CN110603613A - 用于运输高电压交流电流的方法及铠装电缆 - Google Patents

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Abstract

一种铠装电缆(10)包括：‑多个芯(12)，根据芯绞合方向绞合在一起；‑铠装(16)，包围所述多个芯(12)并且包括根据铠装缠绕方向螺旋缠绕在芯(12)上的一层金属丝线(16a)；其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)中的至少一个沿着电缆长度L循环反转，使得铠装电缆(10)沿着电缆长度包括同向铺设区段(102)，其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)相同。本发明还涉及用于改善铠装电缆(10)的性能的方法以及用于制造铠装电缆(10)的方法。

Description

用于运输高电压交流电流的方法及铠装电缆
技术领域
本发明涉及用于运输交流电流的铠装电缆。本发明还涉及用于改善铠装电缆的性能的方法以及用于制造所述铠装电缆的方法。
背景技术
一般在预期有机械应力的应用中使用铠装电缆。在铠装电缆中，一个或多个电缆芯(在后一种情况下，通常为三股芯)被至少一层金属线形式的铠装层围绕，该铠装层被构造为在维持合适柔性的同时增强电缆结构。每个电缆芯包括棒或绞合线形式的电导体，以及绝缘系统(包括内部半导体层、绝缘层和外部半导体层)，它们可以单独地通过金属筛网进行筛网。金属筛网可以例如由一般挤压层形式的铅制成，或者由纵向包裹的箔片或编织线形式的铜制成。
当交流电流(AC)被运输到电缆中时，电缆芯内的电导体的温度会由于电阻损耗而升高，这种现象称为焦耳效应。
通常确定被运输的电流和电导体的尺寸，以保证电导体中的最高温度维持在保证电缆完整性的预定阈值以下(例如，低于90℃)。
国际标准IEC 60287-1-1(第二版2006-12)提供了根据许可的温度上升、导体电阻、损耗和热阻率的详细信息来计算电缆的许可额定电流的方法。特别地，电缆中额定电流的计算适用于所有交流电压下的稳态操作条件。术语“稳态”旨在表示刚好足以渐近产生最大导体温度的连续恒定电流(100％负载系数)，假设周围环境条件是恒定的。还给出了计算损耗的公式。
在IEC 60287-1-1中，AC电缆的许可的额定电流是从高于环境温度θa的导体许可的温度升高Δθ的表达式中得出的，其中Δθ＝θ-θa，θ是当电流I流入导体时的导体温度，并且θa是在正常情况下、在已安装或将要安装电缆的情况下周围介质的温度，包括任何局部热源的影响，但不包括由于其而发热的紧邻电缆附近的温度升高。例如，导体温度θ应当保持低于大约90℃。
例如，根据IEC 60287-1-1，在埋入式AC电缆中不会发生土壤干裂或空气中AC电缆不存在的情况下，许可的额定电流可以从高于环境温度的温度升高表达式中得出：
图片可在“原始文档”上找到
其中：
I是在一个导体中流动的电流(安培)
Δθ是高于环境温度的导体温度升高(开尔文)
R是在最高工作温度下导体的每单位长度的交流电阻(Ω/m)；
Wd是包围导体的绝缘体的每单位长度的介电损耗(W/m)；
T1是一个导体与护套之间的每单位长度的热阻(K.m/W)；
T2是护套与铠装之间的每单位长度的热阻(K.m/W)；
T3是电缆的外部被覆物(serving)的每单位长度的热阻(K.m/W)；
T4是电缆表面与周围介质之间的每单位长度的热阻(K.m/W)；
n是电缆中的负载携带导体的数量(相等尺寸且携带相同负载的导体)；
λ1是金属筛网中的损耗与那根电缆中所有导体的总损耗之比；
λ2是铠装中的损耗与电缆中所有导体的总损耗之比。
在三芯电缆和钢丝铠装的情况下，在IEC 60287-1-1中，比率λ2由下式给出：
其中RA是在最高铠装温度下的铠装的AC电阻(Ω/m)；
R是在最高操作温度下每单位导体长度的交流电阻(Ω/m)；
dA是铠装的平均直径(mm)；
c是导体的轴线与电缆中心之间的距离(mm)；
ω是导体中的电流的角频率。
申请人已经观察到，一般而言，铠装AC电缆中的损耗的减少使得能够增加许可的额定电流，从而减小(一个或多个)导体的横截面(因此，减小电缆的尺寸以及制造电缆所需的材料的数量)和/或增加由电缆导体运输的电流的量(因此，增加由电缆携带的功率)。
申请人已经研究了铠装AC电缆中的损耗。特别地，申请人已经研究了当铠装层的部分丝线或全部丝线由铁磁材料制成时铠装AC电缆中的损耗，这相对于非铁磁材料(例如，奥氏体(austenitic)不锈钢)具有经济吸引力。
在其开发活动期间，申请人已经注意到损耗与由电导体运输的AC电流生成的磁场有关，其在芯周围的层(例如，像金属筛网和铠装的丝线)中造成涡电流以及铠装的铁磁丝线的磁滞。
WO2013/174455公开了一种电力电缆，该电力电缆包括：至少两个根据芯绞合节距A绞合在一起的芯；以及铠装，该铠装包括根据螺旋铠装缠绕绞距和铠装缠绕节距B缠绕在芯上的一层金属丝。这个文献公开了，与其中铠装缠绕节距B与芯绞合节距A反向铺设(contralay)的情况相比，当铠装缠绕节距B与芯绞合节距A同向铺设(unilay)时，以及当铠装缠绕节距B相对于芯绞合节距A具有预定值时，可以减小铠装损耗。
