一种多功能复合岛屿电力电缆及其制造工艺的制作方法

本发明涉及一种抗拉、抗压、抗冲击、抗震、防水、防油、防紫外线、防虫鼠的多功能复合岛屿电力电缆及其制造工艺。

背景技术：

我国是一个海洋大国，拥有300多万平方公里的海域和18000公里长的海岸线，沿海分布有6000多个岛屿，在浅海大陆架蕴藏着丰富的海底油田和天然气，沿海又是我国经济发达区，国内沿海岛屿发展急需用电，由于建设电站成本高、周期长，再加上燃料供应困难等因素，故此，对中小型海岛的供电、通信(尤其是军用保密通信)都需要通过大长度光电综合电缆来解决，因此电缆是海岛的生命线。

随着海洋资源的不断开发和利用，海岛的开发越来越受到国家和社会的重视，同时沿海人民为了改善环境，提高生产、生活质量，对电力、通讯的需求不断增强，为开发研究生产大长度高压海岛电力通讯综合缆提供了广阔的市场前景。特别是我国浅海不断发现新的油气田，海上石油平台通讯、供电需要大量电缆，海洋渔业的发展，目前仍需要进口海岛电力通讯复合缆。然而海岛的电力、通讯始终是制约海岛经济发展的瓶颈。保证海岛供电安全，信号传输的可靠性则势在必行。电线电缆行业是电力和通信两大国民经济支柱产业的重要配套行业，在国民经济中有着极其重要的地位，其中行业生产总量占全国总gdp的4‰至5‰，电线电缆产品起着输送能源、传递信息的重要作用，是国民经济的“血管”和“神经”。中国每年海底电缆、管道铺设长度有几千公里，海底电缆占整个铺设量的10％～15％左右。随着国民经济的快速发展及岛屿建设、海岛开发的持续进行，深海能源开采，国内对海底电缆的需求大幅增加。而普通海缆仅能用于0-100m水深，深海石油开采、沿海风电相对对海底电气性能、防水性能均有更高的要求。沿海及海岛的自然环境与内陆不同，属于盐碱地、潮湿度高，因此，在该区域内敷设电缆一定要考虑到电缆耐环境的适应能力。

分析海岛电缆安装敷设环境，除了常规海底电缆防水、防海水腐蚀外，基于海岛有海底、海岸、岛屿山丘复杂地理环境，需要电缆还需具备海床地震、近海船只抛锚造成的短时巨大冲击拉力损伤，海岸悬挂段受海水频繁浪涌造成的电缆弯曲疲劳损伤，海岸段凸出岩石造成电缆的过度弯曲，海平面以上的紫外光老化腐蚀，以及岛屿陆地直埋段山石造成的压力损伤等等一系列防御功能；综合上述运行敷设环境要求，为了更好岛屿海洋经济，急需一款具备抗拉、抗压、抗冲击、抗震、防水、防油、防紫外线、防虫鼠的新型海岛电力电缆及生产工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多功能复合岛屿电力电缆及其制造工艺，解决了现有的海底电缆一般分为水下埋设段和陆上埋设段，在一些海岛坡度比较陡峭的环境下，容易出现由于弯曲半径过小或张力过大而损伤电缆，而且现有电缆的安全性能参差不齐，无法达到高导电、成本低、节能环保、阻水性优、防腐蚀、抗蠕变、抗疲劳等多种性能的问题，从而实现了根据海床下直埋、海岸段悬挂、岛屿陆地段直埋不同敷设环境，一根电缆设计分段差异化结构设计，满足了不同敷设环境要求，并且具有良好的防水性、防腐性、防紫外线、防油污等性能，同时还能减小电缆外层的磁通量，从而减小电缆电力传输过程中的电磁转换损耗和发热。

