CN110808120B - 一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法 - Google Patents

一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法，包括铜导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水带、铅套、MDPE护套、无纺布、第一PP绳、铠装和第二PP绳，所述铠装由钢丝和PE管组成，所述钢丝与所述PE管以一隔一的方式间隔放置，所述钢丝的形状为工字型，所述钢丝侧面设有圆弧槽。通过上述方式，本发明一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法，该设计方法制造的电缆解决了圆形钢丝铠装结构受力破损后易松散，海水中不易打捞的问题，通过拆卸和更换PE管重新组装，进行维护，改善了后期运营维护困难的问题。

Description

一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法
技术领域
本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法。
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。
目前应用最广泛的海底高压电缆的铠装结构为圆形钢丝绞合形式，但在实际应用过程中，外层PP绳易被海水腐蚀，一旦受到外力，钢丝很有可能会发生松散，导致海缆失去外层保护，并且，具有该结构的海缆生产成本较高,后期运营维护困难。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法，能够通过拆卸和更换PE管重新组装，进行维护，改善了后期运营维护困难的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆，包括铜导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水带、铅套、MDPE护套、无纺布、第一PP绳、铠装和第二PP绳，所述导体屏蔽层、所述绝缘层、所述绝缘屏蔽层、所述半导电阻水带、所述铅套、所述MDPE护套、所述无纺布、所述第一PP绳、所述铠装和所述第二PP绳从内而外依次包裹在所述铜导体上，所述铠装由钢丝和PE管组成，所述钢丝与所述PE管以一隔一的方式间隔放置，所述钢丝的形状为工字型，所述钢丝侧面设有圆弧槽。
在本发明一个较佳实施例中，所述圆弧槽与所述PE管相配合。
在本发明一个较佳实施例中，工字型所述钢丝的四个角上设有圆弧倒角。
一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆的设计方法，具体步骤包括：
1)计算所设计海缆所述铠装中所述钢丝的根数n和单根所述钢丝实际面积S实；
2)计算所述铠装所能承受的最大张力F；
3)计算所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4；
4)计算单位长度电缆水中重量W(电缆自重减去同体积排开水的重量)和最大允许水底接触点对电缆的张力H；
5)计算水深为0～500米时电缆所受张力T；
6)判断所能承受的最大张力F与水深为0～500米时电缆所受张力T之间的大小。
在本发明一个较佳实施例中，步骤1中通过公式(1)计算海缆所述铠装中所述钢丝的根数n和单根所述钢丝实际面积S实,
Figure BDA0002262940040000021
其中n为所述钢丝根数，d1为所述PE管的直径，D1为安装所述铠装前电缆外径，d2为工字型所述钢丝侧边中心之间的距离，k1为电缆绞入系数，S为单个所述钢丝的面积，η为修正系数。
在本发明一个较佳实施例中，步骤2)中将步骤1)计算得到的海缆所述铠装内所述钢丝的根数n和单根所述钢丝实际面积S实代入计算公式(2)中，从而计算出所述铠装所能承受的最大张力F，
F＝nσS实 (2)
其中σ为所述钢丝的抗张强度，取75N/mm2。
在本发明一个较佳实施例中，步骤3)中通过公式(3)计算所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4，
Figure BDA0002262940040000031
在本发明一个较佳实施例中，步骤4)中将步骤3)计算得到的所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4代入计算公式(4)中计算出单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H，
Figure BDA0002262940040000032
其中ddeep为最小值规定为200m，G1为电缆除所述铠装外的自重，g为重力加速度。
在本发明一个较佳实施例中，步骤5)中将步骤4)计算得到的计算单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H代入计算公式(4)中计算出水深为0～500米时电缆所受张力T，
T＝1.3W×d+H (5)
