CN110797136B - 一种高压直流海缆z型密封电缆导体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，所述电缆导体包括中心线和若干单线，若干所述单线以层层叠加的方式绞合在所述中心线外壁上；所述单线为Z型单线，相邻的两所述Z型单线之间首尾相互堆叠配合，若干所述Z型单线通过绞线工艺呈螺旋状紧密缠绕在一起；所述Z型单线上的转角处均设有倒角。通过上述方式，本发明高压直流海缆Z型密封电缆导体，该电缆导体采用Z型单线圆形紧压结构，有效地解决了框绞机紧压难度大的问题，并且导体紧压系数相对于圆形单丝圆形紧压结构高，可以满足高压直流海缆在远海敷设时导体阻水性能要求。

Description

一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法
技术领域
本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法。
背景技术
在近海风电资源日益枯竭、远海风电快速发展以及全球能源互联互通背景下，高压直流海缆以其传输功率大、损耗小、输电距离远及不需要考虑交流输电过程中存在于导体上的集肤效应及邻位效应等优点引起国内外大型海底电缆生产厂家广泛的研究。
高压直流海缆导体设计通常采用圆形单丝圆形紧压结构，但如果设计导体截面太大，由于框绞机设备的限制，每根圆形单丝直径就会太大，导致框绞机导体紧压效果差或牵引难度大。
目前圆形单丝圆形紧压海缆导体有工程业绩的最大截面为1800mm2，如果设计导体截面更大，采用圆形单丝圆形紧压结构依靠目前的设备就会达不到设计要求，且此结构也很难满足更深敷设海域对导体阻水性能的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，能够有效地解决框绞机紧压难度大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种高压直流海缆Z型密封电缆导体，包括中心线和若干单线，若干所述单线以层层叠加的方式绞合在所述中心线外壁上；
所述单线为Z型单线，相邻的两所述Z型单线之间首尾相互堆叠配合，若干所述Z型单线通过绞线工艺呈螺旋状紧密缠绕在一起；
所述Z型单线上的转角处均设有倒角。
在本发明一个较佳实施例中，所述中心线的种类包括圆形紧压结构和实心铜棒。
一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，具体步骤包括：
1)计算导体的外径DA；
2)计算修正角度δ；
3)计算Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0；
4)计算Z型单线的填充系数t；
5)Z型单线拉丝设计；
6)优化Z型单线结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤1)中通过公式(1)计算导体外径DA,
Figure GDA0003034243790000021
其中S为导体截面面积，η为导体填充系数，根据以往生产制造经验，设计η取值。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤2)中通过公式(2)计算修正角度δ，
Figure GDA0003034243790000022
其中Dn为对应的各层的外径，L为此层的节距。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤3)中将步骤2)计算得到的修正角度δ代入公式(3)中计算出修正后的所述Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0，
Figure GDA0003034243790000031
其中n为对应的各层实际所述Z型单线的根数，θ1为所述Z型单线一侧的搭边角，搭边角为相邻所述Z型单线重叠部分所对应的角度。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤4)中将所述Z型单线的下半部分以外圆弧R1的圆心为圆心向左旋转θ1，使得所述Z型单线组成一个扇形，通过公式(4)、(5)计算出角度λ和角度μ，然后通过公式(6)和(7)再将λ和μ转化成弧度α和β，
Figure GDA0003034243790000032
Figure GDA0003034243790000033
α＝λ/180°*π (6)
β＝μ/180°*π (7)