实现本发明目的的技术方案是：一种多功能复合岛屿电力电缆，包括：

海床直埋段，敷设于海床下；

陆地直埋段，敷设于海岛陆地下；

海岸悬挂段，悬挂于海岸，连通所述海床直埋段和所述陆地直埋段；

所述海床直埋段、陆地直埋段及海岸悬挂段包括缆芯和设置于所述缆芯外部的防护层；

其中，所述缆芯包括至少一根绝缘线芯和至少一个缓冲式抗拉单元；所述缓冲式抗拉单元由内至外依次为碳纤维复合芯、弹性垫层、钢丝层、沥青涂覆层。

进一步地，所述防护层包括纤维绳缠绕层；所述纤维绳缠绕层浸渍沥青，先缠绕后浸渍，这样沥青能将缠绕绳和里面的铠装层一起浸渍。

进一步地，所述防护层还包括抗疲劳弯曲层；所述抗疲劳弯曲层采用不锈钢带联锁铠装结构，设置于所述海岸悬挂段，且位于所述缆芯与所述纤维绳缠绕层之间。

进一步地，所述防护层还包括抗机械损伤层；所述抗机械损伤层采用不锈钢带，设置于所述陆地直埋段，且位于所述缆芯与所述纤维绳缠绕层之间。

进一步地，所述绝缘线芯由内至外依次为导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层和铅套防腐屏蔽层。

进一步地，所述缆芯还包括至少一个通信监控单元；所述通信监控单元包括内部的光纤束和外部的套管。

进一步地，所述缆芯还包括至少一个油管单元和一个水管单元；所述油管单元采用第一不锈钢内管与第一塑料外管的复合结构；所述水管单元采用第二不锈钢内管与第二塑料外管的复合结构。

进一步地，一种多功能复合岛屿电力电缆还包括张力座；所述张力座设置于所述海岸悬挂段与所述陆地直埋段连接处，分为可开合的上座和底座；所述上座和底座上对应地设置缺口，闭合后形成主穿线通道；所述上座和底座上还设置有与所述缓冲式抗拉单元数量一致的抗拉单元穿线通道。

进一步地，所述抗拉单元穿线通道包括位于中心的复合芯穿线孔和环绕于所述复合芯穿线孔外部的多个钢丝穿线孔。

进一步地，所述缓冲式抗拉单元与张力座的张力连接为钢丝层钢丝分别穿越多个钢丝穿线孔与张力座焊接，碳纤维复合芯穿越复合芯穿线孔成轴向自由位移状态。

一种制造所述的海岛电力电缆的工艺，包括以下步骤：

测量海床直埋段、陆地直埋段和海岸悬挂段所需长度；

制造缆芯；

按照测量的长度，在所述缆芯外设置防护层。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明根据海床下直埋、海岸段悬挂、岛屿陆地段直埋不同敷设环境，将电缆分为陆地直埋段、海岸悬挂段、海床直埋段三段式结构，通过一根电缆设计分段差异化结构设计，满足了不同敷设环境的要求，降低了敷设难度和敷设成本。同时，在电缆填充位置设置包含弹性垫层的缓冲式抗拉单元，当钢丝拉力增加时，径向挤压弹性垫层，弹性垫层外径减小，钢丝长度延伸，起到缓冲的效果，同时随着钢丝和弹性垫层径向力增加，碳纤维复合芯抗拉力将起主导作用，由于碳纤维具有良好的抗拉性能和不变形性，所以在弹性垫层一定变形量给钢丝缓冲后，继续增加拉力将不再变形，最终起到能够承受很大抗张能力的效果；这样的结构设计，既考虑到电缆具备良好的抗拉能力的同时，很好的解决了电缆在接受如海床地震、近海船只抛锚等巨大拉力冲击作用下，电缆的缓冲式抗拉单元首先产生的是轴向的位移延伸，缓冲巨大冲击力的效果；然后是拉力集中到碳纤维上，承载巨大拉力冲击的效果。此外，缓冲式抗拉单元还能减小电缆外层的磁通量，从而减小电缆电力传输过程中的电磁转换损耗和发热。

(2)本发明根据不同的敷设环境，在缆芯外部设置了不同的防护层，从而使电缆具有良好的防水性、防腐性、防紫外线、防油污等性能。

(3)因为考虑到海水侵蚀和潮汐冲击，所以防护层中的纤维绳缠绕层采用沥青浸渍，起到了结构固定和防腐的效果。

(4)由于考虑海岸悬挂段电缆受潮汐冲击，电缆处于动态弯曲状态，为防止电缆过度弯曲及潮汐夹杂物对电缆的冲击，因此在悬挂段设置采用不锈钢带联锁铠装结构的抗疲劳弯曲层，起到抗疲劳弯曲和杂物冲击效果。

