張 偉， 楊 剛

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

0 引言

水平傳輸用漂浮電力電纜(以下簡(jiǎn)稱:漂浮電纜)是實(shí)現(xiàn)艦船與水面或水下工作部件之間傳輸動(dòng)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(shí)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(jì)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(biāo)，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(dāng)連接，完全可以滿足漂浮功能的設(shè)計(jì)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(jì)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(shì)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(jì)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(jìn)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(yán)格。因而電纜的導(dǎo)體既要采用較大截面絞合導(dǎo)體，同時(shí)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(jì)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(huì)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(huì)給電纜整體浮力有所貢獻(xiàn)，及確保其可靠性等因素，將輔導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(dú)的承荷元件，如鋼絲、芳綸等材料，但這樣一來，電纜的重量勢(shì)必增加，漂浮指標(biāo)也受影響。另外，無論采用鋼絲、芳綸或高強(qiáng)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(shí)兩者受力不一致，會(huì)產(chǎn)生很多問題。經(jīng)過綜合計(jì)算，認(rèn)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(shí)際上這也是漂浮電纜設(shè)計(jì)思想的重要突破。但是銅單線必須經(jīng)過適當(dāng)工藝處理，在保證滿足導(dǎo)體電阻要求的同時(shí)，其抗張強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)提高，1%應(yīng)力也應(yīng)有保證，即在電纜承受工作拉力時(shí)基本無變形。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該結(jié)構(gòu)電纜的“工作拉力”和“拉斷力”都達(dá)到設(shè)計(jì)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(diǎn):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(duì)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(rèn)為均不適宜。經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外新材料的對(duì)比和試驗(yàn)，我們認(rèn)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(duì)比見表1。

TPV的顯著特點(diǎn)是電性能優(yōu)異，密度小，機(jī)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(hù)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(hù)套是保證電纜實(shí)現(xiàn)上述功能的重要部分。對(duì)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(hù)套材料，這是最佳的選擇。

表2是幾種護(hù)套材料性能對(duì)比。從表中對(duì)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(hù)套材料，其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和柔軟性是其它材料無法比擬的。另外，電纜做連接時(shí)護(hù)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(duì)比

(續(xù)表1)

表2 常用電纜護(hù)套材料與TPU的性能對(duì)比

5 結(jié)束語

按上述設(shè)計(jì)的水面漂浮電纜，其工藝實(shí)現(xiàn)順利，經(jīng)測(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證其可以滿足使用要求。

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