CN109273142B

CN109273142B - 一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法

Info

Publication number: CN109273142B
Application number: CN201810982600.0A
Authority: CN
Inventors: 梅文杰; 潘文林; 李自为; 钱志康; 邢洁
Original assignee: Hengtong Submarine Power Cable Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Hengtong Wire and Cable Technology Co Ltd; Hengtong Submarine Power Cable Co Ltd
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2019-11-05
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: JP2021506042A; WO2020042439A1; CN109273142A

Abstract

本发明公开了一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，具体步骤包括：1)确定电阻；2)计算导体外径D_A和单丝直径d；3)计算出各层导体绞合外径D_m；4)计算各层紧压量ΔD_m；5)对各层紧压量ΔD_m进行比较；6)计算每层导体单丝根数；7)确定每层导体单丝根数。通过上述方式，本发明一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，该设计方法可以应用于不同截面的导体设计，使得不同截面的导体设计更加的规范，弥补了没有通用的导体设计方法这一缺陷。

Description

一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法

技术领域

本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法。

背景技术

随着海岛开发战略和海上可再生能源发电的快速发展，尤其是海上风力发电的迅速扩张，海底高压电力电缆需求越来越大，国内220kV交流光电复合海底电缆已经产业化，500kV交流海底高压电缆在舟山也有成功应用，且大截面交流海缆导体依然是采用圆形单丝圆形紧压绞合方式制作而成，但对于现有的大截面海缆导体的设计方法还不完善，没有一个通用的方法来制造不同截面的导体。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，能够制造不同截面的导体。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，具体步骤包括：

1)确定电阻：确定所设计海缆导体的电阻R_cu；

2)计算导体外径D_A和单丝直径d：将步骤1)确认好的海缆导体的电阻R_cu代入计算公式(1)中，从而计算出导体外径D_A和单丝直径d，

其中S为导体截面积，k₁为导体系数，k₂为绞合系数，ρ_cu为铜导体电阻率，R_cu为电阻，η为导体填充系数，μ为紧压系数，k₃为成缆与否的系数，n为单丝总根数；

3)计算出各层导体绞合外径D_m：

其中D₁＝d，制定紧压后导体外径D_1修

D₂＝D_1修+2d，制定紧压后导体外径D_2修

D₃＝D_2修+2d，制定紧压后导体外径D_3修

·

D_m＝D_m-1修+2d，制定紧压后导体外径D_m修.

其中m为大于等于1小于等于7的整数，D_m为导体绞合外径，D_m修为D_m同一层对应的紧压导体外径；

4)计算各层紧压量ΔD_m：根据计算公式(2)计算各层紧压量ΔD_m，

ΔD_m＝D_m-D_m修 (2)

其中m为大于等于1小于等于7的整数；

5)对各层紧压量ΔD_m进行比较：根据计算公式(3)对各层紧压量ΔD_m进行比较，

ΔD_m≤ΔD_m+1 (3)

其中m为大于等于1小于等于7的整数，若满足，则执行步骤6)，若不满足，则执行步骤3)重新设置D_m修；

6)计算每层导体单丝根数：n₁＝1，根据计算公式(4)计算从第二层开始每层导体单丝根数n_v计，

n_v计＝π(D_v修+d)/d (4)

其中v为大于等于2小于等于7的整数；

7)确定每层导体单丝根数：n₁＝1，n_v为在步骤(6)计算的每层导体单丝根数的基础上对n_v计进行±2之间的取整处理，从而得到n_v，其中v为大于等于2小于等于7的整数。

在本发明一个较佳实施例中，由于d及D_修根据各家公司设备、工艺及技术偏好的因素进行取值，存在不确定性，每家电缆公司取值有差异，导致各层的n₁，n₂，n₃……n_v值有变化，最终的n值有变化，需要反复，循环求解，得到最优的单丝直径d及各层单丝根数n₁，n₂，n₃……n_v。

在本发明一个较佳实施例中，当相邻的ΔD_m变化幅值过大时使得生产过程中不好排列，紧压量突然增大对设备的牵引力要求高，容易出现断丝，不利于生产，此时应该重新设定D_m修，从而进行重新设计。

