水平传输用漂浮电力电缆的设计.pdf

2 0 1 0年第 4期 No 4 2 Ol 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e & Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g， 2 01 0 水平传输用漂浮电力 电缆 的设计 张 伟 ， 杨 刚 ( 1 沈 阳电缆有 限责任公司 ， 辽 宁 沈阳 1 1 0 0 2 5 ； 2 辽 宁省产品质量监督 检验 院 ， 辽 宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ) 摘要 ： 水面漂浮 电力电缆是 水面传输 电力的 重要元件 ， 它除具有 自身漂浮的功能外 ， 还可 以水平传输较 大的电 流 ； 在舰 船航 行 中， 其本 身还承受很 大的拉 力。除此之 外 ， 海上 的 恶劣 气候 条件 ， 要 求 电缆具 备耐 高温、 耐低 温、 耐油、 防霉 的特性 。 同时该 电缆的使 用和维护都极其 方便 。主要介 绍 了实现和保证 该产 品上述功 能的研 制 过 程 。 关键词 ： 漂浮 电缆 ； 大电流 ； 拉 力； 绝缘材料 ； 附件连接 中图分类号 ： T M 2 4 6 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 1 9 - 0 3 The De s i g n o f t h e Fl o at i ng El e c t r i c Ca bl e f or Ho r i z on t a l Co nd uc t i o n ZHANG W e i e t a l ( S h e n y a n g Ca b l e C o ，L t d ，S h e n y a n g 1 1 0 0 2 5，C h i n a ) Abs t r a c t：Th e flo at i ng e l e c t r i c c a b l e i s a n i mpo r t a n t e l e me n t i n t h e wo r k o f e l e c t r i c p o we r c o n du c t i o n o n t h e wa t e r I t h a s t h e c a p a bi l i t i e s，s u c h as b e i ng a s e l f - flo a t e r，h i gh p o we r c ur r e nt h o r i z o nt a l c o n du c t a nc e a nd a ge a t pu l l e n du r a n c e a s we l 1 Ex c e p t i ng o f t he s e，t h e c a bl e mus t ha v e t he c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h t e mpe r a t u r e r e s i s t a n c e，l o w t e mpe r a t u r e r e s i s t a n c eo 1 r e s i s t a n c e a nd mo u l dp r o o f wh e n b e i n g us e d un de r t he c o n d i t i o n o f h a r s h ma r i n e c l i ma t e At s a me t i me，i t i s a l s o r e qu i r e d t he s u pe r c o n v e ni e n c e o n U S e a n d ma i nt e na nc e I t de s c r i be s t he d e v e l o p i n g a n d pr e pa r i n g pr o c e s s o f t he c a b l e ma i n l y on ho w t o c ome t r ue a n d e n s ur e t he r e q ui r e d pe r f o r man c e i n t h e a r t i c l e be l o w Ke y wo r ds：flo a t i n g c ab l e；h i g h po we r c u r r e nt ；p ul l ；i n s u l a t e d ma t e r i a l ；a nn e x l i n k O 引 言 水平传输 用漂浮 电力 电缆 ( 以下简称 ： 漂浮 电 缆) 是实现舰船与水面或水下工作部件之间传输 动 力电能的重要功能元件 ， 它关系到舰船本体及水 面 或水 中用 电设备的功能实现和安全保障。漂浮电缆 的结构如图 l所示 。