CN114822982B - 直流海底电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流海底电缆。直流海底电缆包括：至少一个缆芯结构，缆芯结构包括至少一层阻水导体层，阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体；阻水降温层，位于缆芯结构的外周，阻水降温层包括具有安装通孔的筒状结构和位于安装通孔内的阻水降温本体，阻水降温本体为超导体提供低温超导环境；防护组件，位于阻水降温层的外周，以对阻水降温层和缆芯结构进行防护。本发明的技术方案解决了现有技术中的海底电缆难以实现低损耗、大容量以及低电压传输的问题。

Description

直流海底电缆

技术领域

本发明涉及海缆技术领域，具体而言，涉及一种直流海底电缆。

背景技术

直流海底电缆大多采用交联聚乙烯绝缘高压直流海底电缆，其电阻较大，一方面，会出现传输损耗高的问题，其中，至少5％的电能损耗在线路上，且距离越远浪费的越多；另一方面，海底电缆导体的电阻较大，会降低海底电缆的传输容量，且输送容量高的话需要通过高电压传输，还需要配套高压设备。

因此，现有技术中的直流海底电缆存在传输损耗高、输送容量低和需要高压传输的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种直流海底电缆，以解决现有技术中的海底电缆难以实现低损耗、大容量以及低电压传输的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种直流海底电缆，包括：至少一个缆芯结构，缆芯结构包括至少一层阻水导体层，阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体；阻水降温层，位于缆芯结构的外周，阻水降温层包括具有安装通孔的筒状结构和位于安装通孔内的阻水降温本体，阻水降温本体为超导体提供低温超导环境；防护组件，位于阻水降温层的外周，以对阻水降温层和缆芯结构进行防护。

进一步地，阻水降温层还包括位于安装通孔内的阻水导热本体，阻水降温本体为液氮或液氦，阻水降温本体填充在阻水导热本体内。

进一步地，阻水导热本体的密度大于海水的密度，且小于或等于阻水降温本体的密度，以使阻水导热本体至少具有轴向阻水功能。

进一步地，直流海底电缆还包括由内至外依次位于阻水降温层的外周的阻水层和隔热层，防护组件位于隔热层的外周。

进一步地，缆芯结构还包括位于阻水导体层的外周的绝缘层、屏蔽层和导热层，屏蔽层位于绝缘层的外周，且沿缆芯结构的径向，屏蔽层的至少一侧设有导热层。

进一步地，缆芯结构还包括阻水衬芯，多根超导体绞合在阻水衬芯的外周。

进一步地，阻水衬芯包括一个或多个支撑单元；或者，阻水衬芯包括套筒、位于套筒内的多根光纤以及填充在套筒和光纤之间的阻水结构。

进一步地，直流海底电缆还包括阻水胶，相邻两个超导体之间设有阻水胶；或者，阻水衬芯和阻水导体层之间设有阻水胶。

进一步地，超导体的横截面为梯形或者“S”型或者“Z”型，以使相邻两个超导体之间面面接触。

进一步地，直流海底电缆包括多个缆芯结构，直流海底电缆还包括光纤单元，多个缆芯结构绕光纤单元的轴线螺旋绕制在光纤单元的外周。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种直流海底电缆，包括：至少一个缆芯结构，缆芯结构包括阻水衬芯和位于阻水衬芯的外周的至少一层阻水导体层，阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体；防护组件，位于缆芯结构的外周，以对缆芯结构进行防护；其中，阻水衬芯包括套筒、位于套筒内的多根光纤以及填充在套筒和光纤之间的阻水结构。

应用本发明的技术方案，一方面，相对于由电阻较大的普通导体制成的海底电缆而言，本实施例通过设置电阻接近零的超导体，可以有效地降低海底电缆的导体电阻；另一方面，在缆芯结构的外周设置阻水降温层，可以为超导体提供阻水效果和低温超导环境，以使超导体的电阻接近于零，这样也可以有效地降低海底电缆的导体电阻，从而解决了现有技术中的海底电缆的导体电阻较大，传输损耗高，在大容量传输时需要高电压传输的问题，进而实现了低损耗、大容量、低电压输电，以降低电力输送成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个实施例的直流海底电缆的结构示意图；

