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设计指南第六章
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；
3.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（ConductorsofInsulatedCable1983）
IEC60502额定电压从1kV到30kV使用挤压绝缘的动力电缆和附件（Powercableswithextrudedinsulationandtheiraccessoriesforratedvoltagesfrom1kVupto30kV1997.）
IEC60840额定电压大于30kV使用挤压绝缘的动力电缆和附件（Powercableswithextrudedinsulationandtheiraccessoriesforratedvoltagesabove30kV1997.）
IEC60287电缆额定电流的计算（Electricalcables—Calculationofthecurrentrating.1982）
IEC60092-3第3部分船用电气设备：
电缆（结构，试验及安装）（ElectricalInstallationsinshipspart3:
Cables（construction,testingandinstallations）.1980.）
IEC60529电气设备外壳的防护等级（Classificationofdegreesofprotectionprovidedbyenclosure.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，其中应该包括以下内容：
1）室外环境温度：
∙最低温度：
XX0C；
∙最高温度：
XX0C。
2）海床温度：
∙最低温度：
XX0C；
∙最高温度：
XX0C。
3）海面温度：
∙最低温度：
XX0C；
∙最高温度：
XX0C。
4）“J”型管的温度：
∙温度范围：
XX0C至XX0C（从最低温度到最高温度）。
5）导体的设计温度：
∙最高温度：
XX0C（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。
（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。
（插入图4.6.2.1）
图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IEC60228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（ConductorScreen）
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）导体的绝缘应选用满足IEC60502（适用于电压小于30kV的电缆）或IEC60840（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IEC60502（适用于电压小于30kV的电缆）或IEC60840（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（InsulationScreen）
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；
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）金属带的防水层
海底电缆的径向的阻水层采用的是半导体金属带包紧，并缠绕在外（绝缘）屏蔽与径向防水层之间，也就是说金属带的防水层是包绕在挤压绝缘屏蔽的表面。
（6）金属屏蔽层
金属屏蔽层一般采用的是铜丝或铜带材料制成。
（7）动力芯线的捆绑
三根动力电缆的芯线应捆绑在一起，芯线之间的填充物应采用阻燃材料制成，并用塑料带将动力电缆的芯线绑扎起来。
动力电缆的三根芯线应使用不同的颜色或不同的编号予以区分。
（8）防腐外护套
电缆芯线表层的防腐外护套是由一层黑色的聚乙烯材料挤压而成。
护套纵向的平均厚度不能低于IEC60502（适用于电压小于30kV的电缆）或IEC60840（适用于电压大于30kV的电缆）的要求。
护套纵向的最小厚度不能低于平均厚度的80%。
（9）铠装护层
电缆的防腐外护套的表面将覆盖一层由聚乙烯和沥青合成的纤维带，其作用是保护电缆的防腐外护套不会受到金属铠装的损坏。
（10）铠装
电缆的纵向至少有一层镀锌钢丝成螺旋状缠绕在电缆铠装护层的外边，其最小直径一般不小于5mm左右。
（11）电缆外护套
