基于一体化设计的海上供电与信息传输方案

付德强，胡迺成，侯宝娥

(海军91439 部队，辽宁 大连 116041)

舰船抗冲击试验由于被试舰船距离水雷较近，水雷爆炸时的强烈冲击会造成靶船自身供电系统破坏，而不能对靶船上的试验测量设备进行供电，必须考虑进行外部供电。同时，测量设备分别布放在被试舰和测量船上，设备之间用光缆进行数据图像传输，而光缆海上布放安全风险高难度大，必须考虑安全可靠的光缆传送方案。在靶场其他试验中也曾遇到过相似情况，那时的做法是选用钢索作为承受拉力的拉力缆，将电缆或光缆与拉力缆捆绑在一起，并在拉力缆上等间隔绑上浮漂，由浮漂提供浮力，使电缆不致于沉入海底。如图1 所示。

图1 第三种方案示意图

1 电缆及光缆传输方案论证

从理论上讲，在海上将供电电缆和光缆从供电船传送到被试舰上有3 种方案可以考虑:一是空中架线;二是沿海底传送;三是沿水面传送。前2 种方案都不可取。沿水面传送

但是上述方法并不能用于水雷对实船的爆炸试验，其原因是这种方法实施复杂，耗时长，不符合舰船抗冲击试验快捷安全的要求。对图1 所示方法进行改进，研制一体化复合电缆，将电缆、拉力缆、光缆置于同一电缆内，三缆之间用浮子填充，并由浮子提供原由浮漂产生的浮力，加工成一复合电缆。这样不但能满足电缆传输快捷安全的要求，同时把光缆放在浮子中进行保护，也解决了测量设备所用光缆海上传输难题。

2 复合电缆方案设计论证

复合电缆具体设计方案如图2 所示。

图2 复合电缆总体设计方案

2.1 复合电缆长度确定

供电船与靶船间的安全距离为300 m，由于爆炸环境下海上实施比较复杂，复合电缆要有较大余量，因此复合电缆长度取540 m。

2.2 浮子芯组

浮子芯组主要作用是为电缆提供足够的浮力。浮子由发泡材料制成，由软、硬浮子相间连接构成，硬浮子较坚硬，不易压缩变形，软浮子便于弯曲，以保证复合电缆的柔韧性。

在浮子圆截面共开设1 个圆孔和4 个凹槽，圆孔位于浮子圆截面中心，用拉力缆贯穿其中，4 个凹槽分别放置电缆的3 根火线、1 根零线以及光缆。零线可用内置钢丝绳代替。

2.3 光缆

光缆置于复合电缆内，在复合电缆的保护下可方便安全地进行海上传输，光缆内共配置5 对光纤，每对光纤用PBT管进行保护，5 对光纤外采用芳纶加强，并用PVC 管进行外围防护，以免光纤受到压迫而断掉或变形。

2.4 供电电缆设计

1)供电相制选择

供电电缆传输的是380 V 三相交流电，因而供电电缆设计为三相四芯电缆:一零线和三火线。

2)电缆芯线材料选择

由于铜导电性能良好，电缆芯线选为铜芯，考虑到电缆有柔韧性要求，可选铜绞线作为芯线。

3)线电流计算

已知条件:传输功率30 kW，三相交流电，线电压380 V。可以推出线电流:

4)电压降

线电流I=53(A)，20℃导体直流电阻R=0.727 Ω/km，线路长度L=540 m，则电压降

符合国家电网电压波动范围为±10%的规定。

5)功率损耗

满足到靶船后最大功率大于25 kW 的指标要求。

6)导体直流电阻

符合GB/T 3956—1997《电缆的导体》标准第二种导体的规定，20℃时导体最大电阻为0.727 Ω/km。供电电缆长度取540 m(30 m 分体缆+450 m 复合缆+60 m 分体缆)，电缆总的电阻为

7)供电电缆的确定

由计算结果可知导线线芯横截面积应大于24 mm2。查阅电工手册［2］，最终选定电缆线芯截面积为25 mm2。

2.5 拉力缆设计计算

拉力缆的主要作用是保证复合电缆在海上风流作用下不被拉断。由于复合电缆设计为正浮力电缆，因而电缆在海面的状态应是一部分浸在水中，一部分露出水面。在进行拉力缆设计计算时，为稳妥可靠且计算简单，按电缆全部浸入水中进行计算，并取适当的安全系数。