在本发明一个较佳实施例中，所述海缆导体为圆形导体。

在本发明一个较佳实施例中，所述海缆导体由若干所述单丝采用圆形紧压结构组成。

在本发明一个较佳实施例中，所述海缆导体由一中心所述单丝和六层所述单丝组成。

在本发明一个较佳实施例中，所述单丝采用圆铜丝。

在本发明一个较佳实施例中，ΔD₁≤ΔD₂≤ΔD₃≤ΔD₄≤ΔD₅≤ΔD₆≤ΔD₇。

在本发明一个较佳实施例中，n＝n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇。

在本发明一个较佳实施例中，每层导体单丝根数n_v其对应数量须分别小于等于1，6，12，18，24，30，36。

本发明的有益效果是：本发明一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，该设计方法可以应用于不同截面的导体设计，使得不同截面的导体设计更加的规范，弥补了没有通用的导体设计方法这一缺陷。

附图说明

图1为一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法制作的海缆导体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例包括：一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，所述海缆导体为圆形导体。

所述海缆导体由若干所述单丝采用圆形紧压结构组成，所述海缆导体由一中心所述单丝和六层所述单丝组成，所述单丝采用圆铜丝，采用圆铜丝可以减小加工难度，减小对拉丝机要求。

实施例1

截面为S＝2000mm²导体的设计方法，具体步骤包括：

1)确定电阻：确定所设计海缆导体的电阻R_cu，本实施例中，R_cu＝0.0090Ω/km。

其中S为导体截面积，k₁为导体系数，k₂为绞合系数，ρ_cu为铜导体电阻率，R_cu为电阻，η为导体填充系数，μ为紧压系数，k₃为成缆与否的系数，n为单丝总根数，通过查询国家标准中规定的导体电阻要求，或者测算所需的载流量，对20铜导体电阻率ρ_cu取值1.724 1×10^–8Ω·m，R_cu取值0.0090Ω/km，k₁取值1.02，k₂取值1.02，k₃取值1.00，η取值0.96，μ取值1.12，n取值123，根据计算公式(1)可计算得S＝1993.1mm²，D_A≈51.41mm(修正为52.0mm)，d＝4.81mm。

3)计算出各层导体绞合外径D_m：

其中D₁＝d，制定紧压后导体外径D_1修

D₂＝D_1修+2d，制定紧压后导体外径D_2修

D₃＝D_2修+2d，制定紧压后导体外径D_3修

D₄＝D_3修+2d，制定紧压后导体外径D_4修

D₅＝D_4修+2d，制定紧压后导体外径D_5修

D₆＝D_5修+2d，制定紧压后导体外径D_6修

D₇＝D_6修+2d，制定紧压后导体外径D_7修.

其中m为大于等于1小于等于7的整数，D_m为导体绞合外径，D_m修为D_m同一层对应的紧压导体外径。

本实施例中，D₁＝4.81mm，D₂＝14.43mm，D₃＝23.12mm，D₄＝31.42mm，D₅＝39.32mm，D₆＝47.02mm，D₇＝54.42mm。

D_1修＝4.81mm，D_2修＝13.50mm，D_3修＝21.80mm，D_4修＝29.70mm，D_5修＝37.40mm，D_6修＝44.80mm，D_7修＝52.00mm。

ΔD_m＝D_m-D_m修 (2)

其中m为大于等于1小于等于7的整数。

本实施例中，ΔD₁＝D₁-D_1修，ΔD₂＝D₂-D_2修，ΔD₃＝D₃-D_3修，ΔD₄＝D₄-D_4修，ΔD₅＝D₅-D_5修，ΔD₆＝D₆-D_6修，ΔD₇＝D₇-D_7修。

本实施例中，ΔD₁＝0mm，ΔD₂＝0.93mm，ΔD₃＝1.32mm，ΔD₄＝1.72mm，ΔD₅＝1.92mm，ΔD₆＝2.22mm，ΔD₇＝2.42mm。

ΔD_m≤ΔD_m+1 (3)

其中m为大于等于1小于等于7的整数，若满足，则执行步骤6)，若不满足，则执行步骤3)重新设置D_m修。

由步骤4)可知ΔD₁≤ΔD₂≤ΔD₃≤ΔD₄≤ΔD₅≤ΔD₆≤ΔD₇，符合计算公式(3)，执行步骤6)。

n_v计＝π(D_v修+d)/d (4)

