CN117153472A - 海底电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电技术领域，提供一种海底电缆，包括：中心管道、第一电单元、第二电单元和第三电单元；中心管道内用于填充冷却介质；第一电单元包覆于中心管道的外部，第一电单元包括第一相导体层，第一相导体层包括多个第一相导体；第二电单元包覆于第一电单元的外部，第二电单元包括第二相导体层，第二相导体层包括多个第二相导体；第三电单元包覆于第二电单元的外部，第三电单元包括第三相导体层，第三相导体层包括多个第三相导体，第一相导体、第二相导体和第三相导体螺旋缠绕。上述的海底电缆，降低了趋肤效应的影响，减小了导体的电阻，提升了载流量，实现了以较小的导体截面满足较大传输容量的需求。

Description

海底电缆

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海底电缆。

背景技术

随着经济的发展，全球各国对能源的需求量日益增加，除了通过采用新技术、新产品等方式降低能耗外，加快对油气资源和新能源的开发利用成为关键。电力能源开发逐渐向低碳转型。风能作为可再生能源，是电力能源低碳转型路线的重要组成部分。近年来，近海固定式风电平台的开发趋于饱和状态，约80％的海上风能资源在60m水深以上的海域中，风能开发逐渐转向深远海域。作为远海风能的获取系统，漂浮式海上风电平台是未来海上风电发展的必然趋势。

随着世界第一个浮式风电商用项目取得成功，远海浮式风电平台在全球得到了广泛重视，各国正大力颁布远海风能开发相关政策，发达国家和发展中国家的风能市场呈稳步增长态势。据全球风能协会、探索浮动风能以及欧洲风电等机构报告中的预测，各国海上风电装机数量预计将以年均16％以上的速度增长，到2030年，年装机容量预计达到12GW。预计2022年全球浮式风机将达50座，2030年增至1500座。浮式海上风电平台的开发，将促进动态海缆系统的需求，预计未来市场将达到千亿规模。

但是现有的漂浮式风电系统中，动态海缆均为三芯结构，每相导体由多根单丝绞合而成，在电流传输时，由于电磁感应效应，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的表面部分，使得导体的电阻增加，传输效率降低，这就需要极大的海缆截面来实现较高的传输容量，而这会引起海缆截面增大，导致动态海缆自身的材料成本、配套附件成本和施工成本增加。

发明内容

本发明提供一种海底电缆，用以解决现有技术中为实现较高传输容量需要增大海底电缆截面，进而导致海底电缆成本增加的缺陷。

本发明提供一种海底电缆，包括：中心管道；所述中心管道内用于填充冷却介质；第一电单元，包覆于所述中心管道的外部，所述第一电单元包括第一相导体层，所述第一相导体层包括多个第一相导体，多个所述第一相导体螺旋缠绕于所述中心管道之外；第二电单元，包覆于所述第一电单元的外部，所述第二电单元包括第二相导体层，所述第二相导体层包括多个第二相导体，多个所述第二相导体螺旋缠绕于所述第一电单元之外；第三电单元，包覆于所述第二电单元的外部，所述第三电单元包括第三相导体层，所述第三相导体层包括多个第三相导体，多个所述第三相导体螺旋缠绕于所述第二电单元之外。

根据本发明提供的一种海底电缆，所述第一相导体的单丝之间设有第一介质，所述第二相导体的单丝之间设有第二介质，所述第三相导体的单丝之间设有第三介质。

根据本发明提供的一种海底电缆，所述第一电单元还包括：由内向外依次包覆的第一相导体屏蔽层、第一相绝缘层和第一相绝缘屏蔽层，其中，所述第一相导体屏蔽层包覆于所述第一相导体层外。

根据本发明提供的一种海底电缆，所述第二电单元还包括：由内向外依次包覆的第二相导体屏蔽层、第二相绝缘层和第二相绝缘屏蔽层，其中，所述第二相导体屏蔽层包覆于所述第二相导体层之外。

根据本发明提供的一种海底电缆，所述第三电单元还包括：由内向外依次包覆的第三相导体屏蔽层、第三相绝缘层和第三相绝缘屏蔽层，其中，所述第三相导体屏蔽层包覆于所述第三相导体层之外。

根据本发明提供的一种海底电缆，还包括金属屏蔽层，所述金属屏蔽层包覆于所述第三电单元之外；所述海底电缆具有动态应用模式和静态应用模式，在所述海底电缆处于所述动态应用模式的情况下，所述金属屏蔽层采用绕包结构或纵包焊接轧纹结构，在所述海底电缆处于所述静态应用模式的情况下，所述金属屏蔽层采用合金铅套。

