海底電纜制作的材料概述

海底電纜的制作材料是多樣的，這是為了滿足其在海底復雜環(huán)境下進行電力或通信傳輸?shù)男枨?。海底電纜需要承受巨大的水壓、耐腐蝕、防止海洋生物的附著等，不同類型的海底電纜由于其功能和應用環(huán)境的區(qū)別，還會采用不同的特殊材料。  

海底電纜是由多種材料制成的復雜結構，用于電信和互聯(lián)網(wǎng)信號的傳輸。以下是海底電纜的一些主要組成部分：  

導體  

海底電纜的內(nèi)部導體通常由銅或鋁制成，用于傳輸電信號。在現(xiàn)代光纖海底電纜中，導體旁邊還會布置光纖，這些光纖由高度純凈的玻璃（二氧化硅）制成，用于長距離傳輸數(shù)據(jù)信號。  

絕緣層  

為了確保電信號不會泄漏到水中，導體外部包裹有多層絕緣材料。常見的絕緣材料包括：  

聚乙烯（PE）  

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）  

這些材料具有優(yōu)異的電氣絕緣性能和耐水性，能夠在極端環(huán)境下長期保持電纜的絕緣效果。  

鎧裝層  

為了保護電纜免受機械損傷，例如漁網(wǎng)拖拽或海洋生物的侵襲，在絕緣層外部還會有鎧裝層。鎧裝層通常由以下材料組成：  

鋼絲  

鍍鋅鐵絲  

這些金屬絲編織成網(wǎng)狀結構，提供了強大的抗拉和抗壓強度，使得電纜能夠經(jīng)受住復雜的海底地形和壓力環(huán)境。  

外護套  

最外層的護套是為了防止海水侵蝕和提高電纜的整體耐用性。通常使用的材料有：  

聚乙烯（PE）  

聚氨酯（PU）  

這些材料不僅耐腐蝕，而且具有良好的柔韌性和耐磨性，即使在嚴苛的海洋環(huán)境中也能有效保護電纜內(nèi)部結構。  

一、光纖在海底電纜中的應用  

在現(xiàn)代海底電纜中，光纖是重要的材料之一。光纖如同毛發(fā)般纖細，具有高純度的特性。海底光纜以光纖為核心，通過內(nèi)反射引導光沿著光纖的路徑前進，從而實現(xiàn)信號的傳輸。光纖對于電話、互聯(lián)網(wǎng)信號傳輸起著關鍵的作用。由于海底光纜涉及到跨國通訊等重要需求，其要求能夠高效、穩(wěn)定、長距離地傳輸信號，光纖能夠滿足這種大容量、高速率且保密性較高的通訊需求。  

在制作海底光纜時，光纖并非獨立存在。其首先會被嵌入在類似果凍的化合物中，以此來保護自身，即使在接觸海水的情況下光纖也不會輕易損壞。隨后將光纜裝入鋼管之中，這種鋼管是為了防止水的壓力對光纜造成破壞。之后再將其包裹在具有高整體強度的鋼絲里面，并且套在銅管之內(nèi)，最后還會在外面加上聚乙烯材料的保護層。這么多層保護措施主要是因為光纖雖然通信性能優(yōu)越，但自身較脆弱，在海底惡劣的環(huán)境下，如高壓、鹽堿環(huán)境下容易受損，通過這樣層層防護，增加了海底光纜的耐用性和穩(wěn)定性，減少因外力因素而導致的光纖損壞的風險，從而確保其實現(xiàn)高效的通信傳輸功能。  

二、金屬材料的運用  

（一）銅或鋁  

銅材  

銅由于其具有良好的導電性而被廣泛應用在海底電纜中。不過，金屬銅在海水中容易受到腐蝕影響，所以在實際運用中，會采用一些保護措施或者使用銅合金。比如在某些易腐蝕的區(qū)域，或者為了提高電纜的整體強度以及特殊性能方面，采用銅合金電線，其相比于純銅電線，雖然導電性能稍微降低，但擁有更好的耐腐蝕性、抗氧化性以及高溫強度，常用于海底電纜、船舶電纜等較為復雜和嚴苛環(huán)境的電纜制作中。在一些區(qū)域性的海底電纜網(wǎng)絡中，陸島之間的連接電纜如果對導電性和成本綜合考慮時，銅有可能作為主要的導體材料使用，例如一些中短距離、中小功率的海底電力傳輸cable。  