其中d为最大敷设水深。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤6)中对所述铠装所能承受的最大张力F和水深为0～500米时电缆所受张力T进行比较，当F≥T时，符合设计条件。
本发明的有益效果是：本发明一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法，该设计方法制造的电缆解决了圆形钢丝铠装结构受力破损后易松散，海水中不易打捞的问题，通过拆卸和更换PE管重新组装，进行维护，改善了后期运营维护困难的问题。
附图说明
图1为一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法制作的电力电缆的结构示意图。
图2为一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法制作的电力电缆中工字型钢丝的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1、铜导体；2、导体屏蔽层；3、绝缘层；4、绝缘屏蔽层；5、半导电阻水带；6、铅套；7、MDPE护套；8、无纺布；9、第一PP绳；10、铠装；11、第二PP绳；12、PE管；13、钢丝。
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和图2，本发明实施例包括：一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆，包括铜导体1、导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层4、半导电阻水带5、铅套6、MDPE护套7、无纺布8、第一PP绳9、铠装10和第二PP绳11，所述导体屏蔽层2、所述绝缘层3、所述绝缘屏蔽层4、所述半导电阻水带5、所述铅套6、所述MDPE护套7、所述无纺布8、所述第一PP绳9、所述铠装10和所述第二PP绳11从内而外依次包裹在所述铜导体1上，所述铠装由钢丝13和PE管12组成，
所述钢丝13与所述PE管12以一隔一的方式间隔放置，从而解决了全钢丝13铠装海缆的自重问题，减轻了敷设难度，由于异型钢丝13强度高，用其代替圆形钢丝13可使钢丝13数量减少，节约成本，通过拆卸和更换PE管12重新组装，进行维护，改善了后期运营维护困难的问题。
所述钢丝13的形状为工字型，所述钢丝13侧面设有圆弧槽，所述圆弧槽与所述PE管12相配合，使得工字型所述钢丝13与所述PE管12连接的更加紧密。
工字型所述钢丝13的四个角上设有圆弧倒角。
一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆的设计方法，具体步骤包括：
1)计算所设计海缆所述铠装10中所述钢丝13的根数n和单根所述钢丝13实际面积S实：通过公式(1)计算海缆所述铠装10中所述钢丝13的根数n和单根所述钢丝13实际面积S实,
Figure BDA0002262940040000061
其中n为所述钢丝13根数，d1为所述PE管12的直径，D1为安装所述铠装10前电缆外径，d2为工字型所述钢丝13侧边中心之间的距离，k1为电缆绞入系数，S为单个所述钢丝13的面积，η为修正系数,通过查询国家标准，k1取值1.07，η取值0.95。
2)计算所述铠装10所能承受的最大张力F：将步骤1)计算得到的海缆所述铠装10内所述钢丝13的根数n和单根所述钢丝13实际面积S实代入计算公式(2)中，从而计算出所述铠装10所能承受的最大张力F，
F＝nσS实 (2)
其中σ为所述钢丝13的抗张强度，取75N/mm2。
3)计算所述钢丝13的质量G2、所述铠装10中所述PE管12的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4：通过公式(3)计算所述钢丝13的质量G2、所述铠装10中所述PE管12的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4，
Figure BDA0002262940040000062
其中ρ铁为铁的密度，取7.9×103kg/m3，ρPE为PE管12的密度，取0.93×103kg/m3，ρ水为水的密度，取1.0×103kg/m3。
4)计算单位长度电缆水中重量W(电缆自重减去同体积排开水的重量)和最大允许水底接触点对电缆的张力H：将步骤3)计算得到的所述钢丝13的质量G2、所述铠装10中所述PE管12的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4代入计算公式(4)中计算出单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H，
Figure BDA0002262940040000071
其中ddeep为最小值规定为200m，G1为电缆除所述铠装10外的自重，g为重力加速度，取9.8N/kg。
5)计算水深为0～500米时电缆所受张力T：将步骤4)计算得到的计算单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H代入计算公式(4)中计算出水深为0～500米时电缆所受张力T，根据GB/T 32346.1—2015可知，当水深为0～500米时，
T＝1.3W×d+H (5)
其中d为最大敷设水深。
