海底電纜專(zhuān)利技術(shù)綜述

鄭玲玲 隗仁然

海底電纜專(zhuān)利技術(shù)綜述

鄭玲玲 隗仁然

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450046）

隨著對(duì)海底電纜需求量的增大以及輸電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)海底電纜的生產(chǎn)和制造提出了新的要求，本文對(duì)海底電纜的發(fā)展?fàn)顩r及該領(lǐng)域的專(zhuān)利狀況和重要申請(qǐng)人進(jìn)行了梳理，深入探討了海底電纜的相關(guān)技術(shù)和發(fā)展方向。

電纜；海底；專(zhuān)利

Abstract:Considering the increasing demand of submarine cable and the development of electric power transmission techniques,new requirements are put forward for the development of submarine cable.This paper introduces the pat?ent and important applicants in this area.Furthermore，the relevant technology and development direction of subma?rine cable are discussed in depth.

Key word:Cable;submarine;patent

1 引言

海底電纜(undersea cable)是用絕緣材料包裹的電纜，鋪設(shè)在海底，至今已有超過(guò)百年的發(fā)展歷史。最初的海底電纜用于向近海的燈塔等設(shè)備供電，隨著人類(lèi)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)，海底電纜逐漸應(yīng)用于遠(yuǎn)距離島嶼之間或者島嶼與大陸之間、海上風(fēng)場(chǎng)與陸地之間、海上石油鉆井平臺(tái)之間的電力傳輸以及通信連接。雖然在一般情況下用海底電纜傳輸電性能比同樣長(zhǎng)度的架空電纜昂貴，但相較于小而孤立的發(fā)電站作地區(qū)性發(fā)電，用海底電纜傳輸往往更經(jīng)濟(jì)，尤其在近海地區(qū)的好處更加明顯。

2 海底電纜發(fā)展概況

海底電纜分海底通信電纜和海底電力電纜。海底通信電纜主要用于通訊業(yè)務(wù)，費(fèi)用昂貴，但保密程度高。海底電力電纜主要用于水下傳輸大功率電能，與地下電力電纜的作用等同，只不過(guò)應(yīng)用的場(chǎng)合和敷設(shè)的方式不同。

按照絕緣類(lèi)型，海底電纜主要有浸漬紙絕緣電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜、聚乙烯絕緣電纜、乙丙絕緣、充油式電纜及充氣電纜。

2.1 浸漬紙絕緣電纜

浸漬紙絕緣電纜絕緣層采用油浸紙，絕緣層是以一定寬度的電纜紙螺旋繞包于導(dǎo)電線芯上，經(jīng)真空干燥處理后用浸漬劑浸漬而成。分為粘性油浸漬紙絕緣電纜和不滴流油浸紙電纜，分別用于不大于45kV和500kV的直流回路，僅限于安裝水深不大于500m的水域。油浸紙絕緣電纜的典型結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外依次包括導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、半導(dǎo)電屏蔽層、鉛護(hù)套、鉛護(hù)套金屬加強(qiáng)層、聚乙烯護(hù)套、聚丙烯塑料絲襯墊、鋼絲鎧裝等。

2.2 擠壓式絕緣電纜

擠壓式絕緣電纜是指電纜絕緣層采用擠壓工藝形成，常用的海底擠壓式絕緣電纜有交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜、聚乙烯（PE）絕緣電纜和乙丙橡膠（EPR）絕緣電纜。

交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜多用于220kV及以下電壓等級(jí)直流和交流輸送。由于交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜沒(méi)有鉛護(hù)套，更加柔軟，彎曲半徑小，質(zhì)量輕，因此能夠生產(chǎn)出較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，且易于安裝敷設(shè)和運(yùn)輸。此外，交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜具有良好的電氣性能和機(jī)械性能。為了使電纜具有更高的強(qiáng)度和耐局部電壓擊穿性能，通常在交聯(lián)聚乙烯絕緣材料中添加助劑，以適應(yīng)深海等惡劣環(huán)境。乙丙橡膠海底電纜和聚乙烯絕緣海底電纜與交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜相比，介損正切值和介電常數(shù)都較大，一般用于中壓等級(jí)的海底電纜。

2.3 充油式電纜

充油電纜是在電纜中充入帶油壓的低粘度絕緣油，采用此結(jié)構(gòu)，一方面可以迅速消除由于負(fù)荷變化引起的絕緣熱脹冷縮造成氣隙，另一方面可以平衡海水的壓力避免鎧裝受到損害。更進(jìn)一步地，當(dāng)電纜遭受外力破壞局部皮損后，少量油漏出時(shí)不必馬上停電檢修，可適當(dāng)延長(zhǎng)故障檢測(cè)和修復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性。

