o 等 5 种试验状态的实测值。 表 3 电缆盘绕试验前后的光纤衰减 ( 单位 ： d B ／ I ma ) 注： 试验前后仅测试色标为蓝色光纤的衰减值， 以下各表相同。 从 试验 结果 可看 出 ， 机械性 能试验 前后 ， 电气性 能没有任何变化 ， 光纤衰减几乎也没有什么变化。 ( 下转第 l 8页) 维普资讯 2 0 0 7 年第 2 期 No． 2 2 0 0 7 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca b l e 2 0 0 7年 4月 Ap t ． ， 2 0 0 7 聚乙烯护套 ， 给外层 的电力传输单元 的 5根绝缘线 芯与控制单元二次绞合成缆时起到一个定位及支撑 作用， 使得电缆结构合理、 稳定 。 3 ． 4 隔氧层挤 包 隔氧层材料采用高氧指数 的阻燃材料 ， 由于其 阻燃添加剂较多 ， 材料的抗拉强度和断裂伸长率较 一 般的低烟无卤料低 ， 挤制时采用 1 ： 1 ． 2的低压缩 比螺杆和拉伸 比≤2的挤管式模具， 以便可 以采用 常规的挤出机。另外 ， 应注意在挤制隔氧层时， 挤出 机主机要能够连续稳定的工作， 以保证挤出的缆芯 表 面光滑 和 圆整 。 4 成品电缆 的试验 型号 规格 为0 ． 6 ／ 1 k V T S—D WZ R( A) 一 Y J Y — K 4 5 0 +1 2 5 +4 4隧道 电缆制作完成后 ， 进行 了 全性能测试 ， 其试验结果如下 。 4 ． 1 电气性能( 见表 1 ) 表 l 隧道 电缆的电气性能 项 目名称 技术要求 检验结果 耐压试验 ( 3 ． 5 k V， 5 m i n ) 不击穿 未击穿 2 O ℃ 5 0 mm ≤0． 3 8 7 0． 3 5 6 直流电阻 2 5 m m ≤0 ． 7 2 7 0 ． 6 8 8 ／ ( 1 2 ／ k m) 4 m m ≤4 ．6 1 4． 4 7 4 ． 2 燃 烧性 能 ( 见表 2 ) 表 2 隧道 电缆的燃烧性能 试验项 目 试验方法 标准要求 实测值 A类成束 G B ， T 1 8 3 8 0 ． 3 供火 4 0 m i n ， 电缆被 1 ． 4 6 I n 燃烧试验 —2 【 x 】 l 烧焦高度 ≤2 ． 5 In 。 GB ／ T 1 7 6 5 1 ． 1 透光率／ ％ >6 0 >6 8 ． 7 7 —2一 l 9 9 8 电导率／ ( ~ t S ／ m m) G B ／ T 1 7 6 5 0 ．1 ≤ l O 0． 9 p H值 — 2一l 9 9 8 ≥4 ． 3 5 ． 6 5 结束语 型号规格 为0 ． 6 ／ 1 k V T S—D WZ R( A) 一 Y J Y — K 4 5 0 +1 2 5+ 44铁 路 隧道综 合 电缆 的试 制 成功 ， 为今后 我厂生产高阻燃 电缆 产品积 累了宝贵 的经验 ， 在2 0 0 5 年 7月， 为乌鞘岭 隧道生产 了另外两种规格 的铁路遂道用综合电缆共 1 3 ． 4 k m， 各项性能指标均 符合企业标准要求， 得到了工程施工部门的认可。 参考 文献 ： [ 1 ] G B ／ T 1 2 7 0 6 l 一2 0 0 2 ， 额定电压 l k V( U m=1 ． 2 k V) 和 3 k V ( U m = 3 6 k V) 电缆[ s ] ． [ 2 ] 何晓芳 ， 等 ． 带 有地 线 的 电力 电缆 设计 [ J ] 电线 电缆 ， 1 9 9 9 ， ( 3 )： 2l 一 2 5． ( 上接第 1 5页 ) 表 4电缆拉伸试验前后的光纤衰减 ( 单位 ： ri B ／ k in) 表 5电缆张力弯 曲试验前后的光纤衰减 ( 单位 ： d B ／ k m) 在拉伸试验中， 1 0 t 拉力作用 4 5 m i n时， 复合缆的伸 长率仅 为 0 ． 8 3 ％ 。 ； 1 5 t 拉力 作用 1 5 m i n时 ， 复合 缆 的 伸长率也仅为 1 ． 9 3 ％ 。 。在张力弯 曲试验中， 最后两 个循环时， 张力达到了 1 2 t ， 复合缆及其软接头受到 了 3 9 ． 2 k N ／ m的侧压力作用， 其结构仍完 好无损。 电气试验及光性能测试证明 ， 海底光纤复合电力电 缆及其工厂软接头完全能通过本次规定要求 的盘 绕 、 拉伸及张力弯 曲等机械性能试验。由于受试验 1 8 装置 的限制 ， 为安 全起见 ， 我 们没有 进行破 坏性试 验 或者说 进一 步的机 械性 能裕度 试验 。 5 结束语 本次对复合缆进行的机械性能试验 表明， 湖北 永鼎红旗电气有限公司试制的海底光纤复合电力电 缆及其 工厂 软接 头完全 能适 用于运 输 、 转 船 、 敷 设和 在海底苛刻的工作环境。本次海底光纤复合电力电 缆的设计 、 制造及成功进行 的盘绕 、 拉伸、 张力弯 曲 等机械 性能试 验对 今后海 缆 的研究 和开发 有着 特别 重要 的作用 。 中海石油( 中国) 有限公司派出的四位代表对试验 方案及全过程进行了审查和鉴证， 试验真实有效。对 他们为我们提供的建议和无私的指导表示真诚感谢。 参考文献 ： [ 1 ] 王国忠． 海底光 纤复合 电力 电缆 的开发 [ J ] 电线 电缆 ， 2 0 0 5 ， ( 6) ： 1 2 — 1 4． [ 2 ] G B ／ T 1 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 = 40 ． 5 k V ) 挤包绝缘 电力电缆及附件『 S ] ． 维普资讯