其中v为大于等于2小于等于7的整数。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝π(D_2修+d)/d，n_3计＝π(D_3修+d)/d，n_4计＝π(D_4修+d)/d，n_5计＝π(D_5修+d)/d，n_6计＝π(D_6修+d)/d，n_7计＝π(D_7修+d)/d。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝6.3，n_3计＝12，n_4计＝17.4，n_5计＝22.5，n_6计＝27.6，n_7计＝32.4。

7)确定每层导体单丝根数：n₁＝1，n_v为在步骤(6)计算的每层导体单丝根数的基础上对n_v计进行±2之间的取整处理，从而得到n_v，其中v为大于等于2小于等于7的整数，根据n＝n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇和每层导体单丝根数n_v其对应数量须分别小于等于1，6，12，18，24，30，36来确定n_v的最终值。

本实施例中，n₁＝1，n₂＝6，n₃＝12，n₄＝18，n₅＝23，n₆＝29，n₇＝34。

理论计算根数与实际单丝根数相差内层±1根，外层±2根，可能计算更大截面时，相差有±3根或更多，且从内层向外层，单丝数量偏差呈增大趋势。

	1	2	3	4	5	6	7
								绞合外径	4.81	14.43	23.12	31.42	39.32	47.02	54.42
紧压外径	4.81	13.5	21.8	29.7	37.4	44.8	52
								紧压差	0	0.93	1.32	1.72	1.92	2.22	2.42
计算根数	1.0	6.3	12.0	17.4	22.5	27.6	32.4
								标准根数	1	6	12	18	24	30	36
实际根数	1	6	12	18	23	29	34

表1

	1	2	3	4	5	6	7
								绞合外径	4.81	14.43	22.62	30.72	38.72	46.72	54.42
紧压外径	4.81	13	21.1	29.1	37.1	44.8	52
								紧压差	0	1.43	1.52	1.62	1.62	1.92	2.42
计算根数	1.0	6.3	11.6	16.9	22.1	27.4	32.4
								每盘根数	1	6	12	18	24	30	36
实际根数	1	6	12	18	23	29	34

表2

表1和表2为D_m修不同取值时的截面为S＝2000mm²导体的设计参数表，如表2所示，第2层导体紧压外径取值为了保证各层紧压量规律不变，由内向外直径依次取值21.1mm，29.1mm，37.1mm，44.8mm，52.0mm，但最外层与次外层紧压量由1.92mm上升到2.42mm，与之前相比，变化幅值太大，且在第4层，理论计算根数与实际排列根数相差1.1根，也不满足导体相差根数逐渐上升的趋势，根数相差太大，对生产过程中不好排列，紧压量突然增大，对设备的牵引力要求高，且容易出现断丝，不利于生产，经过调整，如表1所示，比较符合实际生产需求。

实施例2

截面为S＝1800mm²导体的设计方法，具体步骤包括：

1)确定电阻：确定所设计海缆导体的电阻R_cu，本实施例中，R_cu＝0.0101Ω/km。

其中S为导体截面积，k₁为导体系数，k₂为绞合系数，ρ_cu为铜导体电阻率，R_cu为电阻，η为导体填充系数，μ为紧压系数，k₃为成缆与否的系数，n为单丝总根数，通过查询国家标准中规定的导体电阻要求，或者测算所需的载流量，对20铜导体电阻率ρ_cu取值1.724 1×10^–8Ω·m，R_cu取值0.0101Ω/km，k₁取值1.02，k₂取值1.02，k₃取值1.00，η取值0.9，μ取值1.09，n取值89，根据计算公式(1)可计算得S＝1775.9mm²，D_A≈50.46mm(修正为50.5mm)，d＝5.26mm。

3)计算出各层导体绞合外径D_m：

其中D₁＝d，制定紧压后导体外径D_1修

D₂＝D_1修+2d，制定紧压后导体外径D_2修

D₃＝D_2修+2d，制定紧压后导体外径D_3修

D₄＝D_3修+2d，制定紧压后导体外径D_4修

D₅＝D_4修+2d，制定紧压后导体外径D_5修

D₆＝D_5修+2d，制定紧压后导体外径D_6修.