申请人已经注意到，即使就减少损耗而言，相对于反向铺设电缆构造，由WO2013/174455公开的同向铺设电缆构造是有利的，但是它也会在电缆的机械性能方面，特别是在电缆铺设期间电缆的扭转稳定性方面会造成缺陷。
对于海底电缆，具有与芯绞合节距A同向铺设的铠装缠绕节距B的电缆在浅水中(即，低至约100m)的沉积不会造成实质性问题，相反，这可以是有利的(参见例如GB 360996)，具有与芯绞合节距A同向铺设的铠装缠绕节距B的电缆在深水(即，低至超过100m)或超深水(低至超过1000m)中的部署会造成应力并损坏电缆芯。实际上，沉积拉伸应变趋于拉直电缆芯和铠装丝线的铺设；当拉伸负载高时，由于在深水和超深水中的沉积，以及铠装缠绕节距B与芯绞合节距A是同向铺设，因此拉力下降(例如，当电缆到达海床时)可能使得电缆扭曲和弯曲，从而导致潜在的伤害。
在沉积在深水或超深水中的情况下，推荐使用铠装缠绕节距B与芯绞股节距A是反向铺设的电缆，但是这种电缆除一般而言更难缠绕外还会遭受更大的铠装损耗。
申请人发现，在如上讨论的铠装电缆中，沿着电缆长度的电缆芯的绞合方向和/或铠装丝线的缠绕方向的循环反转改善了电缆的机械性能(与具有整体同向铺设的构造相比)，同时减少了电缆中的磁滞和涡电流损耗(与具有整体反向铺设的构造相比)。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种铠装电缆，其具有电缆长度并且包括：
-根据芯绞合方向绞合在一起的多个芯；
-铠装，包围多个芯并且包括根据铠装缠绕方向螺旋缠绕在芯周围的一层金属线；
其中芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度循环反转，使得铠装电缆包括沿着电缆长度的同向铺设区段，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同。
在第二方面，本发明涉及一种用于改善铠装电缆的性能的方法，该铠装电缆具有电缆长度并且包括根据芯绞合方向绞合在一起的多个芯，每个芯包括具有横截面积X的电导体；以及包围多个芯的铠装，铠装包括根据铠装缠绕方向螺旋地缠绕在芯上的金属丝线层；铠装电缆在运输AC电流I时具有损耗，所述损耗确定最大允许的工作导体温度θ，该方法包括以下步骤：
-通过构建铠装电缆来减少损耗，使得芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度循环反转，因此铠装电缆沿着电缆长度的同向铺设区段，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同；
-用每个电导体的横截面积X的减小的值来构建铠装电缆，如由减小的损耗的值确定的，和/或
-在最大允许的工作导体温度θ下给铠装电缆定额，以便用增加的值运输所述交流电流I，如由减小的损耗的值确定的。
在第三方面，本发明涉及一种用于制造铠装电缆的方法，该铠装电缆具有电缆长度L，在输送交流电流I时具有损耗，所述损耗确定电缆在最大允许的导体温度θ下的额定值，该方法包括以下步骤：
-根据芯绞合方向将多个芯绞合在一起，每个芯包括具有横截面积X的电导体，
-根据铠装缠绕方向通过将包括一层金属丝线的铠装螺旋缠绕在多个芯上而包围多个芯，
其中芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度L循环反转，使得铠装电缆包括沿着电缆长度L的同向铺设区段，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同；以及
与其中芯线绞合方向和铠装缠绕方向沿着电缆长度L反向铺设的电缆相比，其中每个电导体的横截面积X减小和/或电缆在最大允许的工作导体温度θ下的额定值增加。
通过减小电缆损耗，尤其是铠装和筛网损耗，相对于其中芯绞合方向和铠装缠绕方向沿着电缆长度上都是不同且保持不同的整体反向铺设的情况，本发明有利地使得能够在增加的运输的交流电流和/或减小的电导体横截面积X方面改善铠装电缆的性能。
在电缆市场中，提供电缆供出售或者附带与尤其是所运输的交流电流的量、电导体的横截面积X和最大允许的工作导体温度相关的指示出售。相对于沿着其整个长度上具有反向铺设构造的电缆，对于所运输的基本相同的交流电流量和最大允许的工作导体温度，根据本发明的铠装电缆将具有减小的电导体横截面积，和/或，对于基本相同的电导体横截面面积和最大允许的工作导体温度，所运输的交流电流量增加。
与具有整体反向铺设构造的电缆相比，这使得能够制造具有增加的电流容量的电缆和/或减小导体的尺寸，从而减小电缆的尺寸、重量和成本。
同时，如上所述，相对于具有整体同向铺设构造(其中芯绞合方向和铠装缠绕方向彼此相等并且沿着电缆的长度保持不变)的电缆，根据本发明的铠装电缆使得能够保证改善的机械性能。
