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1、第六章 海底电缆设计共 22 页1第四篇 海上油气田开发工程仪电讯系统设计第六章 海底电缆的设计第一节 概述第二节 海底电缆技术规格书的编制第三节 海底电缆的选型计算第四节 不同设计阶段对海底电缆设计的要求和内容第六章 海底电缆设计共 22 页2第六章 海底电缆的设计第一节 概述一个独立的海上油气田通常是由若干个海上结构物（井口平台或浮式储油装置）组成。在这个海上油气田中，一般只在中心平台（或浮式储油船）上设置一个主电站，然后通过海底电缆将主电站的电能分别输送到各个井口平台上。海底电缆将这个海上油气田的电力系统连接成一个完整的有机体，它便于整个油气田电力资源的统一管理，分配和控制。另外，海底复
2、合电缆中的光纤或控制线，可以将各个井口平台的设备和各个系统的运行状态传送到中心平台（或浮式储油船）上的中央控制系统，由中央控制系统集中监测，操作，控制和管理。根据海上油气各井口平台用电量的大小以及输送距离的长短，海底电缆的电压等级，电缆的截面积是不同的。为了确保海上油气田各井口平台的正常生产和生活，海底电缆的设计和选型是海上油气田开发工程设施电力系统设计的重要工作之一。这章将主要介绍海底电缆的结构形式，海底电缆技术规格书和数据表的编制，动力电缆选型计算的方法，海底电缆安装和连接附件的基本用途的介绍，以及海底电缆在安装和敷设过程中需要注意的一些事项。第二节 海底电缆技术规格书的编制一. 海底电缆
3、规格书编制的目的和主要内容海底电缆的技术规格书是：海底电缆设计，制造，安装，试验和选型的基本依据。海底电缆规格书的编制和海上油气田开发工程设施电力系统设计中的其它的电气设备规格书的编制方法基本上是一样的，都是在以往海上油气田开发工程项目的设计中使用过的技术规格书的基础上进行编制，修改和完善。这本规格书编制的主要目的是：工程项目的业主对工程设计和制造的总承包商对海底电缆设计，制造，安装，检查和调试而制定的最基本的技术要求。另外，这本规格书将对安装和敷设在这个油田的海底电缆的位置，地质情况和海底电缆的附件等进行全面的介绍和说明。这本技术规格书将作为海底电缆招标文件的一部分，海底电缆的投标商将根据这
4、本技术规格书对个整个油田的海底电缆的供货范围，技术性能的要求和指标有充分的了解和认识。海底电缆规格书的主要内容应包括：1. 海底电缆规格书编制的目的和安装油田的名称，海域和国家的名称和海底电缆两端连接的海上结构物名称等方面内容的描述；2. 海底电缆的设计应遵循国际，国内和行业的标准与规范的编号，名称和出版（或修改）物的年份；第六章 海底电缆设计共 22 页33. 海底电缆设计时，需要参考与本项目有关的电气专业和其它有关专业的技术规格书的编号和名称；4. 海底电缆设计的范围及要求（其中包括：海底电缆及其附件，环境条件，安装方式和地质条件等）；5. 海底电缆的结构和性能设计的基本要求；6. 海底电
5、缆及其附件的设计和制造要求；7. 海底电缆及其附件的敷设和安装要求；8. 对海底电缆生产厂家在投标文件中应提供的技术数据和文件的要求；9. 海底电缆常规试验和出厂试验的基本要求。二. 设计标准在进行海底电缆设计时，需要遵循的标准和规范是：1. 国际标准IEC60228 绝缘电缆的导体（Conductors of Insulated Cable 1983）IEC60502 额定电压从 1 kV 到 30 kV 使用挤压绝缘的动力电缆和附件（ Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages
6、 from 1 kV up to 30 kV 1997.）IEC60840 额定电压大于 30 kV 使用挤压绝缘的动力电缆和附件（ Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV 1997.）IEC60287 电缆额定电流的计算（Electrical cables Calculation of the current rating. 1982）IEC60092-3 第 3 部分船用电气设备：电缆（结构，试验及安装）（Electrical Installatio
7、ns in ships part 3: Cables (construction, testing and installations). 1980.）IEC60529 电气设备外壳的防护等级（Classification of degrees of protection provided by enclosure. 1989.）2. 生产厂家所在国的国家标准；3. 生产厂家的厂家标准。在进行海底电缆的设计，选型和技术评标时，发现规格书和上面提高的标准和规范相矛盾时，应遵循的顺序是：首先应满足技术规格书的要求，然后是上面提到的规范和标准。三. 环境条件和地质情况1. 环境条件在海底电缆的技术规
8、格书中应注明选用的海底电缆所适用的环境条件，其中应该包括第六章 海底电缆设计共 22 页4以下内容：1) 室外环境温度： 最低温度：XX 0C； 最高温度：XX 0C。2) 海床温度： 最低温度：XX 0C； 最高温度：XX 0C。3) 海面温度： 最低温度：XX 0C； 最高温度：XX 0C。4) “J”型管的温度： 温度范围：XX 0C 至 XX 0C（从最低温度到最高温度）。5) 导体的设计温度： 最高温度：XX 0C（一般选择 900C）。2. 海底电缆敷设路线，地点，连接方式和海底的地质情况规格书中应对海底电缆的敷设路线，地点和海底的地质状况等方面的内容进行介绍。在进行海底电缆的敷设
9、路线和地点的描述时，应写明海底电缆的根数和敷设的路线，比如：从 XX 平台至 XX 平台；海底电缆的埋设方式，比如：是采用挖沟埋设，还是直接铺设在海底；以及海底电缆在海上结构物的连接方式，比如：接线盒或其它方式等。另外，还应该对整个油田的海床情况进行详细的描述，比如：是否有海底沉积物，海底沉积物的厚度，海床表面是否平整和有没有岩石，或其它特殊的地质构造等。规格书中还应该说明海底电缆两端的接线方式，比如：动力电缆的接线盒和光纤电缆的分线盒等。还有海底电缆从海底敷设至平台导管架帽的固定方式，比如：采用穿过固定在导管架腿上的“J”型管，或直接将海底电缆固定在导管架的桩腿上。3. 海底电缆的技术要求和
10、结构设计1) 一般技术要求(1) 电力系统的接地方式，比如：中性点不接地系统，中性点经高/低电阻接地系统或中性点直接接地系统等。(2) 海底电缆绝缘厚度的最低要求。(3) 海底电缆应采用的绝缘方式，比如：乙丙橡胶（EPR）或交联聚乙烯（XLPE ）等。(4) 海底电缆导体能够承受的最高温度的定义，比如：在正常运行时，海底电缆导体所承受的最高温度不会超过 900C；应急状态时，海底电缆的导体所承受的最高温度不会超过 1300C；发生短路故障时，海底电缆的导体所承受的最高温度不会超过 2500C 等。第六章 海底电缆设计共 22 页5(5) 如果海底电缆是带有控制电缆和光纤电缆的复合电缆的话，规格
11、书中应该对这方面的内容有详细的说明，并分别对控制电缆和光纤电缆的技术要求进行详细的介绍。对控制电缆的技术要求应包括：a) 控制电缆导体的截面积和芯数。b) 控制电缆的绝缘材料的要求，比如：乙丙橡胶（EPR）或聚乙烯（PE）的绝缘。c) 绝缘材料的厚度要求，比如：绝缘材料厚度的平均值（一般为 1.1mm）和最低厚度的要求（一般不低于 1.0mm）。d) 多芯控制电缆内的芯线应该便于识别和区分，识别的方法可以采用不同的颜色或用不同的数字编号予以区分。e) 多芯控制电缆的组合绝缘的外边应有 PE 护套。f) 在 PE 护套的外边应有完整的，无接缝的，厚度为 0.1mm 的镀锡铜铠装。g) 控制电缆每
