耐低溫船用光電復(fù)合纜的技術(shù)性能和設(shè)計(jì)

耐低溫船用光電復(fù)合纜的技術(shù)性能和設(shè)計(jì)

盧軍軍

(中天科技裝備電纜有限公司，江蘇 南通 226010)

摘要：針對(duì)光纜應(yīng)用到船舶通信系統(tǒng)中占用空間大，二次敷設(shè)增加工作量等問題，研制出光電復(fù)合纜，為解決此問題提供了一個(gè)比較理想的方案。重點(diǎn)介紹了船用光纖復(fù)合低壓電纜的低煙/無鹵、耐低溫、阻燃及耐火等主要技術(shù)性能，同時(shí)以規(guī)格型號(hào)為0.6/1 kV FPBUCU 2G 62.5/125 3.1B200+0.8F600+2×2.5的電纜為例，敘述了船用光纖復(fù)合低壓電纜的設(shè)計(jì)及工藝流程。

關(guān)鍵詞：船用電纜；通信光纜；光纖復(fù)合低壓電纜；產(chǎn)品研發(fā)

0引言

目前，由于光纜傳輸型號(hào)穩(wěn)定、不受電磁信號(hào)干擾、重量輕等特點(diǎn)，越來越多的船舶通信系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸。但是光纜也有著其自身的缺點(diǎn)，比如兩端需要信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備、光纜自身比較脆弱、容易斷裂等，所以目前使用光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)通常會(huì)輔助1根應(yīng)急電纜，主要是為應(yīng)急信號(hào)傳輸或給兩端信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備供電而準(zhǔn)備。這樣的設(shè)計(jì)占用了系統(tǒng)的空間，同時(shí)由于2次布線也增加了光纜和電纜敷設(shè)的工作量，減小了船舶的載貨空間，降低了船舶的經(jīng)濟(jì)性能。如果能將光纜單元與電纜單元設(shè)計(jì)在同1根電纜中，可使得電纜既具備很好的傳輸性能，又能夠在特殊的情況下進(jìn)行應(yīng)急信號(hào)傳輸或進(jìn)行設(shè)備供電。

本文研究的船用光纖復(fù)合低壓電纜外徑小、重量輕、占用空間小；具有高可靠性數(shù)據(jù)傳輸、價(jià)格低、連接方便，良好的彎曲和耐側(cè)壓性能等特點(diǎn)，光纜和電力線于一體，可避免二次布線，降低工程費(fèi)用。光纖復(fù)合電力電纜在未來船舶智能化、辦公自動(dòng)化，以及通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。

1船用光纖復(fù)合低壓電纜的介紹

船用光纖復(fù)合低壓電纜主要應(yīng)用于船舶與海洋工程中， 集光纖、輸電銅線、銅信號(hào)線于一體，可以解決寬帶接入、設(shè)備用電、應(yīng)急信號(hào)傳輸?shù)葐栴}的復(fù)合型電纜。

由于此類電纜是運(yùn)用于船舶與海洋工程項(xiàng)目中的特種電纜，因此具有成束阻燃/耐火、低煙無鹵無毒、耐紫外線以及高機(jī)械強(qiáng)度等技術(shù)特點(diǎn)。目前該類產(chǎn)品國內(nèi)外并沒有可以參考的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等文件，在設(shè)計(jì)過程中主要依據(jù)船用低壓電力電纜的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60032-353：2014，并結(jié)合我國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1258：2003進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型。

2船用光纖復(fù)合低壓電纜的主要技術(shù)性能

2.1　阻燃特性

為了保證電纜在火災(zāi)條件下，不因電纜的存在而導(dǎo)致火災(zāi)蔓延，從而保證在火災(zāi)條件下相關(guān)單元的安全，船用光纖復(fù)合低壓電纜需要具備一定的阻燃性能，成品電纜需要通過IEC 60332-3-22：2000規(guī)定的A類成束阻燃試驗(yàn)。

2.2　耐火特性

船用光纖復(fù)合低壓電纜必須通過IEC 60331-1/2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)。在火焰條件下耐火電纜可在一定時(shí)間內(nèi)保持電纜線路的完整性，即在火災(zāi)發(fā)生時(shí)仍能保持供電，為消防救火和人員逃生提供保障。