在本描述和权利要求书中，关于芯绞合方向和铠装缠绕方向，术语“沿着电缆长度循环反转”用于指示该方向沿着电缆长度反转不止一次，因此具有至少三个具有彼此相反的绞合和/或缠绕方向的连续区段。
在本描述和权利要求书中，过于芯绞合方向和铠装缠绕方向，术语“沿着电缆长度规则地反转”用于指示该方向沿着电缆长度按照预定准则反转。
在本描述和权利要求书中，术语“芯”用于指示被至少一个绝缘层以及可选地至少一个半导体层包围的电导体。芯还可以包括包围导体、绝缘层和半导体层的金属筛网。
在本描述和权利要求书中，术语“铠装缠绕方向”和“铠装缠绕节距”用于指示在一层中提供的铠装金属丝线的缠绕方向和缠绕节距。当铠装包括多于一层金属丝线时，术语“铠装缠绕方向”和“铠装缠绕节距”用于指示在最内层中提供的铠装金属丝线的缠绕方向和缠绕节距。
在本描述和权利要求书中，术语“同向铺设”用于指示芯的绞合与铠装层的金属丝线的缠绕具有相同的方向(例如，都是左手旋或都是右手旋)，绝对值的节距相同或不同。
在本描述和权利要求书中，术语“反向铺设”用于指示芯的绞合与铠装层的金属丝线的缠绕具有相反的方向(例如，一个是左手旋而另一个是右手旋)，绝对值的节距相同或不同。
在本描述和权利要求书中，术语“交叉节距C”用于指示由铠装的丝线用于绕电缆芯一整圈的电缆的长度。交叉节距C由以下关系给出：
其中A是芯绞合节距并且B是铠装缠绕节距。当绞合在一起的芯右转时(右旋或换句话说是右手旋)，A为正；而当缠绕在电缆上的铠装丝线右转时(右旋或换句话说是右手旋)，B为正。C的值始终为正。当A和B的值非常相似时(模数和符号)，C的值将变得非常大。
在本描述和权利要求书中，术语“铁磁”指示对磁化具有实质性磁导率的材料，其强度取决于所施加的磁化场的强度，并且在移除所施加的场之后其可以持续存在。例如，术语“铁磁”指示在给定温度以下具有显著大于1，优选地大于100的相对磁导率的材料。
在本描述中，术语“非铁磁”表示在给定温度以下具有约1的相对磁导率的材料。
在本描述和权利要求书中，术语“最大允许的工作导体温度”用于指示为了保证电缆的完整性而在稳态条件下允许导体在操作中达到的最高温度。电缆在操作中达到的温度基本上取决于电缆的整体损耗，包括由于焦耳效应和耗散现象而引起的导体损耗。铠装和金属筛网中的损耗是电缆总损耗的另一个重要组成部分。
在本描述和权利要求书中，术语“许可的额定电流”用于指示为了保证电导体温度在稳态条件下不超过最大允许的工作导体温度而可以在电导体中运输的最大电流。根据铺设条件，当电缆中的发热率等于电缆表面热耗散率时，达到稳态。
在本描述和权利要求书中，术语“区段”指示电缆长度的具有给定的芯绞合方向和铠装缠绕方向的一部分。
在本描述和权利要求书中，术语“电缆长度”用于指示电缆的两端之间的长度。
在优选实施例中，芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个循环反转的电缆长度是两个固定点之间的长度，固定点是例如电缆接头、海床上的接地点或部署船上的锚固点。
在上面提到的各方面中的至少一个方面中的本发明可以具有以下优选特点中的至少一个。
在优选实施例中，芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度循环反转，使得同向铺设区段沿着电缆长度与反向铺设区段交替。以这种方式，在同向铺设区段中，芯绞合方向和铠装缠绕方向都为左手旋或右手旋，而在反向铺设区段中，一个为右手旋而另一个为左手旋。
优选地，芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度规则地反转。
在实施例中，反向铺设区段中的至少一个包括两个不同的反向铺设子区段，其中多个芯以不同的芯绞合节距绞合在一起；和/或其中金属丝线以不同的铠装缠绕节距缠绕在芯上。
在实施例中，仅使芯绞合方向和铠装缠绕方向中的一个沿着电缆长度循环地，优选地规则地，反转。
优选地，芯绞合方向沿着电缆长度循环地，优选地规则地，反转，而铠装缠绕方向不变。
在替代实施例中，芯绞合方向和铠装缠绕方向都沿着电缆长度循环地，优选地规则地，反转。
在这个替代实施例中，优选地，获得与其中芯绞合和铠装缠绕都在第二方向上(例如，右手旋)的同向铺设区段交替的其中芯绞合和铠装缠绕在第一方向上(例如，左手旋)的同向铺设区段。在这种情况下，可以存在或不存在反向铺设区段。
芯绞合方向和铠装缠绕方向中至少之一的反转次数取决于电缆的类型和/或长度。
优选地，沿着电缆长度的同向铺设区段总体上占电缆长度的至少20％，更优选地至少30％，甚至更优选地至少40％，甚至更优选地至少45％。
优选地，沿着电缆长度的同向铺设区段总体上不超过电缆长度的80％，更优选地不超过70％，甚至更优选地不超过60％，甚至更优选地不超过55％。
优选地，沿着电缆长度的同向铺设区段覆盖电缆长度的大约50％。
适当地，芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度循环反转，使得N是芯绞合和/或铠装缠绕在第一方向(例如，左手旋或S-lay)上的连续匝数并且M是芯绞合和/或铠装缠绕在相对于第一方向反转的第二方向(例如，当第一方向为左手旋时，是右手旋或Z-lay)上的连续匝数。特别地，N是在第一方向上多个芯和/或金属丝线绕电缆纵向轴线的同向铺设(或反向铺设)区段中的完整连续匝数。M是在第二方向上多个芯和/或金属丝线绕电缆轴线的同向铺设(或反向铺设)区段中的完整连续匝数。