本实施例中，D₁＝5.26mm，D₂＝15.78mm，D₃＝25.52mm，D₄＝35.02mm，D₅＝44.12mm，D₆＝52.28mm。

D_1修＝5.26mm，D_2修＝15mm，D_3修＝24.5mm，D_4修＝33.6mm，D_5修＝42.3mm，D_6修＝50.5mm。

ΔD_m＝D_m-D_m修 (2)

其中m为大于等于1小于等于7的整数。

本实施例中，ΔD₁＝D₁-D_1修，ΔD₂＝D₂-D_2修，ΔD₃＝D₃-D_3修，ΔD₄＝D₄-D_4修，ΔD₅＝D₅-D_5修，ΔD₆＝D₆-D_6修。

本实施例中，ΔD₁＝0mm，ΔD₂＝0.78mm，ΔD₃＝1.02mm，ΔD₄＝1.42mm，ΔD₅＝1.82mm，ΔD₆＝2.32mm。

ΔD_m≤ΔD_m+1 (3)

由步骤4)可知ΔD₁≤ΔD₂≤ΔD₃≤ΔD₄≤ΔD₅≤ΔD₆，符合计算公式(3)，执行步骤6)。

n_v计＝π(D_v修+d)/d (4)

其中v为大于等于2小于等于7的整数。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝π(D_2修+d)/d，n_3计＝π(D_3修+d)/d，n_4计＝π(D_4修+d)/d，n_5计＝π(D_5修+d)/d，n_6计＝π(D_6修+d)/d。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝6.3，n_3计＝12.1，n_4计＝17.8，n_5计＝23.2，n_6计＝28.4。

本实施例中，n₁＝1，n₂＝6，n₃＝12，n₄＝18，n₅＝23，n₆＝29。

	1	2	3	4	5	6
							绞合外径	5.26	15.78	25.52	35.02	44.12	52.82
紧压外径	5.26	15	24.5	33.6	42.3	50.5
							紧压差	0	0.78	1.02	1.42	1.82	2.32
计算根数	1.0	6.3	12.1	17.8	23.2	28.4
							标准根数	1	6	12	18	24	30
实际根数	1	6	12	18	23	29

表3

表3为截面为S＝1800mm²导体的设计参数表。

实施例3

截面为S＝1600mm²导体的设计方法，具体步骤包括：

1)确定电阻：确定所设计海缆导体的电阻R_cu，本实施例中，R_cu＝0.0113Ω/km。

其中S为导体截面积，k₁为导体系数，k₂为绞合系数，ρ_cu为铜导体电阻率，R_cu为电阻，η为导体填充系数，μ为紧压系数，k₃为成缆与否的系数，n为单丝总根数，通过查询国家标准中规定的导体电阻要求，或者测算所需的载流量，对20铜导体电阻率ρ_cu取值1.724 1×10^–8Ω·m，R_cu取值0.0113Ω/km，k₁取值1.02，k₂取值1.02，k₃取值1.00，η取值0.89，μ取值1.08，n取值60，根据计算公式(1)可计算得S＝1587.3mm²，D_A≈47.84mm(修正为48.0mm)，d＝6.03mm。

3)计算出各层导体绞合外径D_m：

其中D₁＝d，制定紧压后导体外径D_1修

D₂＝D_1修+2d，制定紧压后导体外径D_2修

D₃＝D_2修+2d，制定紧压后导体外径D_3修

D₄＝D_3修+2d，制定紧压后导体外径D_4修

D₅＝D_4修+2d，制定紧压后导体外径D_5修.

本实施例中，D₁＝6.03mm，D₂＝18.09mm，D₃＝29.26mm，D₄＝39.96mm，D₅＝50.26mm。

D_1修＝6.03mm，D_2修＝17.2mm，D_3修＝27.9mm，D_4修＝38.2mm，D_5修＝48mm。

ΔD_m＝D_m-D_m修 (2)

其中m为大于等于1小于等于7的整数。

本实施例中，ΔD₁＝D₁-D_1修，ΔD₂＝D₂-D_2修，ΔD₃＝D₃-D_3修，ΔD₄＝D₄-D_4修，ΔD₅＝D₅-D_5修。

本实施例中，ΔD₁＝0mm，ΔD₂＝0.89mm，ΔD₃＝1.36mm，ΔD₄＝1.76mm，ΔD₅＝2.26mm。

ΔD_m≤ΔD_m+1 (3)

由步骤4)可知ΔD₁≤ΔD₂≤ΔD₃≤ΔD₄≤ΔD₅，符合计算公式(3)，执行步骤6)。

n_v计＝π(D_v修+d)/d (4)

其中v为大于等于2小于等于7的整数。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝π(D_2修+d)/d，n_3计＝π(D_3修+d)/d，n_4计＝π(D_4修+d)/d，n_5计＝π(D_5修+d)/d。

