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110025;2.辽宁省产品质量监督检验院，辽宁沈阳110004)

0 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1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连接，完全可以满足漂浮功能的设计要求。

图1 漂浮电缆结构图

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 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2 500 kg，拉断力为5 000 kg。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。但是铜单线必须经过适当工艺处理，在保证满足导体电阻要求的同时，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(PVC)、交联聚乙烯(XLPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、三元乙丙橡胶(EPDM)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EPDM和聚丙烯(PP)为基材并使其硫化的热塑橡胶材料(TPV)比较合适，性能对比见表1。

TPV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PVC、PE、氯磺化聚乙烯(CSM)和各种弹性体等材料的性能，最后选择聚氨酯(TPU)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，TPU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TPV的性能对比

(续表1)

表2 常用电缆护套材料与TPU的性能对比

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2 500 kg、8 h、破断拉力大于5 500 kg。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10 m+连接头+拖曳电缆40 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。

［1］王春江主编.电线电缆手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.