本文按照漂浮电缆 的结构分几 部分介绍并讨论相应的设计思想。 1 漂浮元件 漂浮 元件 是决 定 电缆 能否 漂 浮在 水面 的关 键元 件 ， 它的选用不但决定 电缆的漂浮功能指标 ， 而且最 大 程度 地决 定 了漂 浮 电缆 的制 造工 艺 。 以往漂 浮元 件一般选用特殊木材和空心金属件 ， 不但成本很高 ， 加 工也 很麻 烦 。新 功 能材 料 的出现 为选 材 提供 了更 多的可能 ， 特别是橡塑类发泡材料 ， 使漂浮元件有了 较 大 的 选 择 空 间。另 外 ， 从 电 缆 制 造 和 使 用 ( 弯曲性能) 来考虑 ， 采用漂浮部件组合并加 以适 当 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -02 -01 作者简 介 ： 张伟 ( 1 9 6 3一) ， 男 ， 高级工程 师 作者地址 ： 辽宁沈 阳市铁 西区兴华北街 3 4号 1 1 0 0 2 5 图 1漂 浮 电缆 结 构 图 1一浮子芯组2一密封层3一导体 ( 双层绞合 、 绞 向相反 ) 4一内护套5一绝缘导体6一外护套7一链接绳 连接 ， 完全可以满足漂浮功能的设计要求。 关于漂浮元件在 电缆 中的位置 ， 若从常规电缆 设计方法考虑 ， 导体应该在中心 ， 虽然导体结构因此 较稳定 ， 但是 由于漂浮元件热阻较大 ， 势必造成整体 热阻大 ， 导致 电缆载流量降低 ， 很不利于电缆的大电 流传输。因此 ， 将漂浮元件置于电缆的中心 ， 这也使 漂浮元件 的可靠性得到了提高。 2 0 1 0年第 4期 No 4 201 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Aug ， 2 01 0 2 电缆导体 导体的设计主要根据电缆的传输容量和供电方 式等相关技术要求来进行。该 电缆一是大 电流 、 低 电压供电； 二是多电极使用 ； 三是为保证整体供电要 求 ， 电压降要求较严格 。因而电缆 的导体既要采用 较大截面绞合导体 ， 同时还应该部分采用绝缘导体， 以保证多极供电的可行性和可靠性。 关于绞合导体的使用 ， 由于导体非 中心式绞合， 因而使用 中可能存在着 由于绞合造成的扭转 ， 按通 常的电缆铠装方式 ， 采用单层绞合 ， 则在制造和使用 中这种旋转必然产生， 因此必须采用相互反方 向的 多层绞合导体。 ( 1 )主导体主导体是指给大电流电极传输 电流的导体。由于其截面积较大， 电压降很小 ， 因而 选 用双层 相 同 根 数 、 绞 向相 反 的绞 合 导 体 结 构 ( 见 图 1 ) 。通过计算 ， 由于其绞合后外径接近 ， 绞入率 相同， 而且绞向相反 ， 因此这种结构在制造和使用中 不 会产生 扭转 。 ( 2 )辅导体辅导体是指给较小电流电极传 输电流的导体 ， 考虑其根数较少 ， 增加绝缘会给电缆 整体浮力有所贡献 ， 及确保其可靠性等因素 ， 将辅导 体设计为绝缘导体。 漂浮 电缆是在舰船航行 中拖曳使用的， 因而其 承受的拉力很高， 要求工作拉力为 2 5 0 0 k g ， 拉断力 为 5 0 0 0 k g 。通常应考虑采用单独的承荷元件 ， 如 钢丝 、 芳纶等材料 ， 但 这样一来 ， 电缆的重量势必增 加 ， 漂浮指标也受影响。另外 ， 无论采用钢丝、 芳纶 或高强度高分子材料， 考虑承荷元件与导体两种材 料弹性模量的差异， 将导致 电缆承受拉力时两者受 力不一致 ， 会产生很多问题。经过综合计算 ， 认为采 用综合铜导体 ， 既作为传输导体又作为电缆承荷元 件 ， 也是 可行 的 。这 样 就解 决 了承 荷 和漂 浮 两 难 的 问题 ， 实际上这也是漂浮电缆设计思想的重要突破。 体电阻要求的同时 ， 其抗张强度应适当提高 ， 1 应 力也应有保证 ， 即在 电缆承受工作拉力时基本无变 形 。经实 际测试 ， 该 结 构 电缆 的 “ 工作 拉 力 ” 和 “ 拉 断力 ” 都达 到设计 要求 且有 裕度 。 3 电缆绝缘 绝缘材料是电缆的重要组成部分。从绝缘性能 角度考虑 ， 选择范围较为宽泛。但就漂浮电缆而言 ， 绝缘材料的选择更具特点 ： 一是 必须 柔软 ， 易于弯 曲； 二是密度应尽 量小 ， 保证浮力； 三是具有 良好 的 加工性能。通过对软聚氯 乙烯 ( P V C ) 、 交联聚乙烯 ( X L P E) 、 高 密度 聚 乙烯 ( H D P E) 、 三 元 乙丙 橡胶 ( E P D M) 等性能分析， 我们认 为均不适宜。经过对 国内外新材料的对 比和试验 ， 我们认为 以 E P D M 和 聚丙烯 ( P P ) 为基 材并使其 硫化 的热 塑橡胶 材料 ( T P V) 比较合适， 性能对比见表 1 。 T P V的显著 特点 是 电性 能优 异 ， 密 度小 ， 机械性 能好 ， 极易加工 ， 并可回收利用 ， 是较为理想的漂浮 电缆用绝缘材料。这种材料也可在其它电缆产品中 广泛 使用 。 