N和M可以是整数或十进制数。
N可以沿着电缆长度相同或变化。以这种方式，匝数N可以在电缆长度的不同区段中相同或可以变化，其中芯绞合方向和铠装缠绕中的至少一个等于第一方向。
M可以沿着电缆长度相同或不同。以这种方式，匝数M可以在电缆长度的不同区段中相同或可以变化，其中芯绞合方向和铠装缠绕中的至少一个等于第二方向。
沿着电缆长度，两个连续电缆区段的N和M的总和可以相对于其它一个或多个连续电缆区段相同或变化。
N可以等于或不同于M。
优选地，N≥1，更优选地N≥2.5。优选地，N≤10，更优选地N≤5，甚至更优选地N≤4。
优选地，M≥1，更优选地M≥2.5。优选地，M≤10，更优选地M≤5，甚至更优选地M≤4。
适当地，多个芯根据芯绞合节距A绞合在一起。
沿着电缆长度，在模数上，芯绞合节距A可以相同或变化。
优选地，芯绞合节距A的模数为1000至3000mm。更优选地，芯绞合节距A的模数为1500至2600mm。由于对于给定的电缆长度需要更长的导体长度，因此低A值可以在经济上不利。另一方面，就电缆的柔性而言，高A值可以是不利的。
适当地，铠装金属丝线根据铠装缠绕节距B缠绕在芯上。
沿着电缆长度，在模数上，铠装缠绕节距B可以相同或变化。
优选地，在反向铺设区段中，铠装缠绕节距B在模数上大于同向铺设区段中的铠装缠绕节距B。有利地，这使得能够减少反向铺设区段中的损耗。
优选地，铠装缠绕节距B的模数为1000至3000mm。更优选地，铠装缠绕节距B的模数为1500至2600mm。就电缆损耗而言，低B值可以是不利的。另一方面，就电缆的机械强度而言，高B值可以是不利的。
优选地，铠装缠绕节距B高于0.4A。优选地，B≥0.5A。更优选地，B≥0.6A。甚至更优选地，B≥0.75A。优选地，铠装缠绕节距B小于2.5A。更优选地，铠装缠绕节距B小于2A。甚至更优选地，铠装缠绕节距B小于1.8A。甚至更优选地，铠装缠绕节距B小于1.5A。
优选地，铠装缠绕节距B与芯绞合节距A(符号和/或绝对值)不同(B≠A)。这种差异至少等于节距A的10％。虽然在减少铠装损耗方面看似有利，但在电缆的机械强度方面，B＝A(符号和绝对值)的构造将是不利的。
在同向铺设区段中，交叉节距C在模数上优选地大于芯绞合节距A。优选地，在模数上C≥2A。更优选地，在模数上C≥3A。甚至更优选地，在模数上C≥5A。甚至更优选地，在模数上C≥10A。适当地，C可以高达12A。
在反向铺设区段中，交叉节距C在模数上优选地小于芯绞合节距A。优选地，在模数上C≤2A。更优选地，在模数上C≤3A。甚至更优选地，在模数上C≤5A。甚至更优选地，在模数上C≤10A。
芯绞合方向和/或铠装缠绕方向的改变造成过渡区，在该过渡区中，芯和/或铠装丝线平行于电缆纵向轴线。过渡区可以是芯绞合节距A和/或铠装缠绕节距B的一半到三分之一。
优选地，每个电导体由金属筛网单独地筛网。更优选地，金属筛网由挤压层形式的铅制成。
优选地，铠装金属丝线的至少一部分由铁磁材料制成。
优选地，铠装金属丝线的一部分由非铁磁材料制成。
在优选实施例中，铠装金属丝线的一部分由铁磁材料制成，铠装金属丝线的其余部分由非铁磁材料制成。
在实施例中，铠装金属丝线的一部分由被非铁磁材料包围的铁磁芯制成。
在实施例中，铠装金属丝线的一部分由被导电的非铁磁材料包围的铁磁芯制成。
在优选实施例中，在铠装层中，由铁磁材料制成的金属丝线与由非铁磁材料制成的金属丝线交替。
在实施例中，所有铠装金属丝线都由铁磁材料制成。
优选地，铁磁材料选自：建筑钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和碳钢，可选地镀锌。
优选地，非铁磁材料选自：聚合材料和不锈钢。
适当地，多个芯螺旋地绞合在一起。
在实施例中，铠装包括包围金属丝线层的另一层金属丝线。该另一层的金属丝线根据另一个层缠绕方向和另一个层缠绕节距B'适当地缠绕在芯上。优选地，该另一层的金属丝线螺旋缠绕在芯上。
优选地，该另一个层缠绕方向相对于下层的铠装金属丝线的缠绕方向相反(反向铺设)。
就电缆的机械性能而言，另一层的这种反向铺设构造是有利的。
优选地，另一个层缠绕节距B'在绝对值上小于铠装缠绕节距B。
优选地，另一个层缠绕节距B'在绝对值上与B相差B的±10％。
铠装金属丝线可以具有多边形或优选地圆形的横截面。替代地，金属丝线可以具有细长的横截面。在细长的横截面的情况下，横截面主轴线优选地相对于包围多个芯的圆周切向地定向。
优选地，在圆形横截面的情况下，金属丝线的横截面直径为2至10mm。优选地，直径为4mm起。优选地，直径不大于7mm。
优选地，多个芯各自是单相芯。优选地，多个芯是多相芯(即，它们具有彼此不同的相)。
在优选实施例中，电缆包括三个芯。电缆优选是三相电缆。三相电缆优选地包括三个单相芯。