图2示出了图1的直流海底电缆的结构示意图(超导体的横截面为Z型)；

图3示出了本发明的另一个实施例的直流海底电缆的结构示意图；

图4示出了本发明的另一个实施例的直流海底电缆的结构示意图；

图5示出了本发明的另一个实施例的直流海底电缆的结构示意图；

图6示出了本发明的另一个实施例的直流海底电缆的结构示意图；以及

图7示出了本发明的另一个实施例的直流海底电缆的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、缆芯结构；11、超导体；12、支撑单元；13、导体；14、套筒；15、光纤；16、阻水结构；17、绝缘层；18、屏蔽层；20、阻水降温层；30、防护组件；31、护套层；32、内衬层；33、铠装层；34、外被层；41、阻水层；50、光纤单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种直流海底电缆。直流海底电缆包括至少一个缆芯结构10、阻水降温层20和防护组件30。其中，缆芯结构10包括至少一层阻水导体层，阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体11；阻水降温层20位于缆芯结构10的外周，阻水降温层20包括具有安装通孔的筒状结构和位于安装通孔内的阻水降温本体，阻水降温本体为超导体11提供低温超导环境；防护组件30位于阻水降温层20的外周，以对阻水降温层20和缆芯结构10进行防护。

上述技术方案中，一方面，相对于由电阻较大的普通导体制成的海底电缆而言，本实施例通过设置电阻接近零的超导体11，可以有效地降低海底电缆的导体电阻；另一方面，在缆芯结构10的外周设置阻水降温层20，可以为超导体11提供阻水效果和低温超导环境，以使超导体11的电阻接近于零，这样也可以有效地降低海底电缆的导体电阻，从而解决了现有技术中的海底电缆的电阻较大，传输损耗高，在大容量传输时需要高电压传输的问题，进而实现了低损耗、大容量、低电压输电，以降低电力输送成本。

进一步地，本实施例的海底电缆的导体电阻较小，在传输过程中，损耗较小，这样，在相同电压下的传输容量大，这样，电力系统在输送相同容量的信息时，需要本实施例的海底电缆的导体直径小，从而降低了海底电缆的生产及敷设成本，以降低电力系统的工程造价，进而解决了海上风电“平价上网”时代的海底电缆成本较高问题。

需要说明的是，本发明的实施例中，低温超导环境是指超导体临界温度以下的温度环境。

如图1所示，在一个实施例中，筒状结构的安装通孔为圆形通孔，阻水降温本体和缆芯结构10均位于安装通孔内，且阻水降温本体位于安装通孔的内壁面和缆芯结构10之间。

如图5所示，在另一实施例中，筒状结构的安装通孔为环形通孔，阻水降温本体位于环形通孔内，缆芯结构10位于筒状结构的内部，即部分筒状结构位于缆芯结构10和阻水降温本体之间，这样，可以避免阻水降温本体移位至相邻两个缆芯结构10之间。

优选地，本发明的实施例中，阻水导体层可以为多层，这样可以增加海底电缆的传输容量。

如图5和图6所示，在一个实施例中，直流海底电缆包括多个缆芯结构10，这样可以增加海底电缆的传输容量。

如图5所示，在一个实施例中，直流海底电缆包括相互绞合的两个缆芯结构10和填充单元，这样，填充单元可以代替缆芯结构10对防护组件30进行支撑。

优选地，如图5至图7所示，缆芯结构10的阻水衬芯包括套筒14、位于套筒14内的多根光纤15以及填充在套筒14和光纤15之间的阻水结构16，当然，阻水衬芯也可以为图1所示的支撑单元12。