(5)由于陆地直埋段电缆采用了不锈钢带铠装结构的抗机械损伤层，有效提高了电缆抗岛屿山石的机械损伤能力。

(6)因为导体采用了软结构以及绝缘层采用了橡皮等弹性材料，大大提高了电缆安装敷设的弯曲特性，以及受海水浪涌频繁冲击的抗疲劳弯曲能力。

(7)为了能实时监测到电缆的变形震动强度、温度高低以及是否遭受到机械性损伤，因此在缆芯内设置了至少一个通信监控单元，同时也可实现数据通信功能。

(8)由于采用了油管单元和水管单元，因此能够扩充海岛电缆的功能。

(9)由于海岸悬挂段电缆会受潮汐冲击，电缆处于动态弯曲状态，为防止电缆过度弯曲及潮汐夹杂物对电缆的冲击，因此采用了在海岸悬挂段与所述陆地直埋段连接处设置张力座的方式，实现了对电缆中间段牵引力固定的作用。

(10)本发明的张力座采用将缓冲式抗拉单元中钢丝层的交叉缠绕钢丝用焊点与张力座固定，而碳纤维复合芯从碳纤维复合芯穿线孔穿过，可在张力座内自由位移，有效的实现了对电缆张力缓冲的目的。

(11)为了防止缓冲式抗拉单元因小角度弯曲造成应力集中容易断裂，因此张力座钢丝穿线孔、复合芯线穿孔与电缆形成锥度，与电缆缓冲式抗拉单元从电缆中分离散开的角度吻合，从而实现在起到张力缓冲过程中，复合芯在张力座的复合芯穿线孔内位移自如。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明整体示意图。

图2为本发明的海床直埋段的结构示意图。

图3为本发明的缓冲式抗拉单元的钢丝层的结构示意图。

图4为本发明的海岸悬挂段的结构示意图。

图5为本发明的海岸悬挂段的防护层结构示意图。

图6为本发明的陆地直埋段的结构示意图。

图7为本发明张力座的结构示意图。

图8为本发明的海岸悬挂段与张力座的连接示意图。

附图标号为：

100缆芯；

110绝缘线芯、111导体、112导体屏蔽层、113绝缘层、114绝缘屏蔽层、115铅套防腐屏蔽层；

120缓冲式抗拉单元、121碳纤维复合芯、122弹性垫层、123钢丝层、124沥青涂覆层；

130通信监控单元、131光纤束、132套管；

140油管单元、141第一不锈钢内管、142第一塑料外管；

150水管单元、151第二不锈钢内管、152第二塑料外管；

200防护层、210纤维绳缠绕层、220抗疲劳弯曲层、230抗机械损伤层；

300张力座、310上座、320底座、330主穿线通道、340抗拉单元穿线通道、341碳纤维复合芯穿线孔、342钢丝穿线孔、350哈弗分切面、360固定件、370加强支座；

400钢丝张力座焊点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种多功能复合岛屿电力电缆及其制造工艺，用于解决现有技术中的海岛电缆无法达到高导电、成本低、节能环保、阻水性优、防腐蚀、抗蠕变、抗疲劳等多种性能的问题。为了解决上述问题，本发明的总体思路如下：

一种多功能复合岛屿电力电缆，包括：海床直埋段，敷设于海床下；陆地直埋段，敷设于海岛陆地下；海岸悬挂段，悬挂于海岸，连通所述海床直埋段和所述陆地直埋段；

所述海床直埋段、陆地直埋段及海岸悬挂段包括缆芯和设置于所述缆芯外部的防护层；

其中，所述缆芯包括至少一根绝缘线芯和至少一个缓冲式抗拉单元；所述缓冲式抗拉单元由内至外依次为碳纤维复合芯、弹性垫层、钢丝层、沥青涂覆层。

本发明根据海床下直埋、海岸段悬挂、岛屿陆地段直埋不同敷设环境，将电缆分为陆地直埋段、海岸悬挂段、海床直埋段三段式结构，通过一根电缆设计分段差异化结构设计，满足了不同敷设环境的要求，降低了敷设难度和敷设成本。