电缆的外护套由两层组成：
聚乙烯包线和沥青合成物。
紧贴着金属铠的是聚乙烯包线，最外层是沥青合成物。
3）试验
为确保海底电缆的质量，在海底电缆的生产和验收时，根据规范的要求必须做以下的试验：
（1）常规试验
a）交流耐压试验。
交流耐压试验也可以称作为工频电压试验。
根据IEC60502标准的15.3节的要求，在进行耐压试验时，试验电压施加在导体和金属屏蔽层的之间，持续的时间为5分钟。
单芯电缆的试验电压为:
2.5U0+2kV；三芯电缆的试验电压为:
（2.5U0+2kV）*1.732。
b）直流耐压试验。
根据IEC60502-1标准的15.3节的要求，施加在导体和金属屏蔽层的之间的试验电压是工频试验电压的2.4倍。
c）结构实验（通常是取一部分样品做试验）；
d）导体电阻试验（温度200C时的直流电阻值）；
e）绝缘电阻试验；
（2）出厂试验
a）直流高压试验。
海底电缆安装和连接完成之后，对海底电缆的导体和屏蔽之间进行直流高压试验，试验电压的等级应满足IEC60502（适用于电压小于30kV的电缆）或IEC60840（适用于电压大于30kV的电缆）的要求。
试验结束后，用1000V的兆欧表测量绝缘电阻值，并计录下绝缘电阻的数值。
4）海底电缆的辅助设施
在海底电缆的规格书中除了有对海底电缆技术和性能等各方面的描述外，还应该有对海底电缆的安装，固定和连接等辅助设备的供货范围和技术要求进行说明。
海底电缆的辅助设备主要有：
（1）电缆固定装置（CableStop）
海底电缆敷设到海上结构物的桩腿下面时，将穿过固定在导管架腿上的“J”型管进入平台的导管架帽，电缆固定装置的主要作用就是：
将海底电缆穿入固定在有“J”型管之前的海上结构物（平台）的桩腿附近的相对位置，防止海水和潮汐的涌动使海底电缆移位，而造成“J”型管的损坏。
电缆固定装置的形式，见图4.6.2.2所示。
每根海底电缆将需要两个电缆固定装置。
（插入图4.6.2.2）
图4.6.2.2电缆固定装置
（2）电缆卡子（CableClamp）
海底电缆穿出“J”型管之后，将通过电缆卡子固定在导管架帽上。
见图4.6.2.3。
如果海上结构物的一侧是浮式储油装置，而另一侧是井口平台的话，只需要一个电缆卡子即可。
如果海上结构物的两侧是井口平台的话，则需要两个电缆卡子。
（插入图4.6.2.3）
图4.6.2.3海底电缆的电缆卡子
（3）接线盒（JunctionBox）
海底电缆在电缆卡子上固定之后，剥去外部的铠装，动力电缆进入电源接线盒；光纤电缆将进入光纤连接器，也可称为光纤电缆接线盒；控制电缆将进入控制电缆的接线盒。
见图4.6.2.4。
每根海底电缆将需要两个动力电缆接线盒，两个光纤接线盒和两个控制电缆接线盒。
（插入图4.6.2.4）
图4.6.2.4动力电缆接线盒
（插入图4.6.2.5）
图4.6.2.5光纤电缆接线盒
（4）电缆未端密封帽和电缆拉扯器（CableendandPullingGrip）
电缆未端密封帽的作用是：
海底电缆在敷设过程中，防止海水从电缆的剖面的两端进入海缆的导体和绝缘。
它是通过热缩的方式，将电缆的剖面密封起来。
每根电缆需要两个这样的密封帽。
电缆拉扯器将安装在海底电缆的未端，在海底电缆的敷设和穿“J”型管时起拉扯的作用。
5）海底电缆生产厂家提供的技术数据
海底电缆的规格书是招标文件的一部分，因此需要在规格书中写明海底电缆生产厂家在投标文件和合同中必须提供的资料和技术数据。
投标文件中需要提供的数据有：
∙电缆的额定载流量（A）；
∙海床温度下（根据数据表中的要求），海底电缆的载流量（A）；
∙“J”型管在环境温度为450C时，海底电缆的载流量（A）；
∙绝缘的厚度（mm）；
∙铠装内和铠装外的直径（mm）；
∙每根导体的截面积（mm2）；
∙每根导体绞线的数量；
∙电缆200C时的直流电阻（/kM）；
∙电缆900C时的交流电阻（/kM`）；
∙电缆的感抗（/kM）；
∙电缆的电容（F/kM）；
∙电缆的充电电流（A/kM）；
∙电缆的最大短路容量（kA）；
∙海底电缆的总重量（kg）；
∙海底电缆滚筒的尺寸（M）；
∙海底电缆的最大弯曲半径；
∙海底电缆能够承受的最大拉力。
合同签定之后，海底电缆生产厂家需要提供的资料，文件和技术数据主要有：
∙海底电缆截面积的剖面图；
∙电缆的技术数据（与上面提到的投标文件中需要提供的主要技术数据基本上差不多，这里就不再重复了）；
∙海底电缆附件的外形图和详细的技术数据等方面的资料；
∙海底电缆敷设，安装和连接的说明书；
∙海底电缆所有附件的安装和连接方面的说明书；
∙海底电缆试验和试运转方面的程序和说明书。
第三节海底电缆的选型计算
在进行海底电缆选型设计时，主要的工作有：
∙海底电缆截面积的选择；
∙海底电缆电压降的计算；
∙海底电缆长度的计算及核实；
∙海底电缆拉力的计算。