4电缆护套 漂浮 电缆使用于恶劣环境 中， 环境温度变化范 围大 ， 需要具备耐腐蚀 、 耐霉菌、 耐油和耐潮湿等性 能 ， 因此电缆直接承受这种恶劣环境 的部件外 护套是保证 电缆实现上 述功能的重要部分。对 比 P V C、 P E 、 氯磺 化聚乙烯 ( C S M) 和各种弹性体等材 料的性能 ， 最后选择聚氨酯 ( T P U) 作为漂浮电缆外 护套材料 ， 这是最佳的选择。 表 2是几种护套材料性能对比。从表中对 比分 析可以看出， T P U在密度 、 耐腐蚀、 耐霉菌 、 耐油和耐 潮湿等方面都很均衡 ， 且作为护套材料 ， 其优异的机 械强度和柔软性是其它材料无法 比拟的。另外 ， 电 缆做连接时护套接续可采用冷、 热等连接方式 ， 电缆 但是铜单线必须经过适 当工艺处理 ， 在保证满足导 的修复同橡胶相比也十分便利。 表 1 常用电缆绝缘材料性能与 T P V的性 能对 比 性能名称 T P V。 1 0 8 7 A P V C HD P E X L P E E P D M 密度 ( g e m ) 0 9 6 1 2 51 4 0 0 9 4 1 0 9 6 5 O 9 20 9 5 O 8 6 硬度 ( 邵氏 A) 8 7 3 09 0 抗拉强度 MP a 1 6 8 1 5 2 5 2 5 3 4 1 42 3 l 32 4 伸长率 5 5 O 1 0 0 4 0 0 5 0 0 7 0 0 4 5 06 0 0 3 0 08 0 0 体积 电阻率 ( n m) 1 0 “1 0 1 5 1 0 l o 1 0 l O 1 O 。 6 61 0 相对介电常数( 2 0 ， 5 0 H z ) 2 3 2 6 8 2 3 O 2 3 O 3 O一3 5 介质损耗角正切( 2 O， 5 O H z ) 0 0 0 0 9 0 0 4 0 1 2 0 0 0 2 0 0 0 5 0 o o 2 0 0 0 3 0 0 O 4 2 0 1 0年第 4期 No 4 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t ric W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g ， 2 01 0 ( 续表 1 ) 性能名称 T P V 1 0 8 7 A P V C H DP E XL P E E P D M 击穿场强 ( MV m) 2 8 3 0 2 3 3 5 3 5 5 0 3 5 5 O 2 83 0 长期使用温度 l o o 6 51 0 5 8 0 9 01 2 5 8 09 O 脆化温度 一 6 O 一 2 0一 4 0 一 6 O 一 5 O 一5 l 一一7 l 软化温度 1 2 0 l 1 01 2 O 吸水性 优 O 51 0 O 0 1 优 耐气候性 优 优 差 差 优 耐热老化性 优 可 优 优 优 耐热变形性 可 可 由 优 良 耐油性 优 优 良 良 差 注 ： 1 资料来源 ： 除了 T P V一 1 0 8 7 A摘 自于 T R S公 司提供 的产品资料外 ， 其他 均摘 自文献 1 。 2 性能顺 序为优 、 良、 中 、 可 、 差 ， 下表相同。 表 2 常用 电缆护套材料 与 T P U的性能对 比 性能名称 T P U P V C H D P E XL P E C S M 密度 ( g c m ) 1 11 2 1 2 51 4 0 0 9 4 1 0 9 6 5 O 9 2 O 9 5 1 1 2一1 2 7 硬度( 邵 氏 A) 8 2 8 8 4 O一9 5 抗拉强度 MP a 4 7 5 3 1 5 2 5 2 5 3 4 1 4 2 3 l 72 l 伸长率 5 2 5 5 5 5 1 0 0 4 0 0 5 0 0 7 0 O 4 5 0 6 0 0 2 0 08 0 0 长期使 用温度 7 0 6 51 0 5 8 0 9 01 2 5 9 0l O 5 脆化温度 一 7 O一 7 2 2 0一 4 0 一 6 O 一 5 0 4 0一一 6 5 软化温度 l 2 O l 1 O1 2 0 吸水性 O 3 O 5 O 5一1 0 O O 1 良 耐气候性 良 优 差 差 优 耐热老化 性 良 可 优 优 优 耐热变形性 良 可 中 优 可 耐油性 良 优 良 良 良 注 ： 除了 T P U的性 能指标 为样 品实测值外 ， 其他均摘 自文献 1 。 5 结束语 按上述设计 的水面漂浮电缆， 其工艺实现顺利 ， 经测试各种性能均符合使用要求 ， 其 中， 工作拉力为 2 5 0 0 k g 、 8 h 、 破断拉力大于 5 5 0 0 k g 。实际应用时 需要将浮水电缆与其他组合电缆 ( 端头夹具 +浮水 电缆 1 0 m+连 接头 +拖 曳 电缆 4 0 m+端 头 夹具 ) 配 合使用 。经用户实 际应 用验证其 可 以满足 使用要 求 。 参考文献 ： 1 王 春 江 主编 电线 电缆 手册 M 北 京 ： 机 械 工 业 出 版社 ， 2 0 0 2 2l