另外，在海底電纜線制作中，當需要考慮與其他海洋設備的連接通用性或者基于特定的電力傳輸標準規(guī)范時，銅電線的柔韌性也成為其備受青睞的因素之一。對于需要頻繁進行設備連接或者線路更改的情況，柔軟易于操作的銅電線更便于安裝和維護，能夠有效降低施工成本和難度。  

鋁材  

鋁也是一種可用于海底電纜制作的材料，鋁同樣具備良好的導電性，其重量相比同體積的銅較輕，在某些對電纜重量有特殊要求、承載能力有限制的敷設環(huán)境下可能會被選用，比如在一些小型的海上浮動設施到陸地的電力連接電纜，或者對電纜重量敏感的輕型海纜結構體系中。然而，鋁的化學性質(zhì)活潑，在空氣和水中容易被氧化形成一層致密的氧化鋁薄膜，這在一定程度上會影響導電性，不過這個氧化膜也在某種程度上起到了一定的防腐蝕作用。當要確保良好的電氣連接時，需要采取特殊的連接措施以穿透氧化膜保證電氣性能的穩(wěn)定。  

（二）鋼絲  

增強機械強度  

鋼絲在海底電纜中起到增強機械強度的關鍵作用。海底的水壓巨大，部分深海區(qū)域的海底電纜承受的壓力相當于把一頭大象放在人的拇指所承受的重量。電纜要能夠在這樣的環(huán)境中保持結構的完整性而不被壓壞或者拉斷，鋼絲就是解決方案之一。深海電纜中的鋼絲提供了足夠的機械拉力支撐，使得電纜能適應不同深度海底的壓力環(huán)境。比如在靠近大陸架的海岸鋪設的海底電纜區(qū)域，往往采用輕質(zhì)電纜搭配強度更大的鋼絲覆蓋，并且會再加上瀝青涂層以防止海水對鋼絲的腐蝕，因為在淺海區(qū)域電纜可能還會受到海浪、潮流等引起的機械力影響，鋼絲不僅要承受海底壓力，還要承受水平方向的外力拉扯和摩擦力，瀝青涂層則可以很好地抵御海水的腐蝕，延長鋼絲的使用壽命，進而保證整個海底電纜結構的穩(wěn)固性。  

應對敷設與保護需求  

在海底電纜制作過程中有序排列和絞合鋼絲對于電纜的柔韌性以及應力分布的均勻性也非常重要。當電纜在敷設過程中要繞過礁石或者在海底地形復雜的區(qū)域通過時，內(nèi)部鋼絲的合理結構能夠保證電纜在彎曲時不會因為應力集中而斷裂。例如在海纜的敷設工程中，無論是使用敷設船進行深海敷設還是通過牽引機進行淺灘敷設時，電纜都會受到不同方向的拉力，鋼絲的排列形式是保障電纜能夠在復雜的受力狀態(tài)下正常敷設而不出現(xiàn)內(nèi)部結構損壞的關鍵因素。  

（三）鉛  

在浸漬紙電纜中的應用  

對于浸漬紙包電纜（適用于不大于45kV交流電及不大于400kV直流電的線路，目前只限安裝于水深500m以內(nèi)的水域），鉛套是一個重要組成部分。鉛具有良好的耐腐蝕性、可塑性和較好的密封性。在浸漬紙電纜的制造過程中，導線芯經(jīng)過絕緣紙繞包、真空干燥、浸油等操作后就會被包上鉛套，將導線芯與外界環(huán)境進行一定程度的隔離，阻止海水及海洋中的腐蝕性物質(zhì)接觸到電纜內(nèi)部的導體，保證導體線芯不會被腐蝕，從而使電纜正常運行，確保電信號或者電能的穩(wěn)定傳輸。在電纜制作時要對鉛套進行連續(xù)擠壓來包裹在芯線外側(cè)，這也是這種電纜制造過程的一個關鍵步驟，并且工藝的質(zhì)量控制對電纜的整體性能影響很大。  