12、 100 米内，导体与导体之间的并联电容不能超过 0.233 微法（F）。对光纤电缆的技术要求应包括：a) 注明光纤电缆的结构（单模或多模）。b) 注明光纤电缆的纤芯数。c) 注明光纤电缆的纤芯的直径（微米）和纤芯外层的直径（微米）。d) 注明光纤电缆的最大衰减率和折射率。e) 光纤电缆结构的几何参数和颜色的涂层应满足标准 ITU-Trec.G652 的要求。f) 光纤电缆所有技术参数的试验和报告都应该满足标准 ITU-Trec.G650 的要求。g) 光纤电缆嵌入复合海底动力电缆的方式（集中或分散）。h) 为防止光纤电缆的断裂，在敷设和使用过程中，复合海底电缆的动力电缆的弯曲半径必须满足光纤
13、电缆的的要求。(6) 海底电缆的具体长度，电压和电流等技术参数应参考海底电缆的数据表，并在规格书中注明数据表的编号和名称。(7) 海底电缆的结构设计可以采用“干式”的方法进行。为了防止海水呈“树枝状”渗入或接触到海底电缆的绝缘，海底电缆也可以采用“湿式”的方法进行设计。(8) 每条单一线路的海底电缆应该是一根有完整长度的电缆，中间不应该有接头。海底电缆的外部表面每 100 米的地方应有红颜色的标志带，每 1000 米的地方使用蓝色的标志带。2) 海底电缆动力电缆的结构要求图 4.6.2.1 是典型的“干式”设计的海底电缆的剖面图。第六章 海底电缆设计共 22 页6（插入图 4.6.2.1）图
14、4.6.2.1 海底电缆的剖面图图中：1-铜导体（导体的空隙中含有防水密封元件），2-半导体屏蔽，3-绝缘层（XLPE 或 EPR），4-绝缘屏蔽层，5-半导体防水层（带），6-金属铠装层，7-半导体防水层，8-塑料金属（铜，铅或铝）护套，8-PE（或 MDPE）护套， 10-填料，11-包覆层，12-缓冲层（一层 PPL 绕包绳），13-铠装，14-外护层，15-光纤电缆。海底电缆的“湿式”设计，制造和使用已有二十多年的经验了，使用寿命可长达二十五年。它与“干式”设计和制造的电缆的根本区别在于没有防水层（其中包括：导体，半导体和金属护套的防水层）。一般情况下，采用“湿式”设计和制造的电缆的重
15、量比 “干式”设计电缆的重量轻，价格也相对比较便宜。见图 4.6.2.1。海底电缆的结构设计和选用的材料至少满足以下要求。(1) 导体（Conductor）a) 动力电缆的导体必须是经过推火的，无涂层的铜导体；形状是圆形（或半圆形，或其它形状）。动力电缆的导体必须满足 IEC 60228 的要求。b) 在动力电缆的导体完整长度方向的胶线的空隙中应有半导体密封材料制成的防水层。(2) 导体屏蔽层（Conductor Screen）导体屏蔽层是在铜导体的表面，用半导体的交联聚乙烯（XLPE），乙丙（EP）或乙丙橡胶（EPR）等材料挤压而成。(3) 绝缘（Insulation ）a) 导体的绝缘应选
16、用满足 IEC 60502（适用于电压小于 30kV 的电缆）或 IEC 60840（适用于电压大于 30kV 的大于）标准的干式交联聚乙烯或乙丙橡胶的材料制成。b) 导体的绝缘平均厚度和最小厚度不能小于 IEC 60502（适用于电压小于30kV 的电缆）或 IEC 60840（适用于电压大于 30kV 的电缆）标准的 100%和（90%-0.1mm）。(4) 绝缘屏蔽层（Insulation Screen）电力负荷的大小和绝缘材料对局部放电的敏感程度是不一样的，电缆绝缘屏蔽层对电缆的安全运行起着至关重要的作用，它的主要功能是：a) 使电场分布均匀；b) 控制电位和限制电场；c) 避免绝缘层表面产生局部放电；d) 传导泻漏电流和充电电流；第六章 海底电缆设计共 22 页7海底电缆绝缘材料和制做工艺的要求是：a) 绝缘屏蔽层通常选用的是：半导体的交联聚乙烯（XLPE），乙丙（EP）或乙丙橡胶（EPR ）等材料。b) 绝缘屏蔽层是用三层导体屏蔽绝缘和一层绝缘屏蔽采用干式的方法挤压而成。(5)