铠装电缆可以是低、中等或高电压电缆(分别为LV、MV、HV)。术语“低电压”用于指示低于1kV的电压。术语“中等电压”用于指示1到35kV的电压。术语“高电压”用于指示高于35kV的电压。
铠装电缆可以是地面电缆。地面电缆可以至少部分地埋在隧道中或放置在隧道中。
优选地，铠装电缆是海底电缆。
附图说明
通过以下仅通过非限制性示例的方式提供的本发明的一些示例性实施例的详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，所述描述将参考附图进行，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的铠装电缆；
图2示意性地示出了本发明的实施例，其中芯绞合方向沿着电缆长度规则地反转；
图3示意性地示出了本发明的实施例，其中铠装缠绕方向沿着电缆长度规则地反转；
图4示出了，通过考虑铠装损耗与交叉节距C成反比，相对于铠装缠绕节距B为三芯电缆计算的铠装损耗；
图5示出了通过使用3D FEM计算为图4的相同电缆计算的相对于铠装缠绕节距B的铠装损耗；
图6是海底电缆部署的概略。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于海底应用的AC电缆10，其包括三相芯12。每个芯包括棒或绞合线形式的金属导体12a。金属导体12a可以例如由铜、铝或两者制成。每个金属导体12a依次被由内部半导体层、绝缘层和外部半导体层制成的绝缘系统12b包围，所述三层(未示出)基于聚合材料(例如，聚乙烯)、包裹纸或纸/聚丙烯层压板。在半导体层的情况下，其材料填充有导电填料，诸如炭黑。三个芯12还包括每个金属筛网12c。金属筛网12c可以由通常挤压层形式的铅制成，或者由以纵向包裹的箔或编织线形式的铜制成。
三个芯12根据芯绞合节距A和芯绞合方向螺旋地绞合在一起。
三个芯12整体上嵌入聚合物填料11中，该聚合物填料进而被带子15和缓冲层14包围。例如，带子15是聚酯或非织造带，并且缓冲层14由聚丙烯纱线制成。
围绕缓冲层14，提供了包括单层金属丝线16a的铠装16。丝线16a根据铠装缠绕节距B和铠装缠绕方向螺旋地缠绕在电缆10上。
铠装16整体上一起包围三个芯12。
金属丝线16a的至少部分或全部由铁磁材料制成，这在成本方面相对于像例如不锈钢的非铁磁金属是有利的。
铁磁材料可以是例如碳钢、建筑钢或铁素体不锈钢，可选地镀锌。
导体12a具有横截面积X，其中X＝π(d/2)2，d是导体12a的直径。
根据本发明，芯绞合方向和铠装缠绕方向中的至少一个沿着电缆长度循环反转，使得电缆10包括沿着电缆长度的同向铺设区段，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同。
图2示意性地示出了实施例，其中芯绞合方向21沿着电缆长度规则地反转，以便根据右手旋(或顺时针)方向Z(Z-lay)和左手旋(或逆时针)方向S(S-lay)将芯交替地绞合在一起。以下将这种交替的铺设构造称为S/Z构造。另一方面，铠装缠绕方向22沿着电缆长度不变。特别地，在所示的实施例中，铠装缠绕方向为左手旋S。以这种方式，电缆包括沿着电缆长度L的同向铺设区段102，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同(在所示的实施例中，它们都是S)。电缆还包括沿着电缆长度L的反向铺设区段101，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相反。特别地，在所示的实施例中，芯绞合方向为Z，而铠装缠绕方向为S。
图3示意性地示出了另一个实施例，其中铠装缠绕方向22沿着电缆长度规则地反转，使得铠装金属丝线根据右手旋(或顺时针)方向Z和左手旋(或逆时针)方向S交替地绞合在一起。另一方面，芯绞合方向21沿着电缆长度L不变。特别地，在所示的实施例中，芯绞合方向为右手旋Z。以这种方式，电缆包括沿着电缆长度L的同向铺设区段102，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相同(即，在所示的实施例中，它们均为Z)。电缆还包括沿着电缆长度L的反向铺设区段101，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向相反。特别地，在所示的实施例中，芯绞合方向为Z，而铠装缠绕方向为S。
图2示出了实施例，其中在Z区段(电缆长度L的具有Z芯绞合方向的区段)中的芯的匝21a的数量N与在S区段(电缆长度L的具有S芯绞合方向的区段)中的芯的匝21b的数量M彼此相等(在示例中，N＝M＝4)。
类似地，图3示出了实施例，其中在Z区段(电缆长度L的具有Z铠装缠绕方向的区段)中的匝22a的数量N与在S区段(电缆长度L的具有S铠装缠绕方向的区段)中的匝22b的数量M彼此相等(在示例中，N＝M＝4)。
就电缆的机械构造而言，N＝M的情况可以是有利的。
但是，本发明也适用于N不同于M的情况。