在安全性上的考慮  

鉛具有一定的屏蔽性能，對于電纜內(nèi)部的電場分布有一定的改善作用，能夠防止電纜內(nèi)部電場過度集中而引發(fā)的安全隱患，如產(chǎn)生電暈、局部放電等情況，提高了電纜運行的安全性和可靠性。但是鉛材料自身也有一定的毒性和環(huán)境污染風險，在電纜的回收處理過程中需要特殊處理措施予以應對，以避免對環(huán)境和操作人員造成危害。同時，鉛的成本相對較高，這也促使相關行業(yè)在滿足電纜性能要求的前提下，尋找更具性價比、環(huán)保的替代材料或者改善鉛套的制作工藝來降低成本和風險因素。  

三、絕緣材料在海底電纜的使用  

（一）交聯(lián)聚乙烯  

絕緣與耐用性  

交聯(lián)聚乙烯在高壓環(huán)境下，如適用于高達200kV交流電壓的擠壓式絕緣（交聯(lián)聚乙烯絕緣、乙丙橡膠絕緣）海底電纜中應用廣泛。它具有高絕緣性能，可以有效地阻止電流泄露，并且交聯(lián)聚乙烯在化學結構上具有更好的穩(wěn)定性。相比于普通聚乙烯，交聯(lián)聚乙烯在受到機械力、熱力等環(huán)境影響時不容易發(fā)生變形或者性能衰退。在長時間暴露于海底的復雜環(huán)境下，如不同水溫、水壓變化時，它能夠保持較為穩(wěn)定的絕緣性能。當海底電纜需要在較淺水域或者相對溫和的海洋物理環(huán)境下進行敷設且電壓處于一定范圍內(nèi)時，交聯(lián)聚乙烯就能很好地滿足絕緣要求，其可以有效地將電能限制在電纜內(nèi)部的導體之中進行傳輸，提高電能傳輸?shù)男?，減少能量損失。  

減少樹木現(xiàn)象危害  

在海底電纜運行過程中，會出現(xiàn)一種稱為“樹枝現(xiàn)象”的問題，即由于局部電場、化學物質(zhì)等因素影響，在電纜的絕緣體內(nèi)形成類似樹枝狀的漏電通道，如果發(fā)展嚴重將破壞電纜絕緣性能導致故障。交聯(lián)聚乙烯較普通聚乙烯更能抵抗這種樹枝現(xiàn)象，在電纜長時間運行時，這種優(yōu)勢就更為明顯。這對于海底電纜的穩(wěn)定運行、延長使用壽命有著重要意義。例如在一些跨海短距離的電力傳輸電纜或者近海島嶼間的交流電纜保障中，交聯(lián)聚乙烯可以有效地減少樹枝現(xiàn)象引起的電力供應不穩(wěn)定或者故障風險，確保當?shù)氐碾娏掷m(xù)性和穩(wěn)定性。  

（二）乙丙橡膠  

阻止局部泄電方面的優(yōu)勢  

乙丙橡膠常用于絕緣類海底電纜，特別是在擠壓式絕緣（交聯(lián)聚乙烯絕緣、乙丙橡膠絕緣）電纜方面。在阻止局部泄電方面乙丙橡膠具有良好的性能，在海底電纜所處的高濕度、高鹽堿度等惡劣的環(huán)境條件下，即使電纜絕緣部分存在細微的縫隙或者局部薄弱環(huán)節(jié)，乙丙橡膠也能夠較好地阻塞電流泄漏的通道。當電纜在海底因為受到外部壓力、溫度變化或者受到海底生物、地質(zhì)構造因素產(chǎn)生局部機械應力等情況時，乙丙橡膠的彈性和密封性能可以保證在局部變形或者移動情況下仍然維持較好的絕緣性能，減少因為局部泄電而造成的電能損耗，確保從電纜一端傳輸?shù)搅硪欢说碾娔苜|(zhì)量，為電力傳輸?shù)哪┒擞脩籼峁┓€(wěn)定可靠的電力供應。  