如图1所示，本发明的实施例中，阻水降温层20还包括位于安装通孔内的阻水导热本体，阻水降温本体为液氮或液氦，阻水降温本体填充在阻水导热本体内。

上述技术方案中，一方面，通过设置液氮或者液氦，可以对超导体11进行冷却降温，从而为超导体11提供低温超导环境；另一方面，通过设置阻水导热本体，可以提供阻水效果并将阻水降温本体的温度更好地传递至超导体11，以为超导体11提供低温超导环境，这样可以使超导体11的接近于零或等于零，从而降低海底电缆的电阻，进而实现低损耗、大容量以及低电压传输。

具体地，本发明的实施例中，阻水导热本体实现了容置阻水降温本体的作用，以使阻水降温本体能够设置在缆芯结构10的外周。

如图1所示，本发明的实施例中，阻水导热本体的密度大于海水的密度，且小于或等于阻水降温本体的密度，以使阻水导热本体至少具有轴向阻水功能。

通过上述设置，在实现将阻水降温本体填充于阻水导热本体内的情况下，阻水导热本体还可以实现径向和纵向阻水的作用，以降低海水进入阻水降温层20的长度，从而避免海水进入海底电缆的内部，进而提高海底电缆的传输稳定性。

优选地，本发明的实施例中，阻水导热本体由阻水棉等导热性能较好、阻水性能好以及内部具有孔隙的材料制成，液氮或者液氦填充在阻水棉的孔隙内。

如图1所示，本发明的实施例中，直流海底电缆还包括由内至外依次位于阻水降温层20的外周的阻水层41和隔热层，防护组件30位于隔热层的外周。

通过上述设置，阻水层41可以实现纵向阻水，以避免海水由海底电缆的端面进入到其内部，也可以实现径向阻水，以避免海水由海底电缆的外周进入其内部；进一步地，通过在阻水层41的外周设置隔热层，可以实现隔热保温的作用，从而可以避免海水的温度影响阻水降温本体的温度，进而使阻水降温层能够为超导体11提供低温超导环境，以使超导体11的电阻接近于零，这样可以有效地降低海底电缆的导体电阻。

具体地，本发明的实施例中，阻水降温层20的外表面与阻水层41的内表面连接，这样可以增加海底电缆的阻水性能。

优选地，本发明的实施例中，阻水层41为无缝铅套管，其经连续挤塑形成。

优选地，本发明的实施例中，隔热层由带状绝热材料制成，带状绝热材料缠绕在无缝铅套管的外周。

如图1所示，本发明的实施例中，缆芯结构10还包括位于阻水导体层的外周的绝缘层17、屏蔽层18和导热层，屏蔽层18位于绝缘层17的外周，且沿缆芯结构10的径向，屏蔽层18的至少一侧设有导热层。

通过上述设置，导热层可以将阻水降温本体的温度更好地传递至超导体11，以为超导体11提供低温超导环境，从而使超导体11的电阻能够接近于零，进而降低海底电缆导体的电阻，以实现低损耗、大容量以及低电压传输。

具体地，本发明的实施例中，屏蔽层18的相对两侧均设有导热层，这样可以使阻水降温本体更好地对超导体11进行降温，从而使超导体11的电阻能够接近于零，进而降低海底电缆的电阻，以实现低损耗、大容量以及低电压传输。

优选地，本发明的实施例中，导热层由纳米碳纤维带材绕包而成，其具有良好的导热性、导电性和阻水性，这样，导热层在能够实现导热的情况下，还可以实现导电和阻水性能，以作为金属屏蔽传输短路电流。