1)单位长复合电缆所受流体动力计算

研究电缆在水中的流体动力，应取速度坐标系O-XYZ，其中Y 轴垂直水面向上为正。由于现在研究正浮力电缆，电缆浮在水面Y=0，则复合电缆流体动力计算就简化为平面问题。单位长度复合电缆在平面坐标系中受流体动力情况如图3 所示。

图3 单位长度复合电缆受流体动力情况示意图

其中X 轴正向与水流速度方向相反，Z 轴与水流速度方向垂直，正向按右手螺旋法则确定如图3 所示。

α 角为水流速度方向与复合电缆夹角。如图3 所示将速度V 沿复合电缆法向和切向方向分解

令Cx90o代表复合电缆的轴垂直于水流方向时的阻力系数;Cxf代表复合电缆的轴平行于水流方向时的阻力系数。则

其中:τN为单位长度复合电缆所受流体动力法向分量(kg);τt为单位长度复合电缆所受流体动力切向分量(kg);ρ 为流体密度，ρ=104 kg·S2/m4;V 为水流速度(m/s);d 为复合电缆外径(m)。

系数Cx90°、Cxf取值可近似取扫雷具钢索计算的流体动力系数值，扫雷具钢索的系数分别为

考虑到复合电缆外径较扫雷具钢索光滑，Cx90°可取下限值，即Cx90°=1.0。

同时，考虑到海域水面水流流速一般都不会超过2 节，则水中流速取为:V=1 m/s。

在上述情况下:

2)复合电缆拉力缆拉力计算

根据复合电缆受力分析可知，重力与浮力相平衡，拉力缆拉力决定于复合电缆所受流体动力大小，即T=R。

复合电缆顺流布放时:

当α=0°时，即复合电缆顺流布放时

假设d=0.05 m，L=300 m，则

两船间连线与流向垂直时:

当两船间连线与流向垂直时，复合电缆在水中态势如图4 所示。

可利用双舰拖缆扫雷计算公式进行计算。

根据参考文献［1］，有

其中:L 为水中复合电缆长度的1/2(m);Z 为两船间直线距离的1/2(m);X 为复合电缆后延距离(m);T 为复合电缆拉力(kg);α 为电缆初端与流向间的夹角;α0为电缆中部与流向间的夹角。

在图4 中α0=90°，则:

取Z 为两船间安全距离的一半，即

当电缆外径d=0.05 m，L 取不同值时，可得表1，如表1所示。

表1 计算结果（Z=150 m，d=0.05 m）

通过上述计算可知，当复合电缆外径为0.05 m，并且顺流布放300 m 时，复合电缆拉力缆拉力仅需16 kg。因而，复合电缆顺流布放时受力很小，但考虑到试验期间，流向会不断发生变化，有可能导致复合电缆与流向处于垂直状态，这样就会大大增加复合电缆的拉力，因此，复合电缆中拉力缆拉力指标应以与流向垂直状态进行考虑。试验时，电缆是顺流布放，复合电缆也不宜放太长，复合电缆太长有可能漂到供电船底部，发生缠绕现象。综合考虑以上因素，两船间距离为300 m 时，放缆长度为340 ～360 m 左右为宜，由表1可知:

当L=170 m 时，T=439 kg。

考虑到电缆在爆炸环境下使用，电缆拉力应取一定的安全系数。为稳妥考虑，取拉力缆拉力T=1.2 t。

3)拉力缆选取

选取钢索做拉力缆，当钢索直径φ 为4 mm 时，破断拉力为1.2 t;当钢索直径φ 为5 mm 时，破断拉力为1.8 t，因此，可选用直径φ 为4 ～5 mm 的钢索作为拉力缆。

3 结束语

本文提出了电缆、光缆、拉力缆三缆合一的一体化设计方案，并进行了具体指标设计论证，为解决舰船抗冲击试验海上供电与信息传输两大难题提供了科学的办法和途径，必将为各型号舰船抗冲击试验的顺利进行发挥重要作用，具有良好的应用前景和较高的军事价值。

［1］白美驹.接触扫雷具设计原理［M］.武汉:海军工程学院印刷厂，1981.

［2］周希章. 电工技术手册［M］. 北京: 中国电力出版社，2004.

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