基于一體化設計的海上供電與信息傳輸方案

付德強，胡迺成，侯寶娥

(海軍91439 部隊，遼寧 大連 116041)

艦船抗沖擊試驗由于被試艦船距離水雷較近，水雷爆炸時的強烈沖擊會造成靶船自身供電系統破壞，而不能對靶船上的試驗測量設備進行供電，必須考慮進行外部供電。同時，測量設備分別布放在被試艦和測量船上，設備之間用光纜進行數據圖像傳輸，而光纜海上布放安全風險高難度大，必須考慮安全可靠的光纜傳送方案。在靶場其他試驗中也曾遇到過相似情況，那時的做法是選用鋼索作為承受拉力的拉力纜，將電纜或光纜與拉力纜捆綁在一起，并在拉力纜上等間隔綁上浮漂，由浮漂提供浮力，使電纜不致于沉入海底。如圖1 所示。

圖1 第三種方案示意圖

1 電纜及光纜傳輸方案論證

從理論上講，在海上將供電電纜和光纜從供電船傳送到被試艦上有3 種方案可以考慮:一是空中架線;二是沿海底傳送;三是沿水面傳送。前2 種方案都不可取。沿水面傳送

但是上述方法并不能用于水雷對實船的爆炸試驗，其原因是這種方法實施復雜，耗時長，不符合艦船抗沖擊試驗快捷安全的要求。對圖1 所示方法進行改進，研制一體化復合電纜，將電纜、拉力纜、光纜置于同一電纜內，三纜之間用浮子填充，并由浮子提供原由浮漂產生的浮力，加工成一復合電纜。這樣不但能滿足電纜傳輸快捷安全的要求，同時把光纜放在浮子中進行保護，也解決了測量設備所用光纜海上傳輸難題。

2 復合電纜方案設計論證

復合電纜具體設計方案如圖2 所示。

圖2 復合電纜總體設計方案

2.1 復合電纜長度確定

供電船與靶船間的安全距離為300 m，由于爆炸環境下海上實施比較復雜，復合電纜要有較大余量，因此復合電纜長度取540 m。

2.2 浮子芯組

浮子芯組主要作用是為電纜提供足夠的浮力。浮子由發泡材料制成，由軟、硬浮子相間連接構成，硬浮子較堅硬，不易壓縮變形，軟浮子便于彎曲，以保證復合電纜的柔韌性。

在浮子圓截面共開設1 個圓孔和4 個凹槽，圓孔位于浮子圓截面中心，用拉力纜貫穿其中，4 個凹槽分別放置電纜的3 根火線、1 根零線以及光纜。零線可用內置鋼絲繩代替。

2.3 光纜

光纜置于復合電纜內，在復合電纜的保護下可方便安全地進行海上傳輸，光纜內共配置5 對光纖，每對光纖用PBT管進行保護，5 對光纖外采用芳綸加強，并用PVC 管進行外圍防護，以免光纖受到壓迫而斷掉或變形。

2.4 供電電纜設計

1)供電相制選擇

供電電纜傳輸的是380 V 三相交流電，因而供電電纜設計為三相四芯電纜:一零線和三火線。

2)電纜芯線材料選擇

由于銅導電性能良好，電纜芯線選為銅芯，考慮到電纜有柔韌性要求，可選銅絞線作為芯線。

3)線電流計算

已知條件:傳輸功率30 kW，三相交流電，線電壓380 V。可以推出線電流:

4)電壓降

線電流I=53(A)，20℃導體直流電阻R=0.727 Ω/km，線路長度L=540 m，則電壓降

符合國家電網電壓波動范圍為±10%的規定。

5)功率損耗

滿足到靶船后最大功率大于25 kW 的指標要求。

6)導體直流電阻

符合GB/T 3956—1997《電纜的導體》標準第二種導體的規定，20℃時導體最大電阻為0.727 Ω/km。供電電纜長度取540 m(30 m 分體纜+450 m 復合纜+60 m 分體纜)，電纜總的電阻為

7)供電電纜的確定

由計算結果可知導線線芯橫截面積應大于24 mm2。查閱電工手冊［2］，最終選定電纜線芯截面積為25 mm2。

2.5 拉力纜設計計算

拉力纜的主要作用是保證復合電纜在海上風流作用下不被拉斷。由于復合電纜設計為正浮力電纜，因而電纜在海面的狀態應是一部分浸在水中，一部分露出水面。在進行拉力纜設計計算時，為穩妥可靠且計算簡單，按電纜全部浸入水中進行計算，并取適當的安全系數。