具体地，本发明的实施例中，超导体11的外表面与绝缘层17的内表面连接，这样可以避免海水从超导体11和绝缘层17之间的间隙进入，从而增加海底电缆的阻水性能。

优选地，本发明的实施例中，绝缘层17由多层阻水绝缘纸绕包而成，其绕包层数根据绝缘等级确定。

当然，阻水绝缘纸也可由聚氯乙烯、聚乙烯或交联聚乙烯替代。

具体地，本发明的实施例中，绝缘层17的外表面与屏蔽层18的内表面连接，这样可以避免海水从绝缘层17和屏蔽层18之间的间隙进入，从而增加海底电缆的阻水性能。

优选地，本发明的实施例中，屏蔽层18由多层铜带绕包形成。

如图1所示，本发明的实施例中，缆芯结构10还包括阻水衬芯，多根超导体11绞合在阻水衬芯的外周。

上述技术方案中，通过绞线工艺将多根超导体11绞合在阻水衬芯的外周，这样可以实现相邻两个超导体11之间紧密贴合，这样可以增加超导体11的根数，从而增加海底电缆的传输容量。

进一步地，在相同传输容量的情况下，可以减少超导体11的根数，从而降低海底电缆的外径，这样，敷缆船舶装载海底电缆的长度较长(有效提高单根海底电缆的最大长度)，在相同传输距离的情况下，可以减少接头的数量，从而提高电力系统的稳定性。

需要说明的是，本发明的实施例中，相同外径的海底电缆，超导体11的根数由阻水衬芯的外径和超导体11的尺寸确定。

如图1所示，本发明的实施例中，阻水衬芯包括一个支撑单元12。这样可以对多个超导体11进行支撑，且支撑单元12还可以实现纵向阻水的功能，从而避免海水由海底电缆的端面进入其内部。

优选地，本发明的实施例中，支撑单元12为铜线。

如图4所示，在一个实施例中，阻水衬芯包括多个支撑单元12。

通过上述设置，超导体11的数量相同，多个超导体11围成的空间一定，这样，在一定的空间内设置多个支撑单元12，这样减小支撑单元12的外径，从而增加阻水衬芯的柔软性，进而增加海底电缆的弯曲性能。

优选地，如图4所示，多个支撑单元12包括一根铜线以及位于铜线外周的多个导体13，这样不仅可以对多个超导体11进行支撑，还能够增加海底电缆的弯曲性能。

当然，导体13也可以优选为铜线。

如图3所示，在一个实施例中，阻水衬芯包括套筒14、位于套筒14内的多根光纤15以及填充在套筒14和光纤15之间的阻水结构16。

通过上述设置，海底电缆不仅可以实现电信号的传输，还可以通过光纤15实现光信号的传输，从而增加海底电缆的信号传输类型。

优选地，本发明的实施例中，阻水结构16由阻水纤膏制成，以实现纵向阻水的功能。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，超导体11的横截面为梯形或者“S”型或者“Z”型，以使相邻两个超导体11之间面面接触。

相对于具有圆形截面的相邻两个导体之间为线线接触而言，上述结构能够使相邻两个超导体11之间为面面接触，从而使多个超导体11更加紧密地排布在阻水衬芯的外周，在满足电阻要求的同时减小导体外径，进而减小海底电缆的外径，这样，敷缆船舶装载海底电缆的长度更长，在相同传输距离的情况下，可以减少接头的数量，从而有效提高电力系统的稳定性。

进一步地，相邻两个超导体11之间面面接触，这样可以减少相邻两个超导体11之间的空隙，从而增加海底电缆的纵向阻水性能。

具体地，本发明的实施例中，沿海底电缆的径向，两个相邻超导体11由外至内相互紧贴配合，以增加海底电缆的纵向阻水性能。

如图7所示，在一个实施例中，直流海底电缆包括多个缆芯结构10，直流海底电缆还包括光纤单元50，多个缆芯结构10绕光纤单元50的轴线螺旋绕制在光纤单元50的外周。

通过上述设置，海底电缆不仅可以实现电信号的传输，还可以通过光纤单元50实现光信号的传输，从而增加海底电缆的信号传输类型。

具体地，本发明的实施例中，光纤单元50包括套筒、位于套筒内的多根光纤以及填充在套筒和光纤之间的纤膏。其中，多根光纤可以实现光信号的传输。

具体地，本发明的实施例中，直流海底电缆还包括阻水胶，相邻两个超导体11之间设有阻水胶。这样，阻水胶可以对相邻两个超导体11之间的空隙进行填充，从而避免海水从相邻两个超导体11之间的间隙进入内部，进而增加海底电缆的纵向阻水性能。