充油電纜適用于超高壓、大容量的海底電纜，其基本結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)線、絕緣層、絕緣層內(nèi)外的半導(dǎo)電屏蔽層、鉛合金護(hù)套、加強(qiáng)層、聚乙烯套管、防蟲(chóng)蛀護(hù)層、聚丙烯塑料絲襯墊、鋼絲鎧裝層等。由于充油電纜同樣需要鉛護(hù)套，因此電纜重量大，其運(yùn)輸、施工過(guò)程中需要耗費(fèi)的人力較大。

2.4 充氣式電纜

充氣式電纜與充油電纜結(jié)構(gòu)類(lèi)似，使用預(yù)先浸漬好的紙帶做絕緣，再充入帶壓力的氮?dú)?，使氣體充滿紙帶間隙，提高電纜的擊穿電壓。充氣式海底電纜可用于直流輸電，但由于其需要在深水下使用高氣壓操作，故增加了設(shè)計(jì)難度。

我國(guó)具有高壓充油式海底電纜生產(chǎn)能力的廠商較少，而且由于近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)于充油式海底電纜的需求較少，充油電纜的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)。我國(guó)高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜的研發(fā)和生產(chǎn)仍處于初級(jí)的起步階段，近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目的興起和發(fā)展，國(guó)內(nèi)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)自2012年起,先后有±160 kV、±200 kV及±320 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣的高壓直流電纜投入了柔性直流輸電工程應(yīng)用或進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)，使中國(guó)的擠出絕緣高壓直流電纜在電壓等級(jí)上實(shí)現(xiàn)了三級(jí)跳式的跨越。

國(guó)際上充油式海底電纜的電壓等級(jí)已經(jīng)達(dá)到直流500kV、交流800kV，技術(shù)相對(duì)成熟。由于對(duì)載流量的需求提高，相應(yīng)地需要更大截面的導(dǎo)體，隨著導(dǎo)體根數(shù)的增加以及導(dǎo)電單絲直徑的增大，導(dǎo)致導(dǎo)體之間的間隙變大，大截面的海底電纜在導(dǎo)體縱向阻水性能上難以達(dá)到理想效果。因此，對(duì)于大截面的海底電纜，逐漸采用異形導(dǎo)體層絞的方式來(lái)間隙導(dǎo)體間隙，增強(qiáng)縱向阻水性能。另外，由于導(dǎo)體接觸面積增大，接觸電阻減小，在相同截面的情況下，導(dǎo)體損耗小，發(fā)熱少，更有利于海底電纜的運(yùn)行。

隨著世界沿海國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)和近海島嶼工業(yè)和旅游業(yè)的快速發(fā)展，以及海上風(fēng)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，大長(zhǎng)度、大截面高壓海底電纜對(duì)海底電纜的研發(fā)生產(chǎn)提出了新的挑戰(zhàn)，其中涉及的防水阻水問(wèn)題、軟接頭技術(shù)、金屬護(hù)套及鎧裝層的防腐蝕、海底電纜的監(jiān)控及安全預(yù)警。伴隨著光纖復(fù)合海底電纜的發(fā)展，利用分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)５纂娎|進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控、應(yīng)變測(cè)量、故障報(bào)警、故障定位，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜安全的效果。

3 有關(guān)海底電纜的專(zhuān)利分析

江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司占海洋電纜專(zhuān)利申請(qǐng)量第一位，截止到2017年5月份，該公司關(guān)于海底電纜的申請(qǐng)量為70件，涉及對(duì)電纜結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及海底電纜用保護(hù)層材料的改進(jìn)。下面對(duì)江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司在我國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利脈絡(luò)進(jìn)行梳理和分析。

專(zhuān)利CN102347107B在纜線的外周擠包有低煙無(wú)鹵內(nèi)襯層，低煙無(wú)鹵內(nèi)襯層的外周繞包有非吸濕性隔離帶，非吸濕性隔離帶的外周包覆有金屬鎧裝層，金屬鎧裝層的外周設(shè)有縱包聚酯薄膜帶，縱包聚酯薄膜帶的外周擠包有低煙無(wú)鹵外護(hù)套，低煙無(wú)鹵內(nèi)襯層及低煙無(wú)鹵外護(hù)套使得電纜具有低煙無(wú)鹵的特性，在低煙無(wú)鹵內(nèi)襯層外繞包非吸濕性隔離帶提高了電纜的拒水性能，縱包聚酯薄膜帶可以提高電纜的抗拉性能，金屬鎧裝層的內(nèi)外設(shè)有包帶可有效避免鎧裝絲端頭刺入內(nèi)襯層，同時(shí)也可避免外護(hù)套材料在擠包時(shí)因?yàn)槿廴跐B入金屬鎧裝層的編織孔而與內(nèi)襯層粘為一體，利于施工時(shí)外護(hù)套的剝離。另外通過(guò)對(duì)乙丙橡膠絕緣層進(jìn)行改性能夠有效提高絕緣層的抗拉強(qiáng)度、絕緣性能和抗老化性能。