根据本发明提供的一种海底电缆，还包括第一护套层，所述第一护套层包覆于所述金属屏蔽层之外。

根据本发明提供的一种海底电缆，还包括铠装结构，所述铠装结构包覆于所述第一护套层之外，其中，所述铠装结构包括多层铠装层；在所述海底电缆处于所述动态应用模式的情况下，所述铠装结构包括偶数层所述铠装层，且相邻铠装层的螺旋方向相反。

根据本发明提供的一种海底电缆，在所述海底电缆处于所述静态应用模式的情况下，所述铠装结构包括奇数层所述铠装层，且外层铠装层为聚丙烯绳。

根据本发明提供的一种海底电缆，还包括第二护套层，所述第二护套层包覆于所述铠装结构之外。

本发明提供的海底电缆，通过将每相电单元中的导体螺旋设置，改变了电流的流动方向，降低了趋肤效应的影响，减小了导体的电阻，提升了载流量，实现了以较小的导体截面满足较大传输容量的需求，其在外径、重量方面会明显小于常规海底电缆，极大地降低了材料成本、生产成本以及施工安装费用；通过设置中心管道，为海底电缆运行提供更适宜的温度环境，显著改善了海底电缆的运行工况，提高了载流能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的海底电缆的结构示意图；

附图标记：

10：中心管道；11：冷却介质；20：第一电单元；21：第一相导体层；22：第一介质；23：第一相导体屏蔽层；24：第一相绝缘层；25：第一相绝缘屏蔽层；30：第二电单元；31：第二相导体层；32：第二介质；33：第二相导体屏蔽层；34：第二相绝缘层；35：第二相绝缘屏蔽层；40：第三电单元；41：第三相导体层；42：第三介质；43：第三相导体屏蔽层；44：第三相绝缘层；45：第三相绝缘屏蔽层；50：金属屏蔽层；60：第一护套层；70：铠装结构；71：第一铠装层；72：第一包带层；73：第二铠装层；74：第二包带层；80：第二护套层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1描述本发明的海底电缆。

如图1所示，在本发明的实施例中，海底电缆包括：中心管道10、第一电单元20、第二电单元30和第三电单元40。中心管道10内用于填充冷却介质11，第一电单元20包覆于中心管道10的外部，第一电单元20包括第一相导体层21，第一相导体层21包括多个第一相导体，多个第一相导体螺旋缠绕于中心管道10之外。第二电单元30包覆于第一电单元20的外部，第二电单元30包括第二相导体层31，第二相导体层31包括多个第二相导体，多个第二相导体螺旋缠绕于第一电单元20之外。第三电单元40包覆于第二电单元30的外部，第三电单元40包括第三相导体层41，第三相导体层41包括多个第三相导体，多个第三相导体螺旋缠绕于第二电单元30之外。

具体来说，海底电缆的中心设有中心管道10，中心管道10内用于注入冷却介质11，冷却介质11可以为冷却液或冷却气体，对海底电缆运行时进行散热，从而提升电流承载能力。在本实施例中，三个电单元依次包覆在中心管道10的外部，其中第一电单元20内的第一相导体采用螺旋缠绕的方式沿中心管道10的圆周方向环形排布；第二电单元30内的第二相导体也采用螺旋缠绕的方式沿第一电单元20的圆周方向环形排布；第三电单元40内的第三相导体也采用螺旋缠绕的方式沿第二电单元30的圆周方向环形排布。进一步地，第一相导体、第二相导体和第三相导体的截面积相等。每相导体均由多根单丝绞合而成，每相导体内单丝的直径、根数以及间距可根据实际情况做相应的调整。

进一步地，在本实施例中，通过将每相导体螺旋缠绕，降低了趋肤效应的影响，从而降低了导体的电阻。

可选地，在本发明的实施例中，中心管道10采用金属材料，其结构形式可以为纵向焊接管、一体成型管或金属丝螺旋缠绕编织而成。

进一步地，在本发明的实施例中，海底电缆不仅可以适用于静态，也可适用于动态。导体截面可根据应用需求具体设置，以满足传输容量。导体的材质可以为铜、铝、铜合金、铝合金或其他材料。具体地，当导体采用合金材料时，基体元素即铜或铝含量应不低于50％，通过调整其他合金元素如碳、锌、镁、磷、镍、钴、铅等的含量得到满足动态使用要求的性能，可选地，其具体组分可设置如下：