本实施例中，n₁＝1，n_2计＝6.3，n_3计＝12.1，n_4计＝17.7，n_5计＝23。

本实施例中，n₁＝1，n₂＝6，n₃＝12，n₄＝18，n₅＝23。

表4

表4为截面为S＝1600mm²导体的设计参数表。

由于d及D_修根据各家公司设备、工艺及技术偏好的因素进行取值，存在不确定性，每家电缆公司取值有差异，导致各层的n₁，n₂，n₃……n_v值有变化，最终的n值有变化，需要反复，循环求解，得到最优的单丝直径d及各层单丝根数n₁，n₂，n₃……n_v。

该设计方法可以应用于不同截面的导体设计，如截面为S＝1600mm²导体的设计、截面为S＝1800mm²导体的设计和截面为S＝2000mm²导体的设计，使得不同截面的导体设计更加的规范，通过该一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法就能对各种截面的导体进行设计，弥补了本行业内没有通用的导体设计方法这一缺陷。

与现有技术相比，本发明一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，该设计方法可以应用于不同截面的导体设计，使得不同截面的导体设计更加的规范，弥补了没有通用的导体设计方法这一缺陷。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于，具体步骤包括：

1）确定电阻：确定所设计海缆导体的电阻R_cu；

2）计算导体外径D_A和单丝直径d：将步骤1）确认好的海缆导体的电阻R_cu代入计算公式（1）中，从而计算出导体外径D_A和单丝直径d，

（1）

3）计算出各层导体绞合外径D_m：

其中 D₁=d，制定紧压后导体外径D_1修

D₂=D_1修+2d，制定紧压后导体外径D_2修

D₃=D_2修+2d，制定紧压后导体外径D_3修

·

D_m=D_m-1修+2d，制定紧压后导体外径D_m修；

其中m为大于等于1小于等于7的整数，D_m为导体绞合外径，D_m修为D_m同一层对应的紧压导体外径;

4）计算各层紧压量ΔD_m：根据计算公式（2）计算各层紧压量ΔD_m，

ΔD_m=D_m- D_m修（2）

其中m为大于等于1小于等于7的整数；

5）对各层紧压量ΔD_m进行比较：根据计算公式（3）对各层紧压量ΔD_m进行比较，

ΔD_m≤ΔD_m+1（3）

其中m为大于等于1小于等于7的整数，若满足，则执行步骤6），若不满足，则执行步骤3）重新设置D_m修;

6）计算每层导体单丝根数：n₁=1，根据计算公式（4）计算从第二层开始每层导体单丝根数n_v计，

n_v计=π(D_v修+d)/d （4）

其中v为大于等于2小于等于7的整数;

7）确定每层导体单丝根数：n₁=1，n_v为在步骤6）计算的每层导体单丝根数的基础上对n_v计进行±2之间的取整处理，从而得到n_v，其中v为大于等于2小于等于7的整数。

2.根据权利要求1所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：由于d及D_修根据各家公司设备、工艺及技术偏好的因素进行取值，存在不确定性，每家电缆公司取值有差异，导致各层的n₁，n₂，n₃……n_v值有变化，最终的n值有变化，需要反复，循环求解，得到最优的单丝直径d及各层单丝根数n₁，n₂，n₃……n_v。

3.根据权利要求1所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：当相邻的ΔD_m变化幅值过大时使得生产过程中不好排列，紧压量突然增大对设备的牵引力要求高，容易出现断丝，不利于生产，此时应该重新设定D_m修，从而进行重新设计。

4.根据权利要求1所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：所述海缆导体为圆形导体。

5.根据权利要求4所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：所述海缆导体由若干所述单丝采用圆形紧压结构组成。

6.根据权利要求5所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：所述海缆导体由一中心所述单丝和六层所述单丝组成。

7.根据权利要求1所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：所述单丝采用圆铜丝。

8.根据权利要求5所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：ΔD₁≤ΔD₂≤ΔD₃≤ΔD₄≤ΔD₅≤ΔD₆≤ΔD₇。

9.根据权利要求5所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：n=n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇。

10.根据权利要求5所述的一种采用圆形单丝圆形紧压结构的海缆导体的设计方法，其特征在于：每层导体单丝根数n_v其对应数量须分别小于等于1，6，12，18，24，30，36。