6)判断所能承受的最大张力F与水深为0～500米时电缆所受张力T之间的大小：对所述铠装10所能承受的最大张力F和水深为0～500米时电缆所受张力T进行比较，当F≥T时，符合设计条件。
以110kv单芯海缆HYJQ41 1×240为例，D1＝96.8mm，η＝0.95，d1取值如下，其他相应参数如下表所述，敷设水深d＝150m，
方案 d<sub>1</sub>/mm d<sub>2</sub>/mm n/根 S<sub>实</sub>/mm<sup>2</sup> F/kN T/kN
1 6 3 34 27.28 69.57 29.64
2 5 2.5 40 19.32 57.97 27.24
3 4 2 50 12.13 45.48 24.64
4 3 1.5 66 6.82 33.78 22.20
5 2 1 97 3.10 22.52 19.87
6 1 0.5 192 0.77 11.08 16.78
由于需要符合设计条件F≥T，则方案1～5都满足。
选取设计方案2为例，单根工字型所述钢丝13结构尺寸如下：R2＝D1/2＝48.4mm，d1＝5mm，R1＝1/2D1+d1＝53.4mm，
Figure BDA0002262940040000081
Figure BDA0002262940040000082
为设计时设定的比例关系，无具体物理含义，
Figure BDA0002262940040000083
取值1/2时，d2＝2.5mm，n＝40，θ＝360°/n＝360°/40＝9°，考虑到工字型所述钢丝13实际生产和使用需要，在工字型所述钢丝13四周再取所述倒角为0.3mm。
与现有技术相比，本发明一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆及其设计方法，该设计方法制造的电缆不仅解决了圆形钢丝铠装结构受力破损后易松散，海水中不易打捞的问题,同时解决了全钢丝铠装海缆的自重问题，减轻了敷设难度，由于异型钢丝强度高，用其代替圆形钢丝可使钢丝数量减少，节约成本，通过拆卸和更换PE管重新组装，进行维护，改善了后期运营维护困难的问题。
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 (3)

1.一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆的设计方法，包括铜导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水带、铅套、MDPE护套、无纺布、第一PP绳、铠装和第二PP绳，所述导体屏蔽层、所述绝缘层、所述绝缘屏蔽层、所述半导电阻水带、所述铅套、所述MDPE护套、所述无纺布、所述第一PP绳、所述铠装和所述第二PP绳从内而外依次包裹在所述铜导体上，其特征在于，所述铠装由钢丝和PE管组成，所述钢丝与所述PE管以一隔一的方式间隔放置，所述钢丝的形状为工字型，所述钢丝侧面设有圆弧槽，所述圆弧槽与所述PE管相配合，工字型所述钢丝的四个角上设有圆弧倒角；
具体步骤包括：
1)通过公式(1)计算所设计的电缆中所述铠装内所述钢丝的根数n和单根所述钢丝实际面积S实,
Figure FDA0002750247820000011
其中n为所述钢丝根数，d1为所述PE管的直径，D1为安装所述铠装前电缆外径，d2为工字型所述钢丝侧边中心之间的距离，k1为电缆绞入系数，S为单个所述钢丝的面积，η为修正系数；
2)将步骤1)计算得到的所述铠装内所述钢丝的根数n和单根所述钢丝实际面积S实代入计算公式(2)中，从而计算出所述铠装所能承受的最大张力F，
F＝nσS实 (2)
其中σ为所述钢丝的抗张强度，取75N/mm2；
3)计算所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4；
4)将步骤3)计算得到的所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4代入计算公式(4)中计算出单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H，
Figure FDA0002750247820000021
其中ddeep为最小值规定为200m，G1为电缆除所述铠装外的自重，g为重力加速度；
5)将步骤4)计算得到的单位长度电缆水中重量W和最大允许水底接触点对电缆的张力H代入计算公式(5)中计算出水深为0～500米时电缆所受张力T，
T＝1.3W×d+H (5)
其中d为最大敷设水深；
6)判断所能承受的最大张力F与水深为0～500米时电缆所受张力T之间的大小。
2.根据权利要求1所述的一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆的设计方法，其特征在于：步骤3)中通过公式(3)计算所述钢丝的质量G2、所述铠装中所述PE管的质量G3和同体积电缆排开水的质量G4，
Figure FDA0002750247820000031
3.根据权利要求1所述的一种半锁式钢丝铠装海底电力电缆的设计方法，其特征在于：所述步骤6)中对所述铠装所能承受的最大张力F和水深为0～500米时电缆所受张力T进行比较，当F≥T时，符合设计条件。
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