適應特殊海洋環(huán)境  

乙丙橡膠自身具有一定的耐水性、耐腐蝕性和抗老化性。在海洋環(huán)境中，海水成分復雜且含多種礦物質(zhì)、鹽分和微生物，這些因素都會對電纜的絕緣材料產(chǎn)生腐蝕或者老化影響。乙丙橡膠能夠抵御這些侵蝕因素，使得電纜在較長的使用周期內(nèi)保持絕緣性能。例如在海纜穿過海灣、海峽等具有復雜海洋生態(tài)環(huán)境和多變海洋水流情況的區(qū)域時，乙丙橡膠的多重防護性能可以保證電纜在這種特殊環(huán)境下可靠穩(wěn)定地運行，無論是傳輸電能或者通信信號都能受到較好的保障。  

（三）聚乙烯  

輕量且防水的特性  

聚乙烯是海底電纜外層常用的保護層材料。例如NEC公司制造的深海電纜采用的就是輕量的聚乙烯，整條電纜僅17毫米的厚度。聚乙烯具有良好的防水性能，可以防止海水滲透到電纜內(nèi)部結構。在深海環(huán)境中，巨大的水壓和復雜的溫度變化對電纜有著巨大的考驗，聚乙烯的這一特性為電纜內(nèi)部的光纖、導體、絕緣材料等關鍵部件提供了第一道防水防線。同時，聚乙烯重量相對較輕，這對于敷設較長距離的海底電纜來說非常有利。當電纜需要被運輸并鋪設到深海區(qū)域時，較輕的重量可以減少運輸過程中的難度以及敷設作業(yè)船的負載壓力，降低敷設成本和操作難度。  

作為通用防護層  

在各個類型的海底電纜制作過程中，聚乙烯材料無論是在保護內(nèi)部結構完整性方面還是在抵御外界海水腐蝕和生物附著方面都起到了通用的防護層的作用。它就像一個密封外套，將電纜內(nèi)部的結構包裹起來。在較長時間的使用歷史中，聚乙烯被證明是一種經(jīng)濟、有效的防護材料。在一些靠近海岸、淺海區(qū)域以及深海區(qū)域的海底電纜外層都可以看到它的應用，當電纜從陸地過渡到海洋或者從淺海深入到深海等不同的潮間帶環(huán)境中，聚乙烯可以適應不同水壓力、水流速、生物群等復雜環(huán)境，確保電纜主體結構的安全性和穩(wěn)定性。  

四、其他特殊材料  

（一）半導電材料  

在導體屏蔽層中的應用  

在海底電纜制作中，導體屏蔽層使用的材料如半導電聚乙烯或半導電聚丙烯。例如這種材料可以通過擠包在絞合芯線外面的方式形成一層半導電的屏蔽層。在電纜通電后，導體周圍會形成電場，這層半導電的屏蔽層可以優(yōu)化電場分布，避免電場集中在導體表面而降低電纜的絕緣性能。對于海底電纜來說，尤其是高壓海底電纜傳輸過程中，防止電場集中不僅是為了保證電能傳輸?shù)男?，更是為了減少因為局部電場過強對電纜絕緣層以及周圍海水環(huán)境可能造成的影響，如產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。這種放電現(xiàn)象如果在海底發(fā)生，會加速絕緣材料的老化，增加電能損耗，并且可能干擾附近的海洋通信和生物活動。半導電屏蔽層使得電場在較為均勻的范圍內(nèi)分布，提高了電纜整體的安全性和穩(wěn)定性。  

在絕緣屏蔽層的作用  

絕緣屏蔽層同樣使用半導電材料，如半導電聚乙烯或半導電聚丙烯，在絕緣層外側(cè)擠包而成。在海底電纜中，絕緣屏蔽層主要起到平衡電場的作用。在電纜運行過程中，絕緣層內(nèi)外可能存在電位差，絕緣屏蔽層能夠減少這種電位差產(chǎn)生的不良影響，防止由于電場的不平衡導致的絕緣層內(nèi)部局部放電或者絕緣材料性能劣化。在海底復雜的電磁環(huán)境下，這一作用十分重要。尤其對于一些需要長距離傳輸電能和信號的海底電纜來說，例如連接海上鉆井平臺與陸地的電纜，保持絕緣層性能和電場的穩(wěn)定對于整個電纜系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行是至關重要的。相比于陸地上的電纜，海纜在布放、維護難度大的情況下，通過合適的絕緣屏蔽層材料可以延長海纜的使用壽命，降低運行成本和維護頻率。  