而且，N和M可以或者是整数或者是十进制数。N和/或M可以沿着电缆长度L相同(即，不变)(如图2和3中所示)或变化(当N在不同的S区段中具有不同的值并且M在不同的Z区段中具有不同的值时)。
N优选地大于2.5且小于4。
M优选地大于2.5且小于4。
图2和3示意性地示出了示例，其中芯绞合节距A和铠装缠绕节距B在模数上彼此相等并且沿着电缆长度不变。但是，芯绞合节距A和铠装缠绕节距B优选地彼此不同(符号和/或绝对值)，以避免电缆的机械强度方面的缺点。
而且，芯绞合节距A和/或铠装缠绕节距B可以沿着电缆长度变化。
例如，在本发明的实施例(未示出)中，在反向铺设区段101中的铠装缠绕节距B优选地在模数上大于在同向铺设区段102中的铠装缠绕节距B。如以下描述的图4-5中所示，在模量上越高的B值有利地使得能够限制反向铺设区段101中的铠装损耗(同向铺设区段102中的铠装损耗已经通过同向铺设构造本身被减小了)。
关于A和B的值的进一步细节例如由US 9,431,153公开，其公开内容通过引用并入本文。
参考US 9,431,153公开的内容，图4示出了铠装损耗的百分比(纵坐标)相对于铠装缠绕节距B(横坐标；米)，如通过将铠装损耗假设为与交叉节距C成反比来计算而获得的。考虑以下条件：AC三芯电缆，芯根据芯绞合节距A绞合在一起，A＝2500mm；仅一根铠装丝线，根据可变的铠装缠绕节距B缠绕在电缆上；800A的电流流入导体；导体横截面积X为800mm2。铠装缠绕节距B的负值意味着铠装丝线相对于芯的反向铺设缠绕方向；铠装缠绕节距B的正值意味着铠装丝线相对于芯的同向铺设缠绕方向。该计算考虑利用具有根据2570mm的芯绞合节距A绞合在一起的三个芯的比较性反向铺设电缆经验测得的损耗处于100％；根据与芯绞合节距A反向铺设的铠装缠绕节距B缠绕在电缆上的铠装单层丝线，B为-1890mm，并且交叉节距C约为1089mm；丝线直径d为6mm；横截面积X为800mm2。
参考US 9,431,153的公开内容，图5示出了如通过使用3D FEM(有限元方法)计算所获得的，作为铠装缠绕节距B(横坐标，mm)的函数的铠装损耗百分比(纵坐标)，用于核实在图4的计算中所做的假设，就像在图4的计算中一样，FEM计算考虑利用比较性反向铺设电缆测得的损耗处于100％。
这两个图均示出，与其中铠装缠绕节距B与芯绞合节距A反向铺设的情况相比，当铠装缠绕节距B与芯绞合节距A同向铺设时，铠装损耗大大降低。当芯绞合节距A和铠装缠绕节距B相等时(芯和铠装丝线具有相同节距的同向铺设电缆)，铠装损耗最小，而当B接近零(正或负)时，它们非常高。此外，铠装缠绕节距B(相对于芯绞合节距A或者同向铺设或者反向铺设)增加可降低铠装损耗。为了降低损耗，铠装缠绕节距B优选地大于0.4A。
在申请人进行的为了研究AC铠装电缆中的损耗(特别是铠装和金属筛网损耗)的开发活动中，申请人分析AC电缆，该AC电缆具有：根据S/Z构造(图2中所示的类型)绞合在一起的三个芯，芯绞合间距A的绝对值为3000mm(A在Z区段中等于+3000mm，在S区段等于-3000mm)；根据S铠装缠绕方向和-2000mm的铠装缠绕节距B在电缆上缠绕的单层由镀锌铁素体钢制成的九十五(95)根丝线；反向铺设区段中的交叉节距C等于1200mm；同向铺设区段中的交叉节距C等于6000mm；外部电线直径d为7mm；对于150KV的额定电压，横截面X为1000mm2；电缆的总外部直径为246mm；电阻率为21.4·10-8Ohm·m且相对磁导率μr＝1的金属筛网；以及电阻率为20.8·10-8Ohm·m且相对磁导率μr＝300的铠装丝线。
申请人的活动的结果在下面的示例1-3中给出。
示例1
电缆的第一个样本已被切割，以便获得电缆的单个反向铺设区段(称为S-Z样本)，具有S铠装缠绕方向和Z芯绞合方向。
电缆的第二个样本(称为S-Z/S样本)已被切割，以便获得处于反向铺设条件的样本的前半部分(具有单个反向铺设区段，其具有S铠装缠绕方向和Z芯绞合方向)和处于同向铺设条件的样本的其余一半(具有单个同向铺设区段，其具有S铠装缠绕方向和S芯绞合方向)。
电缆的第三个样本已被切割，以便获得电缆的单个同向铺设区段(称为S-S样本)，具有S铠装缠绕方向和S芯绞合方向。
所有这三个样本都具有相同的长度。
为了以实验方式测量金属筛网中的涡电流(Iscreen)和导体中的电流(Iconductor)之比的值，已对这三个样本进行了测试。下表1示出了测得的值。
表1
样本 I<sub>screen</sub>/I<sub>conductor</sub>
S-Z样本 0.219
S-Z/S样本 0.203
S-S样本 0.192
实验测量示出，相对于反向铺设构造(S-Z样本)，S-Z/S样本使得能够减少金属筛网中的涡电流，从而减少电缆损耗。
就降低金属筛网中的涡电流以及因此筛网损耗而言，同向铺设构造(S-S样本)具有最佳性能。但是，如上所述，整个同向铺设构造在电缆的机械性能方面，尤其在铺设操作期间电缆的扭转稳定性方面是不利的。
另一方面，就降低金属筛网中的涡电流以及因此丝网损耗而言，反向铺设构造(S-Z样本)具有最差性能。