2.3　低煙和無鹵特性

為了避免火災(zāi)中電纜產(chǎn)生的毒性氣體危害人體健康，電纜需要滿足IEC 60754-1：2011規(guī)定的電纜中的鹵素含量要求和IEC 60754-2:2011規(guī)定的電纜燃燒時(shí)產(chǎn)生氣體的酸性程度。具體要求詳見表1。同時(shí)為了保證在火災(zāi)狀況中人員的安全撤離，避免由于電纜燃燒產(chǎn)生的煙霧而導(dǎo)致人員窒息等狀況，船用光纖復(fù)合低壓電纜需要滿足IEC 61034-1和IEC 61034-2規(guī)定的電纜在燃燒時(shí)的煙霧散發(fā)量。具體要求詳見表1。

表1　船用光纖復(fù)合低壓電纜低煙無鹵特性指標(biāo)值

2.4　耐低溫特性

有些船舶航行于特別寒冷的地區(qū)(如北極圈附近)。為了保證電纜在這種特殊的自然條件下仍然能夠具備正常的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)使用性能，需要通過UL/2556:2007規(guī)定的-40 ℃的低溫彎曲和-35 ℃的低溫沖擊試驗(yàn)。

2.5　優(yōu)良的彎曲性能

由于船舶空間有限，因此留給電纜的敷設(shè)空間較小。為了方便敷設(shè)，節(jié)省敷設(shè)的空間和時(shí)間，在船用光纖復(fù)合低壓電纜的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用符合IEC 60228:2004標(biāo)準(zhǔn)，柔軟度和彎曲性能比較優(yōu)越的5類鍍錫導(dǎo)體，不但易于實(shí)際敷設(shè)過程中的施工，同時(shí)也節(jié)省了電纜敷設(shè)的時(shí)間和成本，提高了船舶整體的經(jīng)濟(jì)效益。

2.6　較高的機(jī)械強(qiáng)度

為了保證電纜使用的安全性和牢固性，船用光纖復(fù)合低壓電纜對(duì)護(hù)套的機(jī)械物理性能有著較高的要求，護(hù)套材料的部分力學(xué)性能見表2。

表2　船用光纖復(fù)合低壓電纜護(hù)套材料的機(jī)械性能

2.7　耐油特性

為了使得電纜能夠適應(yīng)有油污環(huán)境的安裝和使用，船用光纖復(fù)合低壓電纜的護(hù)套材料具有較好的耐油性能，能夠符合IEC 60032-360：2014對(duì)耐油性能的要求，護(hù)套類型為SHF2。

具體耐油性能指標(biāo)見表3。

3典型船用光纖復(fù)合低壓電纜的設(shè)計(jì)

3.1　產(chǎn)品描述

產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)：0.6/1 kV FPBUCU 2G 62.5/125 3.1B200+0.8F600+2×2.5。

該型號(hào)電纜包括2根(62.5/125) μm多模光纖，同時(shí)該電纜包括2根規(guī)格為2.5 mm2的電力單元，以保證所連接設(shè)備的電力供應(yīng)。產(chǎn)品適用于敷設(shè)安裝在封閉或者是露天空間之中，適用于船舶通信的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

表3　船用光纖復(fù)合低壓電纜耐油性能技術(shù)指標(biāo)

3.2　產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

3.2.1電單元描述

導(dǎo)體電阻：符合IEC 60228:2004中5類導(dǎo)體對(duì)2.5 mm2的電阻要求。

絕緣：絕緣電阻常數(shù)不小于3 670 MΩ.km。

3.2.2光單元描述

纖維類型：多模光纖(62.5/125) μm；

850 nm時(shí)的衰減：≤3.1 dB/km；

1 300 nm時(shí)的衰減：≤0.8 dB/km；

850 nm時(shí)的帶寬：≤200 MHz·km；

1 300 nm時(shí)的帶寬：≤600 MHz·km。

3.2.3耐火性能

耐火性能通過IEC 60331-1/2規(guī)定的試驗(yàn)。

3.2.4阻燃性能

阻燃性能通過IEC 60332-3-22:2000規(guī)定的A類成束阻燃試驗(yàn)。

3.2.5低煙無鹵性能

低煙無鹵性能符合表1要求值。

3.2.6耐低溫性能

耐低溫性能通過UL/2556:2007規(guī)定的-40 ℃的低溫彎曲和-35 ℃的低溫沖擊試驗(yàn)。

3.2.7耐油性能

耐油性能符合IEC 60032-360：2014中對(duì)SHF2材料耐油性能的要求。

3.2.8結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)構(gòu)尺寸符合IEC 60092-350和IEC 60092-353規(guī)定的尺寸要求。