另外，在保障電纜安全性方面，半導電的絕緣屏蔽層還可以防止外部的電場干擾進入電纜內(nèi)部，也限制電纜內(nèi)部的電場干擾向外界擴散。這在防止通信信號的傳輸干擾和保護海洋環(huán)境中的其他電子設備不受電纜電場影響等方面有著重要意義，如防止對海底聲吶、海洋監(jiān)測傳感器等設備的電場干擾。  

（二）阻水材料  

阻隔海水滲透  

海底電纜中存在多種阻水材料。其中阻水帶、阻水紗、阻水膠或者阻水粉等是較為常見的。以阻水帶為例，其主要作用是在電纜遇到海水滲透風險時，形成一個物理阻隔層。當電纜因為外部原因（如受到海洋生物侵蝕、機械外力破壞外層護套等情況）導致海水有可能滲入到電纜內(nèi)芯時，阻水帶可以通過吸水膨脹或者本身的低滲透特性，阻止海水進一步向內(nèi)滲透。這種功能在保護電纜內(nèi)部的導體、絕緣材料等方面至關重要，因為導體一旦接觸到海水，會直接影響其導電性，導致電能傳輸損耗加大甚至中斷電能傳輸。同時，受潮的絕緣材料也會大大降低其絕緣性能，影響電纜的正常運行。  

不同深度的應用案例  

在一些海底電纜結構中，根據(jù)電纜是處于深水段還是淺水段，其絞合芯線的絞合間隙內(nèi)會填充不同的阻水介質(zhì)。如在深水段絞合間隙內(nèi)可能會填充阻水膠，因為深水段水壓較大，阻水膠可以更好地適應這種高壓環(huán)境，以一種較為緊密的填充方式防止海水的哪怕是微小的滲透。而淺水段絞合間隙內(nèi)可能會填充阻水帶、阻水紗或者阻水粉中的至少一種。淺水段由于環(huán)境相對更復雜，可能會遭受到更多類型海洋生物的接觸、海水流動方向和強度變化頻繁等因素影響，采用多種阻水材料的組合或者更靈活的材料（如阻水紗方便施工操作等）可以更好地應對淺水段不同的風險因素。這體現(xiàn)了海底電纜制作材料根據(jù)具體環(huán)境差異進行優(yōu)化的特點，從而在各個不同水深海底區(qū)域保障電纜的正常運行和使用壽命，減少維護成本和提高電力供應或者通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性。  

（三）充油材料  

自容式充油電纜的關鍵要素  

在自容式充油電纜（適用于高達750kV的直流電或交流電線路）中，電纜為充油式。油具有絕緣和散熱的功能。電纜內(nèi)部的油壓維持在一定的水平，可以有效防止外部的海水壓力對電纜的擠壓變形影響，確保電纜內(nèi)部結構的空間穩(wěn)定性，從而避免因為外力擠壓對電纜內(nèi)部的導體、絕緣層等造成破壞。這種自容式充油電纜可以毫無困難地敷設于水深達500m的海域，油的存在使得電纜在面臨較大水壓時能夠保持較好的電氣性能。在長時間的海底運行過程中，充油電纜中的油還可以帶走一部分因為電纜內(nèi)部導體電阻產(chǎn)生的熱量，防止因為溫度過高導致絕緣層老化、性能下降等風險，延長電纜的使用壽命，減少電纜系統(tǒng)的維護和更換成本。  

充油系統(tǒng)帶來的特殊要求  

然而由于采用了充油系統(tǒng)，這種電纜在制造、運輸、敷設和維護各個環(huán)節(jié)都有更高的要求。在制造過程中需要確保油密封良好，防止油滲漏。從儲缸到壓鉛機之間的導線芯需要通過一條虹吸輸送管，管內(nèi)注有除氣油，并且油要以反方向流向?qū)Ь€芯，從而隔絕線芯與空氣的接觸。在運輸過程中要保證油不會因為震動或者溫度變化而出現(xiàn)泄漏或者變質(zhì)問題。敷設時需要考慮電纜的油壓力平衡以及與外部水壓的關系，維護過程中還要定期檢查油的狀態(tài)等。這些特殊要求導致這種充油電纜的成本相對較高、操作規(guī)范較為嚴格，但在需要高電壓傳輸且水深在一定范圍內(nèi)的海底電纜應用場景下，它的優(yōu)勢也是十分明顯的。