实施例1，基体元素100份，锌10份，镁5份，镍5份，锡3份，铅2份，锰2份，碳0.5份，硫0.5份；钴0.5份；

实施例2，基体元素100份，锌5份，镁10份，镍5份，锡5份，铅1份，锰1份，碳0.5份，硫0.5份；

实施例3，基体元素100份，锌10份，镁2份，镍5份，锡10份，铅0.5份，锰0.5份，碳0.5份，硫0.2份，磷0.1份；

实施例4，基体元素100份，锌2份，镁5份，镍5份，锡5份，铅0.5份，锰0.2份，碳0.2份，硫0.1份，磷0.1份；

实施例5，基体元素100份，锌3份，镁8份，镍6份，锡10份，铅1份，锰0.1份，碳0.1份，硫0.2份，磷0.3份；钴0.5份；其中，其他合金导体材料成分及占比可根据要求进行调整。

本发明实施例提供的海底电缆，通过将每相电单元中的导体螺旋设置，降低了趋肤效应的影响，减小了导体的电阻，提升了载流量，实现了以较小的导体截面满足较大传输容量的需求，其在外径、重量方面会明显小于常规海底电缆，极大地降低了材料成本、生产成本以及施工安装费用；通过设置中心管道，为海底电缆运行提供更适宜的温度环境，显著改善了海底电缆的运行工况，提高了载流能力。

如图1所示，在本发明的实施例中，第一相导体的单丝之间设有第一介质22，第二相导体的单丝之间设有第二介质32，第三相导体的单丝之间设有第三介质42。

具体来说，在每一相导体的单丝之间设置介质，既可以对单丝的位置进行约束，又可以将导体与导体外的结构紧密连接。可选地，在本发明的实施例中，第一介质22、第二介质32和第三介质42可以为半导电胶或油脂。

如图1所示，在本发明的实施例中，第一电单元20还包括：由内向外依次包覆的第一相导体屏蔽层23、第一相绝缘层24和第一相绝缘屏蔽层25，其中，第一相导体屏蔽层23包覆于第一相导体层21外。

具体来说，在第一相导体层21外依次挤出第一相导体屏蔽层23、第一相绝缘层24和第一相绝缘屏蔽层25形成充分的电缆电气保护。

相应地，第二电单元30还包括：由内向外依次包覆的第二相导体屏蔽层33、第二相绝缘层34和第二相绝缘屏蔽层35，其中，第二相导体层31包覆于第一相绝缘屏蔽层25之外，第二相导体屏蔽层33包覆于第二相导体层31之外。

具体来说，在第二相导体层31外依次挤出第二相导体屏蔽层33、第二相绝缘层34和第二相绝缘屏蔽层35形成充分的电缆电气保护。

相应地，在本发明的实施例中，第三电单元40还包括：由内向外依次包覆的第三相导体屏蔽层43、第三相绝缘层44和第三相绝缘屏蔽层45，其中，第三相导体层41包覆于第二相绝缘屏蔽层35之外，第三相导体屏蔽层43包覆于第三相导体层41之外。

具体来说，在第三相导体层41外依次挤出第三相导体屏蔽层43、第三相绝缘层44和第三相绝缘屏蔽层45形成充分的电缆电气保护。

如图1所示，在本发明的实施例中，海底电缆还包括金属屏蔽层50。金属屏蔽层50包覆于第三电单元40之外。

具体来说，在第三相绝缘屏蔽层45之外设置金属屏蔽层50，可以起到金属屏蔽以及承载短路电流的作用。进一步地，在本发明的实施例中，海底电缆具有动态应用模式和静态应用模式，在海底电缆处于动态应用模式的情况下，金属屏蔽层50采用绕包结构或纵包焊接轧纹结构，在海底电缆处于静态应用模式的情况下，金属屏蔽层50采用合金铅套。

具体来说，在海底电缆处于动态使用条件下时，金属屏蔽层50可以是铜带绕包、铜丝缠绕、铜丝缠绕+铜带绕包、或采用皱纹金属套，如皱纹铜套等。在海底电缆处于静态使用条件下时，金属屏蔽层50可以为合金铅套。

如图1所示，在本发明的实施例中，海底电缆还包括第一护套层60，第一护套层60包覆于金属屏蔽层50之外。

具体来说，第一护套层60可形成对内部线芯的包覆、机械保护，同时可起到径向阻水的作用。可选地，第一护套层60的材质可以为聚乙烯或聚氨酯等。

如图1所示，在本发明的实施例中，海底电缆还包括铠装结构70，铠装结构70包覆于第一护套层60之外，其中，铠装结构70包括多层铠装层，在海底电缆处于动态应用模式的情况下，铠装结构70包括偶数层铠装层，且相邻铠装层的螺旋方向相反。