專(zhuān)利CN102412011B公開(kāi)的擠包內(nèi)襯層型海工儀表電纜，對(duì)電纜硫化型無(wú)鹵橡膠內(nèi)襯層的原料進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)其組份制成的硫化型無(wú)鹵橡膠內(nèi)襯層，在160°老化試驗(yàn)條件下，其抗張強(qiáng)度最大變化率在±15%以?xún)?nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率最大變化率在±10%以?xún)?nèi)；在250°熱延伸試驗(yàn)條件下，其負(fù)荷時(shí)的最大伸長(zhǎng)率在20%以?xún)?nèi)，可以耐受硫化時(shí)的高溫，不會(huì)發(fā)生與鎧裝層或絕緣層熔融黏接。

專(zhuān)利CN102969071B提供了一種增大載流量的海底電纜，采用外周具有導(dǎo)體層的鍍錫銅螺旋管、炭黑紙導(dǎo)體屏蔽層、充油高壓電纜紙絕緣層、炭黑紙絕緣屏蔽層、鍍鋁鎂合金鋼線、聚丙烯繩間隔浸漬麻繩涂覆瀝青外護(hù)層、涂有瀝青的鎧裝層和無(wú)接縫鉛合金護(hù)套的。該電纜具有更大的載流量、優(yōu)異的防滲水、耐海水腐蝕、耐外部水壓、耐電壓熱沖擊和耐張力彎曲性能，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)行的電壓等級(jí)不斷提高，高壓和超高壓直流輸電技術(shù)日益成熟，專(zhuān)利CN103123825B公開(kāi)了一種用于高壓和超高壓柔性直流輸電的光纖復(fù)合擠出海底電纜，該電纜阻水導(dǎo)體采用純鋁或?qū)Ｓ娩X合金，添加阻水材料；絕緣層采用添加空間電荷抑制劑的超凈料，工作溫度達(dá)90℃；屏蔽層采用超光滑半導(dǎo)電料；金屬套采用皺紋銅套。阻水導(dǎo)體采用純鋁或?qū)Ｓ娩X合金，添加阻水材料；絕緣層采用添加空間電荷抑制劑的超凈料，工作溫度達(dá)90℃；屏蔽層采用超光滑半導(dǎo)電料；金屬套采用皺紋銅套；擠壓內(nèi)護(hù)套外設(shè)有擠塑鋼絲和擠出外護(hù)套。

由此可見(jiàn)，江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司的專(zhuān)利申請(qǐng)覆蓋了海底電纜結(jié)構(gòu)、材料，從電纜的阻水性、防火性能、耐水壓、耐海水腐蝕以及機(jī)械性能、絕緣性能等方面對(duì)海底電纜進(jìn)行改進(jìn)，其涉及范圍較廣，無(wú)論在專(zhuān)利申請(qǐng)量還是專(zhuān)利授權(quán)量上都在逐步提高，這也體現(xiàn)了我國(guó)民族企業(yè)在太陽(yáng)能電池漿料領(lǐng)域的奮起直追，以及對(duì)該領(lǐng)域?qū)＠Ｗo(hù)重視程度的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海底電纜的發(fā)展概況進(jìn)行介紹，以重要申請(qǐng)人江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司的主要分析對(duì)象，梳理了海底電纜的專(zhuān)利發(fā)展脈絡(luò)。能隨著輸電技術(shù)的發(fā)展，核電、光伏、風(fēng)電能新能源項(xiàng)目的成立，海底電纜迎來(lái)的新的發(fā)展機(jī)遇，也面臨著新的挑戰(zhàn)。相信隨著我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)制度的逐步發(fā)展與完善，對(duì)于海底電纜產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新會(huì)起到更大的促進(jìn)作用。

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Analysis on the patent technology of submarine cable

Zheng Lingling Wei Renran
(Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office,SIPO,Zhengzhou 450002,Henan,China)

TM247

A

1003-5168（2017）06-0052-03

2017-04-27

鄭玲玲（1989.5-），女，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：線纜，電連接器；隗仁然（1988.2-），男，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：線纜，電開(kāi)關(guān)（等同于第一作者）。