其中R1为所述Z型单线的外圆弧半径，R2为所述Z型单线的内圆弧半径，r为倒角半径，λ为所述Z型单线下端左侧边与左下端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R1圆心连线的夹角，μ为所述Z型单线上端左侧边与左上端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R2圆心连线的夹角,λ和μ均为近似值。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤4)中将弧度α和β代入公式(8)中计算出Z型单线的实际填充系数t，
Figure GDA0003034243790000034
当t≥η时，该方法设计的Z型密封电缆导体满足导体阻水性能要求，当t＜η时，该方法设计的Z型密封电缆导体不满足导体阻水性能要求。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤5)中对Z型单线拉丝用的圆杆进行设计，所述Z型单线的主要特征尺寸为所述Z型单线对应角度值θ0、容纳所述Z型单线的最小扇形外圆弧对应的直线长度W、所述Z型单线截面对角线的长度V、所述Z型单线截面圆环所在的内外圆R1、R2半径之差H、所述Z型单线截面面积S、相邻所述Z型单线的搭边值d和所述Z型单线的倒角r，其中θ0值由每层框绞机框数决定，角度θ1与角度θ2的值相等，θ1取值范围为1/4θ0～1/6θ0，搭边值d为在中心圆R3上角度θ1的圆弧长度，R3为所述Z型单线的中心圆弧半径，R3＝R1+H/2，用于拉丝的铜杆直径为D，D为容纳所述Z型铜单线截面的最小圆单线的直径，D值根据W和V值选取，当W/V>1时，D＝W，当W/V<1时，D＝V。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤6)中对设计好的所述Z型单线进行优化，将与R3圆弧相连接的四个所述倒角r的尺寸调整为R，R＝H/2，所述Z型单线外圆弧对应的角度θ3。
本发明的有益效果是：本发明高压直流海缆Z型密封电缆导体，该电缆导体采用Z型单线圆形紧压结构，有效地解决了框绞机紧压难度大的问题，并且导体紧压系数相对于圆形单丝圆形紧压结构高，可以满足高压直流海缆在远海敷设时导体阻水性能要求。
附图说明
图1为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的中心线采用圆形紧压结构的6层Z型铜导体截面结构示意图。
图2为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的中心线采用圆形铜棒结构的7层Z型铜导体截面结构示意图。
图3为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的Z型铜单线的截面结构示意结构示意图。
图4为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的Z型铜单线角度λ和角度μ的位置示意图。
图5为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法中倾斜角δ对Z型单线截面影响的示意图。
图6为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的优化后7层Z型单线圆形铜棒结构的导体截面结构示意图。
图7为一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法制作的优化后Z型铜单线的截面结构示意图。
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。
请参阅图1至图7，一种高压直流海缆Z型密封电缆导体，包括中心线和若干单线，若干所述单线以层层叠加的方式绞合在所述中心线外壁上，所述单线为Z型单线，相邻的两所述Z型单线之间首尾相互堆叠配合，若干所述Z型单线通过绞线工艺呈螺旋状紧密缠绕在一起，采用所述Z型单线圆形紧压结构，有效地解决了框绞机紧压难度大的问题，并且导体紧压系数相对于圆形单线圆形紧压结构高，可以有效满足高压直流海缆在远海敷设时导体纵向阻水性能要求。
若采用大截面实心铜棒
Figure GDA0003034243790000064
拉丝机设备拉丝、退火都打不到要求，拉丝设备没有办法做这么大的导体，这么粗的实心铜棒不易弯曲，而电缆在生产、运输和敷设过程中不可避免的需要弯曲，而多股铜单线(铜丝)绞合而成的导体更易弯曲，电缆弯曲半径小，易于生产、运输和敷设。
所述Z型单线上的转角处均设有倒角，所述倒角使得相连的两所述Z型单线连接更加紧密。
一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，具体步骤包括：
1)计算导体的外径DA，通过公式(1)计算导体外径DA,
Figure GDA0003034243790000061
其中S为导体截面面积，取值3000mm2，η为导体填充系数，根据以往生产制造经验，设计η取值，取值0.96，通过计算得到DA＝63.08，修正为63.5mm。
2)计算修正角度δ，通过公式(2)计算修正角度δ，