具体来说，在图1所示的实施例中，铠装结构70包括依次包覆的第一铠装层71、第一包带层72、第二铠装层73和第二包带层74，其中，第一铠装层71包覆于第一护套层60之外。第一包带层72用于对第一铠装层71进行扎紧、束缚，第二包带层74用于对第二铠装层73进行扎紧、束缚。进一步地，在本实施例中，铠装层的数量为偶数，且相邻两层铠装层的螺旋方向相反。

进一步地，在海底电缆处于静态应用模式的情况下，铠装结构70包括奇数层铠装层，且外层铠装层为聚丙烯绳。

具体来说，当海底电缆应用于静态条件下时，铠装层的数量为奇数，每层铠装层外对应设有包带层，以将铠装层进行扎紧、束缚。其中，位于最外层的铠装层采用聚丙烯绳。

如图1所示，在本发明的实施例中，海底电缆还包括第二护套层80，第二护套层80包覆于铠装结构70之外。

具体来说，第二护套层80采用挤出形式均匀包覆在铠装结构70外，其厚度满足机械防护和阻水要求，同时，第二护套层80一般设置为颜色鲜艳、醒目的黄色或其他颜色以便于水下识别，且沿轴向设置一条宽度均匀的色条以作为判断海底电缆是否发生扭转的标志。可选地，在本发明的实施例中，第二护套层80的材质可以为聚乙烯或聚氨酯等。

本发明实施例提供的海底电缆，通过将三个电单元依次套设，三相电在同一轴芯传输，能够大大降低各回路串扰，进而降低金属屏蔽层和铠装层的磁感应损耗；同时，在海底电缆运行过程中，在受到拉力、弯曲作用时，三个电单元不会发生接触摩擦，可以防止各电单元的外护层磨损形变。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种海底电缆，其特征在于，包括：

中心管道；所述中心管道内用于填充冷却介质；

第一电单元，包覆于所述中心管道的外部，所述第一电单元包括第一相导体层，所述第一相导体层包括多个第一相导体，多个所述第一相导体螺旋缠绕于所述中心管道之外；

第二电单元，包覆于所述第一电单元的外部，所述第二电单元包括第二相导体层，所述第二相导体层包括多个第二相导体，多个所述第二相导体螺旋缠绕于所述第一电单元之外；

第三电单元，包覆于所述第二电单元的外部，所述第三电单元包括第三相导体层，所述第三相导体层包括多个第三相导体，多个所述第三相导体螺旋缠绕于所述第二电单元之外。

2.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述第一相导体的单丝之间设有第一介质，所述第二相导体的单丝之间设有第二介质，所述第三相导体的单丝之间设有第三介质。

3.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述第一电单元还包括：由内向外依次包覆的第一相导体屏蔽层、第一相绝缘层和第一相绝缘屏蔽层，其中，所述第一相导体屏蔽层包覆于所述第一相导体层外。

4.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述第二电单元还包括：由内向外依次包覆的第二相导体屏蔽层、第二相绝缘层和第二相绝缘屏蔽层，其中，所述第二相导体屏蔽层包覆于所述第二相导体层之外。

5.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述第三电单元还包括：由内向外依次包覆的第三相导体屏蔽层、第三相绝缘层和第三相绝缘屏蔽层，其中，所述第三相导体屏蔽层包覆于所述第三相导体层之外。

6.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，还包括金属屏蔽层，所述金属屏蔽层包覆于所述第三电单元之外；

所述海底电缆具有动态应用模式和静态应用模式，在所述海底电缆处于所述动态应用模式的情况下，所述金属屏蔽层采用绕包结构或纵包焊接轧纹结构，在所述海底电缆处于所述静态应用模式的情况下，所述金属屏蔽层采用合金铅套。

7.根据权利要求6所述的海底电缆，其特征在于，还包括第一护套层，所述第一护套层包覆于所述金属屏蔽层之外。

8.根据权利要求7所述的海底电缆，其特征在于，还包括铠装结构，所述铠装结构包覆于所述第一护套层之外，其中，所述铠装结构包括多层铠装层；

在所述海底电缆处于所述动态应用模式的情况下，所述铠装结构包括偶数层所述铠装层，且相邻铠装层的螺旋方向相反。

9.根据权利要求8所述的海底电缆，其特征在于，在所述海底电缆处于所述静态应用模式的情况下，所述铠装结构包括奇数层所述铠装层，且外层铠装层为聚丙烯绳。

10.根据权利要求8所述的海底电缆，其特征在于，还包括第二护套层，所述第二护套层包覆于所述铠装结构之外。