下面，通过几个具体的实施例对本发明的技术方案进行详细介绍和说明。

如图1所示，一种多功能复合岛屿电力电缆包括：海床直埋段，敷设于海床下；陆地直埋段，敷设于海岛陆地下；海岸悬挂段，悬挂于海岸，连通所述海床直埋段和所述陆地直埋段。其中，海床直埋段长度为a，海岸悬挂段长度为b，陆地直埋段的长度为c，海岸悬挂段在与陆地直埋段连接处通过张力座提供牵引力。海岛电力电缆的海床直埋段、陆地直埋段及海岸悬挂段包括缆芯100和设置于缆芯外部的防护层200，不同敷设环境下的电缆防护层200不同。

如图2、图4和图6所示，本实施例的海床直埋段、陆地直埋段及海岸悬挂段的缆芯100的结构一致，包括三根绝缘线芯110、三个缓冲式抗拉单元120、两个通信监控单元130、两个油管单元140和两个水管单元150。当然也可以是其他数量，在此，数量仅作为一种选择，不作为对绝缘线芯、缓冲是抗拉单元、监控单元、油管单元和水管单元数量的限制。

绝缘线芯110由内至外依次为导体111、导体屏蔽层112、绝缘层113、绝缘屏蔽层114和铅套防腐屏蔽层115。在本实施例中，导体111采用软结构，绝缘层113采用橡皮等弹性材料，使得线芯弹性更好，而铅套防腐屏蔽层115则有效提高了电缆的抗压性和抗拉性，还具有良好的防水性、防腐性、防紫外线、防油污等性能。

缓冲式抗拉单元120由内至外依次为碳纤维复合芯121、弹性垫层122、钢丝层123、沥青涂覆层124。如图3所示，钢丝层123采用平纹组织的结构交叉编织钢丝于弹性垫层122外部。将缓冲式抗拉单元设置在电缆填充位置，当钢丝拉力增加时，径向挤压弹性垫层，弹性垫层外径减小，钢丝长度延伸，起到缓冲的效果，同时随着钢丝和弹性垫层径向力增加，碳纤维复合芯抗拉力将起主导作用，由于碳纤维具有良好的抗拉性能和不变形性，所以在弹性垫层一定变形量给钢丝缓冲后，继续增加拉力将不再变形，最终起到能够承受很大抗张能力的效果，这样的结构设计主要使得电缆具有抗击海床地震、近海船只抛锚等情况下，巨大冲击拉力对电缆的损伤；电缆可通过缓冲式抗拉单元首先产生的是轴向的位移延伸，缓冲巨大冲击力的效果；然后是交叉编织钢丝轴向位移延伸，进而增加钢丝层123对弹性垫层122的径向压力的增加，在缓冲巨大拉力的同时将巨大拉力又从小到大的转移给碳纤维复合芯121，最终将全部拉力加到碳纤维复合芯121上，此时整个缓冲式抗拉单元120的轴向位移缓冲结束，缓冲式抗拉单元120变成具有极大抗拉能力的一根刚性抗拉原件，确保其保护的电缆缆芯100不受机械外力损伤，实现缓冲和防护的效果；此外，缓冲式抗拉单元还能减小电缆外层的磁通量，从而减小电缆电力传输过程中的电磁转换损耗和发热。

通信监控单元130包括内部的通信监控光纤束131和外部的套管132，有效的监测电缆的通信强度、温度高低以及是否遭受到机械性损伤。

油管单元140采用第一不锈钢内管141与第一塑料外管142的复合结构；所述水管单元150采用第二不锈钢内管151与第二塑料外管152的复合结构，因此绝缘性能极为优良，能承受很高的工作电场强度，具有很低的介质损耗、良好的散热性。

如图2所示，本实施例的海床直埋段的防护层200包括纤维绳缠绕层210，所述纤维绳缠绕层210浸渍沥青，先缠绕后浸渍沥青，方便制作。

如图4所示，本实施例的海岸悬挂段的防护层200包括纤维绳缠绕层210和抗疲劳弯曲层220。如图5所示，抗疲劳弯曲层220采用不锈钢带联锁铠装结构，且位于所述缆芯100与所述纤维绳缠绕层210之间，在缠绕了纤维绳之后，浸渍沥青，沥青能将缠绕绳和里面的铠装层一起浸渍，起到结构固定和防腐的效果。由于考虑海岸悬挂段电缆受潮汐冲击，电缆处于动态弯曲状态，为防止电缆过度弯曲及潮汐夹杂物对电缆的冲击，因此抗疲劳弯曲层220采用不锈钢带联锁铠装结构，起到抗疲劳弯曲和杂物冲击效果。

