耐低温船用光电复合缆的技术性能和设计

耐低温船用光电复合缆的技术性能和设计

卢军军

(中天科技装备电缆有限公司，江苏 南通 226010)

摘要：针对光缆应用到船舶通信系统中占用空间大，二次敷设增加工作量等问题，研制出光电复合缆，为解决此问题提供了一个比较理想的方案。重点介绍了船用光纤复合低压电缆的低烟/无卤、耐低温、阻燃及耐火等主要技术性能，同时以规格型号为0.6/1 kV FPBUCU 2G 62.5/125 3.1B200+0.8F600+2×2.5的电缆为例，叙述了船用光纤复合低压电缆的设计及工艺流程。

关键词：船用电缆；通信光缆；光纤复合低压电缆；产品研发

0引言

目前，由于光缆传输型号稳定、不受电磁信号干扰、重量轻等特点，越来越多的船舶通信系统采用光纤进行信号传输。但是光缆也有着其自身的缺点，比如两端需要信号转换设备、光缆自身比较脆弱、容易断裂等，所以目前使用光缆进行信号传输的系统通常会辅助1根应急电缆，主要是为应急信号传输或给两端信号转换设备供电而准备。这样的设计占用了系统的空间，同时由于2次布线也增加了光缆和电缆敷设的工作量，减小了船舶的载货空间，降低了船舶的经济性能。如果能将光缆单元与电缆单元设计在同1根电缆中，可使得电缆既具备很好的传输性能，又能够在特殊的情况下进行应急信号传输或进行设备供电。

本文研究的船用光纤复合低压电缆外径小、重量轻、占用空间小；具有高可靠性数据传输、价格低、连接方便，良好的弯曲和耐侧压性能等特点，光缆和电力线于一体，可避免二次布线，降低工程费用。光纤复合电力电缆在未来船舶智能化、办公自动化，以及通信网络的数据传输中具有重要的地位。

1船用光纤复合低压电缆的介绍

船用光纤复合低压电缆主要应用于船舶与海洋工程中， 集光纤、输电铜线、铜信号线于一体，可以解决宽带接入、设备用电、应急信号传输等问题的复合型电缆。

由于此类电缆是运用于船舶与海洋工程项目中的特种电缆，因此具有成束阻燃/耐火、低烟无卤无毒、耐紫外线以及高机械强度等技术特点。目前该类产品国内外并没有可以参考的产品标准和规范等文件，在设计过程中主要依据船用低压电力电缆的标准IEC 60032-353：2014，并结合我国通信行业标准YD/T 1258：2003进行结构设计和材料选型。

2船用光纤复合低压电缆的主要技术性能

2.1　阻燃特性

为了保证电缆在火灾条件下，不因电缆的存在而导致火灾蔓延，从而保证在火灾条件下相关单元的安全，船用光纤复合低压电缆需要具备一定的阻燃性能，成品电缆需要通过IEC 60332-3-22：2000规定的A类成束阻燃试验。

2.2　耐火特性

船用光纤复合低压电缆必须通过IEC 60331-1/2标准中规定的试验。在火焰条件下耐火电缆可在一定时间内保持电缆线路的完整性，即在火灾发生时仍能保持供电，为消防救火和人员逃生提供保障。

2.3　低烟和无卤特性

为了避免火灾中电缆产生的毒性气体危害人体健康，电缆需要满足IEC 60754-1：2011规定的电缆中的卤素含量要求和IEC 60754-2:2011规定的电缆燃烧时产生气体的酸性程度。具体要求详见表1。同时为了保证在火灾状况中人员的安全撤离，避免由于电缆燃烧产生的烟雾而导致人员窒息等状况，船用光纤复合低压电缆需要满足IEC 61034-1和IEC 61034-2规定的电缆在燃烧时的烟雾散发量。具体要求详见表1。

表1　船用光纤复合低压电缆低烟无卤特性指标值

2.4　耐低温特性

有些船舶航行于特别寒冷的地区(如北极圈附近)。为了保证电缆在这种特殊的自然条件下仍然能够具备正常的静态和动态使用性能，需要通过UL/2556:2007规定的-40 ℃的低温弯曲和-35 ℃的低温冲击试验。

2.5　优良的弯曲性能

由于船舶空间有限，因此留给电缆的敷设空间较小。为了方便敷设，节省敷设的空间和时间，在船用光纤复合低压电缆的实际设计过程中，采用符合IEC 60228:2004标准，柔软度和弯曲性能比较优越的5类镀锡导体，不但易于实际敷设过程中的施工，同时也节省了电缆敷设的时间和成本，提高了船舶整体的经济效益。

2.6　较高的机械强度

为了保证电缆使用的安全性和牢固性，船用光纤复合低压电缆对护套的机械物理性能有着较高的要求，护套材料的部分力学性能见表2。

表2　船用光纤复合低压电缆护套材料的机械性能

2.7　耐油特性

为了使得电缆能够适应有油污环境的安装和使用，船用光纤复合低压电缆的护套材料具有较好的耐油性能，能够符合IEC 60032-360：2014对耐油性能的要求，护套类型为SHF2。

具体耐油性能指标见表3。

3典型船用光纤复合低压电缆的设计

3.1　产品描述

产品规格型号：0.6/1 kV FPBUCU 2G 62.5/125 3.1B200+0.8F600+2×2.5。

该型号电缆包括2根(62.5/125) μm多模光纤，同时该电缆包括2根规格为2.5 mm2的电力单元，以保证所连接设备的电力供应。产品适用于敷设安装在封闭或者是露天空间之中，适用于船舶通信的信号传输系统。