Figure GDA0003034243790000062
其中Dn为对应的各层的外径，L为此层的节距。
3)计算Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0，将步骤2)计算得到的修正角度δ代入公式(3)中计算出修正后的所述Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0，
Figure GDA0003034243790000063
其中n为对应的各层实际所述Z型单线的根数，θ1为所述Z型单线一侧的搭边角，搭边角为相邻所述Z型单线重叠部分所对应的角度。
4)计算Z型单线的填充系数t，将所述Z型单线的下半部分以外圆弧R1的圆心为圆心向左旋转θ1，使得所述Z型单线组成一个扇形，通过公式(4)、(5)计算出角度λ和角度μ，然后通过公式(6)和(7)再将λ和μ转化成弧度α和β，
Figure GDA0003034243790000071
Figure GDA0003034243790000072
α＝λ/180°*π (6)
β＝μ/180°*π (7)
其中R1为所述Z型单线的外圆弧半径，R2为所述Z型单线的内圆弧半径，r为倒角半径，λ为所述Z型单线下端左侧边与左下端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R1圆心连线的夹角，μ为所述Z型单线上端左侧边与左上端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R2圆心连线的夹角,λ和μ均为近似值。
将弧度α和β代入公式(8)中计算出Z型单线的实际填充系数t，
Figure GDA0003034243790000073
当t≥η时，该方法设计的Z型密封电缆导体满足导体阻水性能要求，当t＜η时，该方法设计的Z型密封电缆导体不满足导体阻水性能要求。
5)Z型单线拉丝设计，所述Z型单线的主要特征尺寸为所述Z型单线对应角度值θ0、容纳所述Z型单线的最小扇形外圆弧对应的直线长度W、所述Z型单线截面对角线的长度V、所述Z型单线截面圆环所在的内外圆R1、R2半径之差H、所述Z型单线截面面积S、相邻所述Z型单线的搭边值d和所述Z型单线的倒角r，其中θ0值由每层框绞机框数决定，角度θ1与角度θ2的值相等，θ1取值范围为1/4θ0～1/6θ0，搭边值d为在中心圆R3上角度θ1的圆弧长度，R3为所述Z型单线的中心圆弧半径，R3＝R1+H/2，用于拉丝的铜杆直径为D，D为容纳所述Z型铜单线截面的最小圆单线的直径，D值根据W和V值选取，当W/V>1时，D＝W，当W/V<1时，D＝V。
6)优化Z型单线结构，将与R3圆弧相连接的四个所述倒角r的尺寸调整为R，R＝H/2，所述Z型单线外圆弧对应的角度θ3。
所述中心线的种类包括圆形紧压结构和实心铜棒，根据中所述心线采用圆形紧压结构和实心铜棒分别设计了6层型线圆形紧压导体结构，所述中心线为圆形紧压结构的Z型铜单线导体由1层圆形紧压结构和5层Z型单线绞合而成，所述中心线为实心铜棒的Z型铜单线导体由1层实心铜棒和5层Z型单线绞合而成。
6层型线圆形紧压导体结构
采用91框绞机Z型铜导体设计方案
根据所述中心线采用实心铜棒直径不同，分别设计了a、b两种方案，所述中心线采用圆形紧压结构尺寸不同，分别设计了c、d、e等3种方案。
由于91框绞机每层可以设置的最大框数为1、6、12、18、24、30框，为了尽量减小每根所述Z型单线的截面积，实际使用框数为1、6、12、18、24、30框。
由表1可以看出，所述Z型单线角度固定，通过每层所述Z型单线高度调节，控制每层所述每根Z型单线截面积相近，从而达到各层D值最小化。
从方案a到方案e，随着中心线直径增大，24框处及30框处D值基本不变，但6框及12框处所述Z型单线外径增加，所述Z型单线截面积虽然相差不大，但所需铜杆直径D值增大，对应Z型单线连拉连退设备生产难度增大，并且由于所述Z型单线宽高比W/H增大，对应所述Z型单线绞线难度增大。
对比所述中心线采用实心铜棒和所述中心线采用圆形紧压结构的Z型铜导体设计方案，所述中心线采用实心铜棒尺寸小，各层所述Z型单线面积分布更加均匀、合理，容纳Z型单线截面的最小圆单线的直径D值更小，更方便6框所述Z型单线的生产，所述中心线采用直径为
Figure GDA0003034243790000091
实心铜棒的Z型铜导体设计方案最优，绞线一次生产，生产效率更高。
Figure GDA0003034243790000092
表1 91框绞机6层型线圆形紧压导体结构设计方案表
采用127框绞机Z型铜导体设计方案
127框绞机每层可以设置的最大框数为1、6、12、18、24、30、36框，为了与91框绞机相对比，实际使用框数为1、12、18、24、30、36框。