根据本发明的构造，其中反向铺设区段与同向铺设区段交替，一方面使得相对于整体反向铺设构造能够减少电缆损耗，另一方面使得相对于整体同向铺设构造能够改善电缆的机械性能，尤其是在铺设操作期间。
图6概述了海底电缆62的铺设操作。电缆62连接到沉积容器60上的锚定点61，并且在锚定点61和电缆62接触海床63的点T之间在电缆62上施加张力应变，点T基本上与沉积深度对应。在部署期间，张力应变趋于拉直电缆芯和铠装丝线的铺设。在至少在锚固点61和T点之间采用同向铺设构造的情况下，尤其是在深水或超深水部署中，可能在铺设操作期间或电缆到达海床(T点)时发生的电缆上的张力应变下降会导致电缆弯曲至最大弯曲半径，这会压缩芯并导致潜在的危害。根据本发明的构造，这种现象通过反向铺设区段抵消，使得电缆整体的扭转稳定性不受影响。
在本发明的实施例(未示出)中可以获得类似的结果，其中芯绞合方向和铠装缠绕方向都沿着电缆长度规则地反转，使得铠装电缆包括与具有芯绞合方向和铠装缠绕方向的相反符号的同向铺设区段交替的同向铺设区段。
示例2
上面提到的电缆的许可的额定电流是用同向铺设和反向铺设区段的各种组合计算得出的。
对于以下条件，通过使用电缆的数值模型并根据IEC 60287计算许可的额定电流：电缆顶部的铺设深度0.8m，环境温度15℃，土壤热阻0.7K·m/W，以及稳态条件。
特别地，已经根据IEC 60287的上面提到的公式(1)计算出了许可的额定电流，但是，其中在所述数值模型中考虑电缆包括以芯绞合节距A螺旋绞合在一起的芯(在示例中为三个芯)和以铠装缠绕节距B螺旋缠绕在芯上的铠装金属丝线(在示例中为95根镀锌铁素体钢丝)的前提下已经计算出了铠装损耗λ2和筛网损耗λ1。
下表2示出了计算出的值。
表2
％反向铺设 ％同向铺设 ％(I-Ic)/Ic ％(L-Lc)/Lc
100 0 0.00％ 0.00％
90 10 0.44％ -4.53％
80 20 0.88％ -9.01％
70 30 1.32％ -13.45％
60 40 1.87％ -17.86％
50 50 2.31％ -22.22％
40 60 2.75％ -26.55％
30 70 3.19％ -30.84％
20 80 3.63％ -35.09％
10 90 4.07％ -39.30％
0 100 4.51％ -43.47％
表2示出了相对于分别在整个反向铺设电缆(100％反向铺设构造)中计算出的许可的电流额定值Ic和电缆损耗Lc在同向铺设构造中在长度具有增加的百分比的电缆中计算出的许可的电流额定值I和电缆损耗L(特别是铠装和筛网损耗)。
计算出的值表明，随着同向铺设构造中长度的百分比增加，许可的额定电流I增加。另一方面，随着同向铺设构造中长度的百分比的值增加，电缆损耗(由于铠装和金属筛网损耗所引起的)减小。
如上所述，许可的额定电流的上升(以及因此电缆损耗的减小)导致AC运输系统的两个改进：增加由电缆运输的电流和/或提供具有减小的横截面积X的电缆。这是非常有利的，因为它使得能够制造更强电力的电缆和/或减小导体的尺寸，从而减小电缆的尺寸、重量和成本。
因此，本发明的铠装电缆具有减小的电导体的横截面积X的值，如由减小的损耗的值所确定的。
替代地或附加地，本发明的铠装电缆被额定在最大允许的工作导体温度θ下运输具有增加的值的交流电流I，如由减小的损耗的值所确定的。特别地，本发明的铠装电缆可以在最大允许的工作导体温度θ下操作，以便以增加的值运输AC电流I，如由减小的损耗的值所确定的。
相对于基于IEC 60287建议计算出的值，本发明的铠装电缆可以以增加的被运输电流的值来操作和/或可以以减小的横截面积X来构建。
为了保证在增加许可的额定电流I(并减小电缆损耗)和改善电缆的机械稳定性这两个相互矛盾的需求之间的良好折衷，根据本发明的铠装电缆优选地沿着电缆长度具有20-80％的同向铺设区段，更优选地为30-70％，甚至更优选地为40-60％。这些值有利地使得能够相对于整体向铺设电缆获得许可的电流额定值I的分别0.88％-3.63％、1.32％-3.19％、1.87％-2.75％的增加。
而且，在根据本发明的铠装电缆中，优选地通过沿着电缆长度L规则地布置同向铺设区段(与反向铺设区段规则地交替)来获得同向铺设区段的优选百分比，以便避免具有太长反向铺设区段(例如，覆盖电缆的前半部分)然后是太长的同向铺设区段(例如，覆盖电缆的后半部分)的电缆构造。这后一种解决方案在机械方面(因为具有减少了交替的反向铺设和同向铺设区段的优点)和电气方面(因为潜在有害的大量电压会在长区段的末端积聚，这在渗水的情况下在海底电缆中会是危险的)都是不利的。
对于资本化的总损耗，在本发明的电缆中，将它们计算为由于在反向铺设区段和同向铺设区段中的铠装和筛网损耗而引起的每长度单位的耗散功率的平均值(W/m)，在被反向铺设区段和同向铺设区段覆盖的长度加权。由于同向铺设区段中的(铠装和筛网)损耗比反向铺设区段中的损耗低，因此本发明的电缆中对于资本化的总损耗相对于整个反向铺设电缆而言减少了。
而且，相对于基于IEC 60287推荐计算出的损耗，本发明的电缆中对于资本化的总损耗减少了。
示例3
