水平傳輸用漂浮電力電纜的設計

張 偉， 楊 剛

(1.沈陽電纜有限責任公司，遼寧沈陽110025;2.遼寧省產品質量監督檢驗院，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，它關系到艦船本體及水面或水中用電設備的功能實現和安全保障。漂浮電纜的結構如圖1所示。本文按照漂浮電纜的結構分幾部分介紹并討論相應的設計思想。

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。新功能材料的出現為選材提供了更多的可能，特別是橡塑類發泡材料，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計要求。

圖1 漂浮電纜結構圖

關于漂浮元件在電纜中的位置，若從常規電纜設計方法考慮，導體應該在中心，雖然導體結構因此較穩定，但是由于漂浮元件熱阻較大，勢必造成整體熱阻大，導致電纜載流量降低，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 電纜導體

導體的設計主要根據電纜的傳輸容量和供電方式等相關技術要求來進行。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。因而電纜的導體既要采用較大截面絞合導體，同時還應該部分采用絕緣導體，以保證多極供電的可行性和可靠性。

關于絞合導體的使用，由于導體非中心式絞合，因而使用中可能存在著由于絞合造成的扭轉，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必然產生，因此必須采用相互反方向的多層絞合導體。

(1)主導體——主導體是指給大電流電極傳輸電流的導體。由于其截面積較大，電壓降很小，因而選用雙層相同根數、絞向相反的絞合導體結構(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，因此這種結構在制造和使用中不會產生扭轉。

(2)輔導體——輔導體是指給較小電流電極傳輸電流的導體，考慮其根數較少，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，將輔導體設計為絕緣導體。

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，考慮承荷元件與導體兩種材料彈性模量的差異，將導致電纜承受拉力時兩者受力不一致，會產生很多問題。經過綜合計算，認為采用綜合銅導體，既作為傳輸導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計思想的重要突破。但是銅單線必須經過適當工藝處理，在保證滿足導體電阻要求的同時，其抗張強度應適當提高，1%應力也應有保證，即在電纜承受工作拉力時基本無變形。經實際測試，該結構電纜的“工作拉力”和“拉斷力”都達到設計要求且有裕度。

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。經過對國內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品中廣泛使用。

4 電纜護套

漂浮電纜使用于惡劣環境中，環境溫度變化范圍大，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境的部件——外護套是保證電纜實現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可采用冷、熱等連接方式，電纜的修復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

(續表1)

表2 常用電纜護套材料與TPU的性能對比

5 結束語

按上述設計的水面漂浮電纜，其工藝實現順利，經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。經用戶實際應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:機械工業出版社，2002.