在设计每层高度相同的情况下，采用127框绞机比91框绞机可使用框数可以设置更多，分别对比表1方案a、b、c、d、e和表2方案a、b、c、d、e可以看出，表2对应的θ值减小，Z型单线截面面积、D值、宽度W值、对角线长度S值都相应减小，Z型单线宽高比在1.3～1.7范围内，更加合理，说明127框绞机生产方案更优。
对比表2中a、b、c、d、e等5种方案，所述中心线采用实心铜棒和所述中心线采用圆形紧压结构的导体所述Z型单线面积分布差异不大，无论所述中心线采用实心铜棒和所述中心线采用圆形紧压结构的Z型铜导体所对应的D值都小于8mm，但所述中心线采用实心铜棒生产效率高，在工厂生产中更加适用。
Figure GDA0003034243790000101
表2 127框绞机6层型线圆形紧压导体结构设计方案表
7层型线圆形紧压导体结构
在127框绞机7层型线圆形紧压导体结构中，实际使用框数为1、6、12、18、24、30、36框，导体结构尺寸如表3所示。
对比表3中a、b、c、d、e五个方案，6框处所述Z型单线截面积逐渐增加，D值逐渐增加，其他框处所述Z型单线截面相差不大，但最大D值也逐渐增大，导致所述Z型单线生产难度也增大。
将表3与表2对比可以发现，表3中方案b、c、d、e，每个方案最大D值均高于表2，只有表3方案a最大D值小于表2方案a，因此表3方案a相较于方案b、c、d、e及表2，表3方案a更优。
目前采用连拉连退工艺方法生产所述Z型单线的铜杆最大直径为8mm，采用挤出工艺方法生产所述Z型单线的铜杆最大直径为12.9mm甚至可以更大，但挤出工艺方法生产效率低，难以满足导体大长度生产。
连拉连退工艺方法生产效率高，适合导体大长度生产，此外所述中心线采用
Figure GDA0003034243790000111
实心铜棒利于一次性导体绞合，因此所述中心线采用直径为
Figure GDA0003034243790000112
实心铜棒、7层结构设计的Z型铜导体设计方案最优。
Figure GDA0003034243790000121
表3 127框绞机7层型线圆形紧压导体结构设计方案表
以所述中心线为
Figure GDA0003034243790000122
实心铜棒，采用127框绞机7层Z型单线结构设计方案为例，表4设计了不同搭边角度θ1的方案，可以看出θ1值越小，D值越小，越有利于连拉连退工艺生产Z型单线，6框处所述Z型单线宽高比越接近合理范围，但搭边长度d值也越小，d值太小不利于相邻所述Z型单线互相牵制。
θ1值越大，D值越大，6框处所述Z型单线宽高比越远离合理范围，搭边长度d值也越大，有利于相邻所述Z型单线互相牵制，但d值太大会明显增加生产难度，因此搭边角度θ1取值范围在1/4θ0～1/6θ0，此设计方案可选中间值1/5θ0。
Figure GDA0003034243790000131
表4中心线为直径
Figure GDA0003034243790000132
实心铜棒导体结构设计方案表
考虑工艺节距对Z型单线尺寸的影响，以中心线为
Figure GDA0003034243790000133
实心铜棒，采用127框绞机7层Z型单线结构设计方案为例，节距对单线倾斜角度δ的影响见表5。
第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 第六层
L/mm 240 350 420 715 870 940
R<sub>2</sub>/mm 6.2 11.15 16.3 21.45 26.6 31.75
δ/° 4.64 5.78 6.99 5.40 5.49 6.06
θ<sub>0</sub>/° 74.22 37.02 24.61 18.53 14.82 12.33
表5节距对单线倾斜角度δ的影响表
所述Z型单线在实际拉丝、绞线生产过程中都需要将所述Z型单线进行所述倒角处理，满足实际生产需要，但所述倒角的存在会使得所述Z型单线结构设计方案有缝隙，降低导体的纵向阻水性能，因此需要选择合适的所述倒角，既能满足导体阻水性能要求，又满足模具加工、实际生产的需要。
以所述中心线为
Figure GDA0003034243790000141
铜棒，采用127框绞机7层所述Z型单线结构设计方案为例，所述Z型单线倒角半径选择0.3mm，满足模具加工能力及实际生产要求，通过步骤4)计算得到的t值大于0.96，满足导体阻水性能要求。
考虑到所述中心线内侧所述倒角具有一定的加工难度，可以将所述Z型单线结构进一步优化，优化后所述Z型单线主要特征值为外圆弧对应的角度θ3、半径为H/2的倒角R和倒角r，此种结构不仅可以减小Z型单线截面面积，还提高了圆形紧压导体生产效率。
因此以中心线为
Figure GDA0003034243790000142
实心铜杆，采用127框绞机7层Z型单线结构设计方案结构尺寸优化后如表6所示。
Figure GDA0003034243790000143
表6优化后127框绞机7层Z型单线设计方案结构尺寸表