如图6所示，陆地直埋段的电缆防护层200包括纤维绳缠绕层210和抗机械损伤层230，所述抗机械损伤层230采用不锈钢带，且位于所述缆芯100与所述纤维绳缠绕层210之间，有效提高了电缆抗岛屿山石的机械损伤能力。与悬挂段不同的是，在此的抗机械损伤层230采用平钢带铠装，不需要联锁结构。

如图7和图8所示，由于考虑海岸悬挂段电缆受潮汐冲击，电缆处于动态弯曲状态，为防止电缆过度弯曲及潮汐夹杂物对电缆的冲击，因此采用了在海岸悬挂段与所述陆地直埋段连接处设置了张力座300结构，实现了电缆中间段牵引力固定的作用。所述张力座300设置于所述海岸悬挂段与所述陆地直埋段连接处，在采用张力做300连接处，将海岸悬挂段的防护层200剥去一截。

如图7，张力座分为可开合的上座310和底座320，这种开合可以是全开合也可以是半开合的哈弗式结构。在本实施例中采用半开的哈弗式结构，也即上座310和底座320一侧铰接，另一侧面通过固定件360进行固定，固定件360可以是紧固螺栓或者其他能够起到固定作用的物件。上座310和底座320各有两处互相对应的哈弗分切面350，每个哈弗分切面350设置有两个固定件360将上座310和底座320互相固定住，这个结构可以打开后从电缆中间位置安装在电缆外围，不仅实现了电缆中间段牵引力固定，而且结合前述的电缆缆芯为整根结构的特点，使得中间无连接接头，保持了电缆的整体性，提高了电缆的整体电气安全性能；所述上座310和底座320上对应地设置一个半圆缺口，闭合后形成主穿线通道330，可让缆芯100除缓冲式抗拉单元120至外的包括三根绝缘线芯110、两个通信监控单元130、两个油管单元140和两个水管单元150的部分穿过；所述上座310的半圆缺口上方设置有一个与所述缓冲式抗拉单元120对应的抗拉单元穿线通道340，底座320的两处哈弗分切面350下方各设置有一个所述缓冲式抗拉单元120对应的抗拉单元穿线通道340，位置与缓冲式抗拉单元120在缆芯100中的设置位置对应；如图8所示，所述缓冲式抗拉单元120中钢丝层123的交叉缠绕钢丝穿过抗拉单元穿线通道340中的钢丝穿线孔342，通过烧焊形成钢丝张力座焊点400固定在张力座300上，而碳纤维复合芯121则直接穿过抗拉单元穿线通道340中的碳纤维复合芯穿线孔341，由于为了防止缓冲式抗拉单元120因小角度弯曲造成应力集中容易断裂，因此抗拉单元穿线通道340中的钢丝穿线孔342、碳纤维复合芯线穿孔341与电缆形成锥度，与电缆缓冲式抗拉单元120从电缆中分离散开的角度吻合，从而实现在起到张力缓冲过程中，碳纤维复合芯121在张力座300的碳纤维复合芯线穿孔341内位移自如，有效的实现了电缆张力缓冲的目的。如图7所示，上座310沿朝向底座320的方向截面积逐渐增加，底座320的截面积不小于上座310的截面积，这样能够使得张力座300更稳固。而为了进一步提升其稳定性，还在底座320左右两端底部设置了一对加强支座370，加强支座370从上往下逐渐向外倾斜，这样的斜面的稳定性能更好。

一种制造所述的海岛电力电缆的工艺，包括以下步骤：

测量海床直埋段、陆地直埋段和海岸悬挂段所需长度，如图1所示分别为a、b、c；

制造缆芯100；

按照测量的长度，在所述陆地直埋段的缆芯100外设置抗机械损伤层230和、在海岸悬挂段的缆芯100外设置抗疲劳弯曲层220，然后在设有抗机械损伤层230的陆地直埋段、设有抗疲劳弯曲层220的海岸悬挂段以及海床直埋段的缆芯100外部一起在外面缠绕纤维绳，形成纤维绳缠绕层210，随后浸渍沥青；

敷设时，按照前述方式，设置张力座即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。