优选地，本发明的实施例中，当超导体11的横截面为梯形时，其四个转角处均有倒角，这样可以提供填充阻水胶的空间，因此，可以在相邻两个超导体11的倒角的缝隙处填充阻水胶。

具体地，本发明的实施例中，阻水衬芯和阻水导体层之间设有阻水胶。这样，可以使阻水胶填充在阻水衬芯和阻水导体层之间，从而避免海水从海底电缆的端面或者周向进入其内部，进而增加海底电缆的纵向阻水和径向阻水的性能。

如图1所示，本发明的实施例中，防护组件30包括位于隔热层的外周的护套层31。这样，护套层可以对缆芯结构10进行机械保护，避免海底电缆在拉伸和弯曲时出现损坏。

优选地，本发明的实施例中，护套层31由聚乙烯或聚氯乙烯材料挤塑而成。

如图1所示，本发明的实施例中，防护组件30还包括由内至外依次相连接内衬层32、铠装层33以及外被层34，内衬层32位于护套层31的外周。

通过上述设置，内衬层32由一层缠绕的聚丙烯绳组成，可以避免护套层31受到腐蚀，并且在海底电缆在弯曲时，避免护套层31被铠装层33破坏，进一步地，铠装层33可以减少机械力对缆芯结构10的影响，进一步地，外被层34可以避免铠装层33受到海水的侵蚀。

具体地，本发明的实施例中，铠装层33由一层镀锌钢丝组成，钢丝之间填充沥青，从而起到防腐和阻水的作用。当然，在附图未示出的替代实施例中，铠装层33也可以由多层镀锌钢丝组成。

具体地，本发明的实施例中，镀锌钢丝的横截面为圆形或梯形或S形或Z形。

本发明的镀锌钢丝可由铜丝或芳纶替代。

具体地，本发明的实施例中，外被层34由两层反向缠绕的聚丙烯绳组成。

本发明的外被层34的聚丙烯绳可由聚乙烯或聚氯乙烯替代。

需要说明的是，本发明适用于超导直流海底电缆、超导光电复合缆、两芯超导直流海底电缆、三芯超导直流海底电缆及三芯超导光电复合缆等。

本发明还适用于智能电网、深海电力传输、海上风力发电、大容量低电压输电、石油平台传输、海岛供电等领域。

本发明的实施例中提供了一种直流海底电缆。直流海底电缆包括至少一个缆芯结构10和防护组件30。其中，缆芯结构10包括阻水衬芯和位于阻水衬芯的外周的至少一层阻水导体层，阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体11；防护组件30位于缆芯结构10的外周，以对缆芯结构10进行防护；阻水衬芯包括套筒14、位于套筒14内的多根光纤15以及填充在套筒14和光纤15之间的阻水结构16。

上述技术方案中，通过设置多根超导体11以及多根光纤15，这样，海底电缆不仅可以实现低损耗、大容量、低电压输电，还可以通过光纤15实现光信号的传输，从而增加海底电缆的信号传输类型。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：一方面，相对于由电阻较大的普通导体制成的海底电缆而言，本实施例通过设置电阻接近零的超导体，可以有效地降低海底电缆的导体电阻；另一方面，在缆芯结构的外周设置阻水降温层，可以为超导体提供阻水效果和低温超导环境，以使超导体的电阻接近于零，这样也可以有效地降低海底电缆的导体电阻，从而解决了现有技术中的海底电缆的导体电阻较大，传输损耗高，在大容量传输时需要高电压传输的问题，进而实现了低损耗、大容量、低电压输电，以降低电力输送成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流海底电缆，其特征在于，包括：