为了减小每根所述Z型单线的截面积需要保持每根所述Z型单线截面积基本保持一致，所以每层高度相差不大，而越往内层所述Z型单线排列的个数少，所以对应的圆周角度大，所以从外观看，显得越变形。
与现有技术相比，本发明高压直流海缆Z型密封电缆导体，该电缆导体采用Z型单线圆形紧压结构，有效地解决了框绞机紧压难度大的问题，并且导体紧压系数相对于圆形单丝圆形紧压结构高，可以满足高压直流海缆在远海敷设时导体阻水性能要求。
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 (6)

1.一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于，包括中心线和若干单线，若干所述单线以层层叠加的方式绞合在所述中心线外壁上；
所述单线为Z型单线，相邻的两所述Z型单线之间首尾相互堆叠配合，若干所述Z型单线通过绞线工艺呈螺旋状紧密缠绕在一起；
所述Z型单线上的转角处均设有倒角；
所述中心线的种类包括圆形紧压结构和实心铜棒；
具体步骤包括：
1)计算导体的外径DA；
2)计算修正角度δ；
3)计算Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0；
4)计算Z型单线的填充系数t；
5)Z型单线拉丝设计，所述Z型单线的主要特征尺寸为所述Z型单线对应角度值θ0、容纳所述Z型单线的最小扇形外圆弧对应的直线长度W、所述Z型单线截面对角线的长度V、所述Z型单线截面圆环所在的内外圆R1、R2半径之差H、所述Z型单线截面面积S、相邻所述Z型单线的搭边值d和所述Z型单线的倒角r，其中θ0值由每层框绞机框数决定，角度θ1与角度θ2的值相等，θ1取值范围为1/4θ0～1/6θ0，搭边值d为在中心圆R3上角度θ1的圆弧长度，R3为所述Z型单线的中心圆弧半径，R3＝R1+H/2，用于拉丝的铜杆直径为D，D为容纳所述Z型铜单线截面的最小圆单线的直径，D值根据W和V值选取，当W/V>1时，D＝W，当W/V<1时，D＝V；
6)优化Z型单线结构，对设计好的所述Z型单线进行优化，将与R3圆弧相连接的四个所述倒角r的尺寸调整为R，R＝H/2，所述Z型单线外圆弧对应的角度θ3。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中通过公式(1)计算导体外径DA,
Figure FDA0003087924880000021
其中S为导体截面面积，η为导体填充系数，根据以往生产制造经验，设计η取值。
3.根据权利要求1所述的一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中通过公式(2)计算修正角度δ，
Figure FDA0003087924880000022
其中Dn为对应的各层的外径，L为此层的节距。
4.根据权利要求3所述的一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于：所述步骤3)中将步骤2)计算得到的修正角度δ代入公式(3)中计算出修正后的所述Z型单线两边延长线对应的圆心角θ0，
Figure FDA0003087924880000023
其中n为对应的各层实际所述Z型单线的根数，θ1为所述Z型单线一侧的搭边角，搭边角为相邻所述Z型单线重叠部分所对应的角度。
5.根据权利要求1所述的一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中将所述Z型单线的下半部分以外圆弧R1的圆心为圆心向左旋转θ1，使得所述Z型单线组成一个扇形，通过公式(4)、(5)计算出角度λ和角度μ，然后通过公式(6)和(7)再将λ和μ转化成弧度α和β，
Figure FDA0003087924880000024
Figure FDA0003087924880000031
α＝λ/180°*π (6)
β＝μ/180°*π (7)
其中R1为所述Z型单线的外圆弧半径，R2为所述Z型单线的内圆弧半径，r为倒角半径，λ为所述Z型单线下端左侧边与左下端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R1圆心连线的夹角，μ为所述Z型单线上端左侧边与左上端所述倒角r的圆心到所述外圆弧R2圆心连线的夹角,λ和μ均为近似值。
6.根据权利要求5所述的一种高压直流海缆Z型密封电缆导体的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中将弧度α和β代入公式(8)中计算出Z型单线的实际填充系数t，
Figure FDA0003087924880000032
当t≥η时，该方法设计的Z型密封电缆导体满足导体阻水性能要求，当t＜η时，该方法设计的Z型密封电缆导体不满足导体阻水性能要求。
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