计算如示例2中的上面提到的电缆的许可的电流额定值和电缆损耗，但要考虑以下差异：使用48(四十八)根镀锌铁素体钢铠装丝线，而不是95根。结果在表3中阐述。
表3
而且在这个示例中，计算出的值表明，许可的额定电流I随着同向铺设区段长度的百分比增加而增加。另一方面，电缆损耗L(铠装和金属筛网损耗)随着同向铺设区段长度的百分比增加而减小。

Claims (15)

1.一种铠装电缆(10)，具有电缆长度，并且包括：
-多个芯(12)，根据芯绞合方向绞合在一起，
-铠装(16)，包围所述多个芯(12)并且包括根据铠装缠绕方向围绕芯(12)螺旋缠绕的一层金属丝线(16a)；
其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)中的至少一个沿着电缆长度L循环反转，使得铠装电缆(10)沿着电缆长度包括同向铺设区段(102)，其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)相同。
2.如权利要求1所述的铠装电缆(10)，其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)中的至少一个沿着电缆长度L循环反转，使得同向铺设区段(102)沿着电缆长度与反向铺设区段(101)交替。
3.如权利要求1所述的铠装电缆(10)，其中沿着电缆长度L的同向铺设区段(102)总体上占电缆长度L的至少40％。
4.如权利要求1所述的铠装电缆(10)，其中在第一方向上芯绞合和铠装缠绕中的至少一个的连续匝数N沿着电缆长度L相同或变化。
5.如权利要求4所述的铠装电缆(10)，其中在相对于第一方向反转的第二方向上芯绞合和铠装缠绕中的至少一个的连续匝数M沿着电缆长度L相同或变化。
6.如权利要求5所述的铠装电缆(10)，其中N等于或不同于M。
7.如权利要求4所述的铠装电缆(10)，其中N≥1。
8.如权利要求4所述的铠装电缆(10)，其中N≤10。
9.如权利要求5所述的铠装电缆(10)，其中M≥1。
10.如权利要求5所述的铠装电缆(10)，其中M≤10。
11.如权利要求1所述的铠装电缆(10)，其中所述多个芯(12)根据芯绞合节距A绞合在一起，该芯绞合节距A在模数上沿着电缆长度L相同或变化。
12.如权利要求1所述的铠装电缆(10)，其中金属丝线(16a)根据铠装缠绕节距B围绕所述多个芯(12)缠绕，该铠装缠绕节距B在模数上沿着电缆长度L相同或变化。
13.如权利要求2所述的铠装电缆(10)，其中金属丝线(16a)根据铠装缠绕节距B围绕所述多个芯(12)缠绕，该铠装缠绕节距B在反向铺设区段(101)中在模数上大于同向铺设区段(102)中的铠装缠绕节距B。
14.一种用于改善铠装电缆(10)的性能的方法，该铠装电缆(10)具有电缆长度L并且包括根据芯绞合方向(21)绞合在一起的多个芯(12)，每个芯(12)包括具有横截面积X的电导体(12a)；铠装(16)，包围所述多个芯(12)，铠装(16)包括根据铠装缠绕方向(22)围绕芯(12)螺旋缠绕的一层金属丝线(16a)；铠装电缆(10)在运输交流电流I时具有损耗，所述损耗确定最大允许的工作导体温度θ，该方法包括以下步骤：
-通过构建铠装电缆(10)来减少损耗，使得芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)中的至少一个沿着电缆长度L循环(recurrently)反转，使得铠装电缆(10)包括沿着电缆长度L的同向铺设区段(102)，其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)相同；
-以由减小的损耗的值所确定的每个电导体(12a)的横截面积X的减小值来构建铠装电缆(10)，和/或
-在最大允许的工作导体温度θ下对铠装电缆(10)进行定额，以便以由减小的损耗的值所确定的增加的值来运输所述交流电流I。
15.一种用于制造铠装电缆(10)的方法，该铠装电缆(10)具有电缆长度L，在运输交流电流I时具有损耗，所述损耗确定电缆在最大允许的导体温度θ下的额定值，该方法包括以下步骤：
-根据芯绞合方向(21)将多个芯(12)绞合在一起，每个芯(12)包括具有横截面积X的电导体(12a)；
-根据铠装缠绕方向(22)，通过将包括一层金属丝线(16a)的铠装(16)围绕所述多个芯(12)螺旋缠绕来包围所述多个芯(12)；
其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)中的至少一个沿着电缆长度L循环反转，使得铠装电缆(10)沿着电缆长度包括同向铺设区段(102)，其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)相同；以及
与其中芯绞合方向(21)和铠装缠绕方向(22)沿着电缆长度L反向铺设的电缆相比，其中每个电导体(12a)的横截面积X减小和/或电缆在最大允许的工作导体温度θ下的额定值增加。
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