3.3　產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.光纖　2.云母帶　3.光單元外部護(hù)層HF90　4.無鹵隔氧帶

3.4　產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選材

(1)光單元外部護(hù)層HF90選擇符合IEC 60092-360:2014的90 ℃聚烯烴絕緣料，在保護(hù)光單元的同時(shí)也起到與電單元隔離的效果。

(2)電單元導(dǎo)體采用符合IEC 60228:2004的5類鍍錫銅導(dǎo)體，以方便電纜的敷設(shè)和彎曲。

(3)電單元的絕緣采用符合IEC 60092-360:2014的90 ℃XLPE絕緣料，該材料具有較好的電氣絕緣性能，能夠滿足絕緣電阻常數(shù)大于3 670 MΩ.km的設(shè)計(jì)要求。

(4)內(nèi)外護(hù)套材料采用90 ℃阻燃耐低溫低煙無鹵交聯(lián)聚烯烴護(hù)套料。

(5)填充材料為符合IEC 60092-360的SHF1材料擠制而成，以確保成品電纜的低煙無鹵性能。

(6)銅絲編織層和鋼絲編織層起到一定的屏蔽效果，同時(shí)也增強(qiáng)了電纜整體的機(jī)械強(qiáng)度，起到保護(hù)電纜纜芯的作用。

3.5　產(chǎn)品的主要工藝流程

根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，為保證電纜的技術(shù)性能，最終設(shè)計(jì)的電纜的生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2　電纜生產(chǎn)工藝流程

4設(shè)計(jì)驗(yàn)證

按照以上設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)、選材并制樣試驗(yàn)，

試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

電纜的電單元在進(jìn)行3.5 kV、5 min交流耐壓試驗(yàn)后，未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象；對(duì)電單元進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，2根電單元絕緣電阻常數(shù)均超過10 000 MΩ.km，符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過試驗(yàn)，電纜中的光單元在850 nm時(shí)的衰減為0.03 dB/km，1 300 nm時(shí)的衰減為0.007 dB/km，光纜的傳輸性能滿足設(shè)計(jì)要求。

電纜整體燃燒后的透光率為75%，電纜各單元未檢測(cè)出氟元素，鹵素含量小于5‰的要求值，燃燒產(chǎn)生氣體的pH值為6.4，燃燒產(chǎn)生酸性氣體的導(dǎo)電率為2.3 us/mm，說明電纜是低煙無鹵環(huán)保的。

電纜通過成束燃燒A類試驗(yàn)，電纜在90 min、830 ℃的火焰加沖擊的條件下電單元仍然能夠持續(xù)供電，說明電纜具備很好的阻燃和耐火性能，可以滿足通信系統(tǒng)的應(yīng)急信號(hào)傳輸和供電要求。

電纜在經(jīng)過-35 ℃低溫沖擊和-40 ℃低溫彎曲試驗(yàn)后，電纜絕緣與護(hù)套未見明顯裂紋，光單元信號(hào)傳輸未出現(xiàn)衰減，說明電纜可以滿足船舶在極端低溫條件下的使用要求。

電纜的護(hù)套材料在經(jīng)過902號(hào)油和903號(hào)油在100 ℃、168 h的老化后，強(qiáng)度和斷裂伸長率的變化率均小于10%，說明電纜具備很好的耐油性能，能夠承受有油污環(huán)境下的敷設(shè)和使用。

5結(jié)語

經(jīng)過對(duì)制樣試驗(yàn)的分析總結(jié)，該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)輸入要求，電纜具備優(yōu)良的成束阻燃、耐火、耐低溫、耐油以及低煙無鹵性能。經(jīng)某重吊船通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用證明，該電纜可以縮短電纜敷設(shè)的時(shí)間，同時(shí)節(jié)省出約20%的電纜空間用于其他設(shè)備的布置，信號(hào)傳輸清晰可靠，未受周圍電磁型號(hào)干擾。實(shí)踐證明，船用光纖復(fù)合低壓電纜可廣泛應(yīng)用于船舶智能系統(tǒng)、船舶通信傳輸系統(tǒng)和船舶自動(dòng)化系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TN818

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：盧軍軍(1988—)，男，工程師，研究方向?yàn)榇凹昂Ｑ筱@井平臺(tái)用電線電纜。

收稿日期：2014-06-09