至少一个缆芯结构(10)，所述缆芯结构(10)包括至少一层阻水导体层，所述阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体(11)；

阻水降温层(20)，位于所述缆芯结构(10)的外周，所述阻水降温层(20)包括具有安装通孔的筒状结构和位于所述安装通孔内的阻水降温本体，所述阻水降温本体为所述超导体(11)提供低温超导环境；

防护组件(30)，位于所述阻水降温层(20)的外周，以对所述阻水降温层(20)和所述缆芯结构(10)进行防护；

所述阻水降温层(20)还包括位于所述安装通孔内的阻水导热本体，所述阻水降温本体为液氮或液氦，所述阻水降温本体填充在所述阻水导热本体内；

所述阻水导热本体的密度大于海水的密度，且小于或等于所述阻水降温本体的密度，以使所述阻水导热本体至少具有轴向阻水功能。

2.根据权利要求1所述的直流海底电缆，其特征在于，所述直流海底电缆还包括由内至外依次位于所述阻水降温层(20)的外周的阻水层(41)和隔热层，所述防护组件(30)位于所述隔热层的外周。

3.根据权利要求1所述的直流海底电缆，其特征在于，所述缆芯结构(10)还包括位于所述阻水导体层的外周的绝缘层(17)、屏蔽层(18)和导热层，所述屏蔽层(18)位于所述绝缘层(17)的外周，且沿所述缆芯结构(10)的径向，所述屏蔽层(18)的至少一侧设有所述导热层。

4.根据权利要求1所述的直流海底电缆，其特征在于，所述缆芯结构(10)还包括阻水衬芯，多根所述超导体(11)绞合在所述阻水衬芯的外周。

5.根据权利要求4所述的直流海底电缆，其特征在于，所述阻水衬芯包括一个或多个支撑单元(12)；或者，所述阻水衬芯包括套筒(14)、位于所述套筒(14)内的多根光纤(15)以及填充在所述套筒(14)和所述光纤(15)之间的阻水结构(16)。

6.根据权利要求4所述的直流海底电缆，其特征在于，所述直流海底电缆还包括阻水胶，相邻两个所述超导体(11)之间设有所述阻水胶；或者，所述阻水衬芯和所述阻水导体层之间设有所述阻水胶。

7.根据权利要求1所述的直流海底电缆，其特征在于，所述超导体(11)的横截面为梯形或者“S”型或者“Z”型，以使相邻两个所述超导体(11)之间面面接触。

8.根据权利要求1所述的直流海底电缆，其特征在于，所述直流海底电缆包括多个所述缆芯结构(10)，所述直流海底电缆还包括光纤单元(50)，多个所述缆芯结构(10)绕所述光纤单元(50)的轴线螺旋绕制在所述光纤单元(50)的外周。

9.一种直流海底电缆，其特征在于，包括：

至少一个缆芯结构(10)，所述缆芯结构(10)包括阻水衬芯和位于所述阻水衬芯的外周的至少一层阻水导体层，所述阻水导体层包括用于传输电信号的多根超导体(11)；

防护组件(30)，位于所述缆芯结构(10)的外周，以对所述缆芯结构(10)进行防护；

其中，所述阻水衬芯包括套筒(14)、位于所述套筒(14)内的多根光纤(15)以及填充在所述套筒(14)和所述光纤(15)之间的阻水结构(16)；

阻水降温层(20)，位于所述缆芯结构(10)的外周，所述阻水降温层(20)包括具有安装通孔的筒状结构和位于所述安装通孔内的阻水降温本体，所述阻水降温本体为所述超导体(11)提供低温超导环境；

所述阻水降温层(20)还包括位于所述安装通孔内的阻水导热本体，所述阻水降温本体为液氮或液氦，所述阻水降温本体填充在所述阻水导热本体内；

所述阻水导热本体的密度大于海水的密度，且小于或等于所述阻水降温本体的密度，以使所述阻水导热本体至少具有轴向阻水功能。