4.海底电缆载流量的计算
在进行动力电缆规格的选型设计时，设计人员首先应计算出用电设备的负载电流（井口平台电力变压器的额定容量），使用的计算公式是：
（A）（公式4.6.3.1）
式中：
P——井口平台电力变压器的容量（kVA）；
U——海底电缆的电压（kV）；
cos——功率因数（一般取0.8）。
在上述计算的基础上，考虑了温度补偿系数之后，选择出海底电缆的截面积。
电缆生产厂家核实电缆载流量的计算公式一般是根据IEC60287-2-1和IEC60287-1-1（1993）推荐的方法计算出来的，它的计算公式为：
（公式4.6.3.2）
式中：
——大于环境温度的导体的温升（0C）；
Wd——介电损耗（W/cm）；
T1——导体和铠装之间的热电阻（0C.cm/W）；
T2——绝缘屏蔽和铠装之间的热电阻（0C.cm/W）；
T3——外护套的热电阻（0C.cm/W）；
T4——介质周围的热电阻（0C.cm/W）；
n——电缆导体的芯数;
1——金属屏蔽至导体损失的损耗率；
1‘：
由环流引起的；
1“：
涡环流引起的；
2——铠装至导体损失的损耗率；
R——导体在最大运行温度时的交流电阻值（/cm）；
I——电缆的，除了考虑载流量（A）。
根据上面公式计算出来的海底电缆的截面积的载流量不能小于井口平台电力变压器的额定电流。
如果小于井口平台电力变压器的额定电流值的话，就需要增大海底电缆的截面积。
5.海底电缆的电压降计算
海底电缆的截面积的大小除了要满足载流量的要求之外，还应该满足规范及用电设备对电压的要求。
海底电缆在长距离输送电能的过程中会有电压损耗，因此海底电缆的截面积确定之后，还应该进行电压降的计算。
下面介绍两种电缆电压降计算的方法，一种方法是设计选型时核实海底电缆截面的规格是否满足实际使用的要求，另一种方法是海底电缆生产厂家通常使用的方法。
1）在进行动力电缆的电压降的计算时，通常使用的计算方法是：
U=
（公式4.6.3.2）
式中：
U——线路电压降（V）；
R20——电缆200C时的电阻（.m-1）；
K1——电缆电阻温度系数，对铜导体可从表4.6.3.1中选取适当的系数；
L——电缆长度（m）；
I——负载电流（A）；
——交流电压降系数，也可称为感应电压降系数，可根据公式4.6.3.3计算求得。
=
（公式4.6.3.3）
式中：
Rac——电缆的交流电阻（=Rdc*K2）；
Rdc——电缆的直流电阻；
X——电缆的电抗；
K2——交流导体的集肤效应和互感效应系数，参考表4.6.3.2。
表4.6.3.1电缆导体电阻温度系数（铜导体）
导体温度/0C
温度系数K1
20
1.0
50
1.118
55
1.138
60
1.157
65
1.177
70
1.197
75
1.216
80
1.236
85
1.255
90
1.275
95
1.295
150
1.511
表4.6.3.2K2值
截面/mm2
325
250
200
150
125
100
80
60
K2
1.15
1.10
1.06
1.04
1.03
1.02
1.01
1.01
2）海底电缆厂家通常使用下面的公式来进行海底电缆电压降的计算：
（V/kM），（公式4.6.3.4）
式中：
K1——相位之间的系数，（通常为
）
I——海底电缆最大的负载电流（A），
R——海底电缆的电阻（/kM），
X——海底电缆的电抗（/kM），
cosr——功率因数（一般取0.8）。
根据IEC和其它一些国家的标准和规范的要求：
电力输电线路的电压降不能超过额定电压的6%。
经过计算后海底电缆的截面积大于6%的话，就应该增加电缆的截面，或者提高海底电缆输电线路的电压等级。
6.海底电缆长度的计算
在海上油田整体开发的总图上都会标明海上结构物之间海底电缆的长度，这个长度是海底电缆的地理长度，由于整个油田海床的平坦度是不一样的，敷设在海床上的海底电缆的长度与总图上所标注的长度肯定也会有一些差异，另外海底电缆从海底“爬”上导管架帽的距离，也是必须考虑的因素之一。
根据以往工程的实际经验，以及国内外工程设计公司和海底电缆厂家所提供的资料，海底电缆长度计算的方法如表4.6.2.1所示。
表4.6.2.1海底电缆长度的计算
两个结构物之间的距离
敷设余量
备用量的百分比
购买余量
<3000
L+2XWD+100
10%
（L+2XWD+100）X1.1
<7500
L+2XWD+100
5%
（L+2XWD+100）X1.05
<15000
L+2XWD+100
3%
（L+2XWD+100）X1.03
>15000
L+2XWD+100
2%
（L+2XWD+100）X1.02
7.海底电缆的拉力计算
海底电缆在敷设时是通过铺管船上
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