表3　船用光纤复合低压电缆耐油性能技术指标

3.2　产品的主要技术参数和性能指标

3.2.1电单元描述

导体电阻：符合IEC 60228:2004中5类导体对2.5 mm2的电阻要求。

绝缘：绝缘电阻常数不小于3 670 MΩ.km。

3.2.2光单元描述

纤维类型：多模光纤(62.5/125) μm；

850 nm时的衰减：≤3.1 dB/km；

1 300 nm时的衰减：≤0.8 dB/km；

850 nm时的带宽：≤200 MHz·km；

1 300 nm时的带宽：≤600 MHz·km。

3.2.3耐火性能

耐火性能通过IEC 60331-1/2规定的试验。

3.2.4阻燃性能

阻燃性能通过IEC 60332-3-22:2000规定的A类成束阻燃试验。

3.2.5低烟无卤性能

低烟无卤性能符合表1要求值。

3.2.6耐低温性能

耐低温性能通过UL/2556:2007规定的-40 ℃的低温弯曲和-35 ℃的低温冲击试验。

3.2.7耐油性能

耐油性能符合IEC 60032-360：2014中对SHF2材料耐油性能的要求。

3.2.8结构尺寸

结构尺寸符合IEC 60092-350和IEC 60092-353规定的尺寸要求。

3.3　产品的结构示意图

产品的结构示意图如图1所示。

1.光纤　2.云母带　3.光单元外部护层HF90　4.无卤隔氧带

3.4　产品的设计选材

(1)光单元外部护层HF90选择符合IEC 60092-360:2014的90 ℃聚烯烃绝缘料，在保护光单元的同时也起到与电单元隔离的效果。

(2)电单元导体采用符合IEC 60228:2004的5类镀锡铜导体，以方便电缆的敷设和弯曲。

(3)电单元的绝缘采用符合IEC 60092-360:2014的90 ℃XLPE绝缘料，该材料具有较好的电气绝缘性能，能够满足绝缘电阻常数大于3 670 MΩ.km的设计要求。

(4)内外护套材料采用90 ℃阻燃耐低温低烟无卤交联聚烯烃护套料。

(5)填充材料为符合IEC 60092-360的SHF1材料挤制而成，以确保成品电缆的低烟无卤性能。

(6)铜丝编织层和钢丝编织层起到一定的屏蔽效果，同时也增强了电缆整体的机械强度，起到保护电缆缆芯的作用。

3.5　产品的主要工艺流程

根据电缆结构的设计要求，为保证电缆的技术性能，最终设计的电缆的生产工艺流程如图2所示。

图2　电缆生产工艺流程

4设计验证

按照以上设计思路进行设计、选材并制样试验，

试验结果符合设计要求。

电缆的电单元在进行3.5 kV、5 min交流耐压试验后，未出现击穿现象；对电单元进行绝缘电阻测试，2根电单元绝缘电阻常数均超过10 000 MΩ.km，符合设计要求。

经过试验，电缆中的光单元在850 nm时的衰减为0.03 dB/km，1 300 nm时的衰减为0.007 dB/km，光缆的传输性能满足设计要求。

电缆整体燃烧后的透光率为75%，电缆各单元未检测出氟元素，卤素含量小于5‰的要求值，燃烧产生气体的pH值为6.4，燃烧产生酸性气体的导电率为2.3 us/mm，说明电缆是低烟无卤环保的。

电缆通过成束燃烧A类试验，电缆在90 min、830 ℃的火焰加冲击的条件下电单元仍然能够持续供电，说明电缆具备很好的阻燃和耐火性能，可以满足通信系统的应急信号传输和供电要求。

电缆在经过-35 ℃低温冲击和-40 ℃低温弯曲试验后，电缆绝缘与护套未见明显裂纹，光单元信号传输未出现衰减，说明电缆可以满足船舶在极端低温条件下的使用要求。

电缆的护套材料在经过902号油和903号油在100 ℃、168 h的老化后，强度和断裂伸长率的变化率均小于10%，说明电缆具备很好的耐油性能，能够承受有油污环境下的敷设和使用。

5结语

经过对制样试验的分析总结，该设计符合设计输入要求，电缆具备优良的成束阻燃、耐火、耐低温、耐油以及低烟无卤性能。经某重吊船通信系统的实际应用证明，该电缆可以缩短电缆敷设的时间，同时节省出约20%的电缆空间用于其他设备的布置，信号传输清晰可靠，未受周围电磁型号干扰。实践证明，船用光纤复合低压电缆可广泛应用于船舶智能系统、船舶通信传输系统和船舶自动化系统中。

参考文献：

[1]IEC 60228:2004, Conductors of insulated cables[S].

[2]IEC 61034:2005, Measurement of smoke density of cable burning under defined conditions[S].

[3]IEC 60754:2011, Tests on evolved during combustion of materials from cable[S].

[4]IEC 60331:2009, Tests for electric cables under fire conditions-Circuit integrity[S].

[5]UL/2556:2007, Wire and Cable Test Methods[S].

[6]YD/T 1258：2003，室内光缆系列[S].

中图分类号：TN818

文献标志码：A

作者简介：卢军军(1988—)，男，工程师，研究方向为船舶及海洋钻井平台用电线电缆。

收稿日期：2014-06-09