1)單位長復合電纜所受流體動力計算

研究電纜在水中的流體動力，應取速度坐標系O-XYZ，其中Y 軸垂直水面向上為正。由于現在研究正浮力電纜，電纜浮在水面Y=0，則復合電纜流體動力計算就簡化為平面問題。單位長度復合電纜在平面坐標系中受流體動力情況如圖3 所示。

圖3 單位長度復合電纜受流體動力情況示意圖

其中X 軸正向與水流速度方向相反，Z 軸與水流速度方向垂直，正向按右手螺旋法則確定如圖3 所示。

α 角為水流速度方向與復合電纜夾角。如圖3 所示將速度V 沿復合電纜法向和切向方向分解

令Cx90o代表復合電纜的軸垂直于水流方向時的阻力系數;Cxf代表復合電纜的軸平行于水流方向時的阻力系數。則

其中:τN為單位長度復合電纜所受流體動力法向分量(kg);τt為單位長度復合電纜所受流體動力切向分量(kg);ρ 為流體密度，ρ=104 kg·S2/m4;V 為水流速度(m/s);d 為復合電纜外徑(m)。

系數Cx90°、Cxf取值可近似取掃雷具鋼索計算的流體動力系數值，掃雷具鋼索的系數分別為

考慮到復合電纜外徑較掃雷具鋼索光滑，Cx90°可取下限值，即Cx90°=1.0。

同時，考慮到海域水面水流流速一般都不會超過2 節，則水中流速取為:V=1 m/s。

在上述情況下:

2)復合電纜拉力纜拉力計算

根據復合電纜受力分析可知，重力與浮力相平衡，拉力纜拉力決定于復合電纜所受流體動力大小，即T=R。

復合電纜順流布放時:

當α=0°時，即復合電纜順流布放時

假設d=0.05 m，L=300 m，則

兩船間連線與流向垂直時:

當兩船間連線與流向垂直時，復合電纜在水中態勢如圖4 所示。

可利用雙艦拖纜掃雷計算公式進行計算。

根據參考文獻［1］，有

其中:L 為水中復合電纜長度的1/2(m);Z 為兩船間直線距離的1/2(m);X 為復合電纜后延距離(m);T 為復合電纜拉力(kg);α 為電纜初端與流向間的夾角;α0為電纜中部與流向間的夾角。

在圖4 中α0=90°，則:

取Z 為兩船間安全距離的一半，即

當電纜外徑d=0.05 m，L 取不同值時，可得表1，如表1所示。

表1 計算結果（Z=150 m，d=0.05 m）

通過上述計算可知，當復合電纜外徑為0.05 m，并且順流布放300 m 時，復合電纜拉力纜拉力僅需16 kg。因而，復合電纜順流布放時受力很小，但考慮到試驗期間，流向會不斷發生變化，有可能導致復合電纜與流向處于垂直狀態，這樣就會大大增加復合電纜的拉力，因此，復合電纜中拉力纜拉力指標應以與流向垂直狀態進行考慮。試驗時，電纜是順流布放，復合電纜也不宜放太長，復合電纜太長有可能漂到供電船底部，發生纏繞現象。綜合考慮以上因素，兩船間距離為300 m 時，放纜長度為340 ～360 m 左右為宜，由表1可知:

當L=170 m 時，T=439 kg。

考慮到電纜在爆炸環境下使用，電纜拉力應取一定的安全系數。為穩妥考慮，取拉力纜拉力T=1.2 t。

3)拉力纜選取

選取鋼索做拉力纜，當鋼索直徑φ 為4 mm 時，破斷拉力為1.2 t;當鋼索直徑φ 為5 mm 時，破斷拉力為1.8 t，因此，可選用直徑φ 為4 ～5 mm 的鋼索作為拉力纜。

3 結束語

本文提出了電纜、光纜、拉力纜三纜合一的一體化設計方案，并進行了具體指標設計論證，為解決艦船抗沖擊試驗海上供電與信息傳輸兩大難題提供了科學的辦法和途徑，必將為各型號艦船抗沖擊試驗的順利進行發揮重要作用，具有良好的應用前景和較高的軍事價值。

［1］白美駒.接觸掃雷具設計原理［M］.武漢:海軍工程學院印刷廠，1981.

［2］周希章. 電工技術手冊［M］. 北京: 中國電力出版社，2004.

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