水平傳輸用漂浮電力電纜的設(shè)計

張 偉， 楊 剛

(1.沈陽電纜有限責任公司，遼寧沈陽110025;2.遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，遼寧沈陽110004)

0 引言

水平傳輸用漂浮電力電纜(以下簡稱:漂浮電纜)是實現(xiàn)艦船與水面或水下工作部件之間傳輸動力電能的重要功能元件，它關(guān)系到艦船本體及水面或水中用電設(shè)備的功能實現(xiàn)和安全保障。漂浮電纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文按照漂浮電纜的結(jié)構(gòu)分幾部分介紹并討論相應(yīng)的設(shè)計思想。

1 漂浮元件

漂浮元件是決定電纜能否漂浮在水面的關(guān)鍵元件，它的選用不但決定電纜的漂浮功能指標，而且最大程度地決定了漂浮電纜的制造工藝。以往漂浮元件一般選用特殊木材和空心金屬件，不但成本很高，加工也很麻煩。新功能材料的出現(xiàn)為選材提供了更多的可能，特別是橡塑類發(fā)泡材料，使漂浮元件有了較大的選擇空間。另外，從電纜制造和使用(彎曲性能)來考慮，采用漂浮部件組合并加以適當連接，完全可以滿足漂浮功能的設(shè)計要求。

圖1 漂浮電纜結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于漂浮元件在電纜中的位置，若從常規(guī)電纜設(shè)計方法考慮，導(dǎo)體應(yīng)該在中心，雖然導(dǎo)體結(jié)構(gòu)因此較穩(wěn)定，但是由于漂浮元件熱阻較大，勢必造成整體熱阻大，導(dǎo)致電纜載流量降低，很不利于電纜的大電流傳輸。因此，將漂浮元件置于電纜的中心，這也使漂浮元件的可靠性得到了提高。

2 電纜導(dǎo)體

導(dǎo)體的設(shè)計主要根據(jù)電纜的傳輸容量和供電方式等相關(guān)技術(shù)要求來進行。該電纜一是大電流、低電壓供電;二是多電極使用;三是為保證整體供電要求，電壓降要求較嚴格。因而電纜的導(dǎo)體既要采用較大截面絞合導(dǎo)體，同時還應(yīng)該部分采用絕緣導(dǎo)體，以保證多極供電的可行性和可靠性。

關(guān)于絞合導(dǎo)體的使用，由于導(dǎo)體非中心式絞合，因而使用中可能存在著由于絞合造成的扭轉(zhuǎn)，按通常的電纜鎧裝方式，采用單層絞合，則在制造和使用中這種旋轉(zhuǎn)必然產(chǎn)生，因此必須采用相互反方向的多層絞合導(dǎo)體。

(1)主導(dǎo)體——主導(dǎo)體是指給大電流電極傳輸電流的導(dǎo)體。由于其截面積較大，電壓降很小，因而選用雙層相同根數(shù)、絞向相反的絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(見圖1)。通過計算，由于其絞合后外徑接近，絞入率相同，而且絞向相反，因此這種結(jié)構(gòu)在制造和使用中不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

(2)輔導(dǎo)體——輔導(dǎo)體是指給較小電流電極傳輸電流的導(dǎo)體，考慮其根數(shù)較少，增加絕緣會給電纜整體浮力有所貢獻，及確保其可靠性等因素，將輔導(dǎo)體設(shè)計為絕緣導(dǎo)體。

漂浮電纜是在艦船航行中拖曳使用的，因而其承受的拉力很高，要求工作拉力為2 500 kg，拉斷力為5 000 kg。通常應(yīng)考慮采用單獨的承荷元件，如鋼絲、芳綸等材料，但這樣一來，電纜的重量勢必增加，漂浮指標也受影響。另外，無論采用鋼絲、芳綸或高強度高分子材料，考慮承荷元件與導(dǎo)體兩種材料彈性模量的差異，將導(dǎo)致電纜承受拉力時兩者受力不一致，會產(chǎn)生很多問題。經(jīng)過綜合計算，認為采用綜合銅導(dǎo)體，既作為傳輸導(dǎo)體又作為電纜承荷元件，也是可行的。這樣就解決了承荷和漂浮兩難的問題，實際上這也是漂浮電纜設(shè)計思想的重要突破。但是銅單線必須經(jīng)過適當工藝處理，在保證滿足導(dǎo)體電阻要求的同時，其抗張強度應(yīng)適當提高，1%應(yīng)力也應(yīng)有保證，即在電纜承受工作拉力時基本無變形。經(jīng)實際測試，該結(jié)構(gòu)電纜的“工作拉力”和“拉斷力”都達到設(shè)計要求且有裕度。

3 電纜絕緣

絕緣材料是電纜的重要組成部分。從絕緣性能角度考慮，選擇范圍較為寬泛。但就漂浮電纜而言，絕緣材料的選擇更具特點:一是必須柔軟，易于彎曲;二是密度應(yīng)盡量小，保證浮力;三是具有良好的加工性能。通過對軟聚氯乙烯(PVC)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、三元乙丙橡膠(EPDM)等性能分析，我們認為均不適宜。經(jīng)過對國內(nèi)外新材料的對比和試驗，我們認為以EPDM和聚丙烯(PP)為基材并使其硫化的熱塑橡膠材料(TPV)比較合適，性能對比見表1。

TPV的顯著特點是電性能優(yōu)異，密度小，機械性能好，極易加工，并可回收利用，是較為理想的漂浮電纜用絕緣材料。這種材料也可在其它電纜產(chǎn)品中廣泛使用。

4 電纜護套

漂浮電纜使用于惡劣環(huán)境中，環(huán)境溫度變化范圍大，需要具備耐腐蝕、耐霉菌、耐油和耐潮濕等性能，因此電纜直接承受這種惡劣環(huán)境的部件——外護套是保證電纜實現(xiàn)上述功能的重要部分。對比PVC、PE、氯磺化聚乙烯(CSM)和各種彈性體等材料的性能，最后選擇聚氨酯(TPU)作為漂浮電纜外護套材料，這是最佳的選擇。

表2是幾種護套材料性能對比。從表中對比分析可以看出，TPU在密度、耐腐蝕、耐霉菌、耐油和耐潮濕等方面都很均衡，且作為護套材料，其優(yōu)異的機械強度和柔軟性是其它材料無法比擬的。另外，電纜做連接時護套接續(xù)可采用冷、熱等連接方式，電纜的修復(fù)同橡膠相比也十分便利。

表1 常用電纜絕緣材料性能與TPV的性能對比

(續(xù)表1)

表2 常用電纜護套材料與TPU的性能對比

5 結(jié)束語

按上述設(shè)計的水面漂浮電纜，其工藝實現(xiàn)順利，經(jīng)測試各種性能均符合使用要求，其中，工作拉力為2 500 kg、8 h、破斷拉力大于5 500 kg。實際應(yīng)用時需要將浮水電纜與其他組合電纜(端頭夾具+浮水電纜10 m+連接頭+拖曳電纜40 m+端頭夾具)配合使用。經(jīng)用戶實際應(yīng)用驗證其可以滿足使用要求。

［1］王春江主編.電線電纜手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.