本發(fā)明屬于電力電纜領(lǐng)域，具體涉及一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著海島開發(fā)戰(zhàn)略和海上可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電迅速擴(kuò)張，海底高壓電力電纜需求越來越大。

直流輸電具有線路損耗小、易與電網(wǎng)非同步互聯(lián)、遠(yuǎn)距離大功率輸電經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點以及可關(guān)斷器件的電壓源換流器及PWM技術(shù)的解決，尤其是國際能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)深入，柔性直流輸電技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，目前國內(nèi)在研發(fā)500kV直流海底電纜，要求導(dǎo)體截面3000mm²，但GB/T3956-2008只規(guī)定了標(biāo)稱截面積0.5mm²到2500mm²，對于3000mm²截面導(dǎo)體還沒有明確的要求，部分3000mm²截面導(dǎo)體設(shè)計專利只是綜合考慮了銅單線截面盡量小方便生產(chǎn)和絞合工藝實現(xiàn)難易，沒有考慮銅單線絞合的節(jié)距問題，導(dǎo)致3000mm²截面導(dǎo)體的阻水效果并不理想，另外3000mm²截面導(dǎo)體電阻測量還不成熟。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法，包括：

具體步驟包括：

1)外徑的計算：首先根據(jù)式(1)計算導(dǎo)體截面積S；

其中k₁為導(dǎo)體系數(shù)，k₂為絞合系數(shù)，ρ為銅導(dǎo)體電阻率，R為電阻；

然后將計算出的導(dǎo)體截面積S帶入式(2)中計算出導(dǎo)體外徑D_A；

其中η為導(dǎo)體填充系數(shù)，η的值根據(jù)要求設(shè)定；

2)結(jié)構(gòu)的選擇：根據(jù)步驟1)得出的導(dǎo)體外徑D_A和生產(chǎn)設(shè)備的配置情況，將異型單線的W與H的比控制在1.5左右，提出異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的五種設(shè)計方案，其中W為異型單線的寬，H為異型單線的高；

3)每根異型單線傾斜角度的計算：根據(jù)式(3)計算每根異型單線傾斜角度δ；

其中D為此層的外徑，L為此層的節(jié)距；

4)單根異型單線的設(shè)計：根據(jù)步驟2)提出異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的五種設(shè)計方案進(jìn)行對比后選擇其中一種設(shè)計方案，從而得出每根單根異型單線的尺寸R₁、R₂、θ及每層的根數(shù)n；；

其中R₁和R₂分別為異型單線的外、內(nèi)圓弧半徑，θ為異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角，θ＝360/n，n為每層實際對應(yīng)的異型單線根數(shù)；

5)異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角的修正：將步驟4)得到的異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角θ和步驟3)計算每根異型單線傾斜角度δ代入修正公式(4)，從而將θ角度修正為θ₀；

θ₀＝θ*cosδ (4)

其中δ為步驟3)計算出的每根異型單線傾斜角度，最終得出每根異型單線的R₁、R₂和θ₀；

6)異型單線填充系數(shù)的計算：通常異型單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)比圓單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)要大，其各層填充系數(shù)η′可由式(5)求得；

其中R₁和R₂分別為異型單線的外、內(nèi)圓弧半徑，θ₁和θ₂分別兩者對應(yīng)的弧度，n為異型單線數(shù)量，r為異型單線的倒角半徑，r的值綜合考慮電纜廠家實際可以生產(chǎn)的數(shù)值及導(dǎo)體設(shè)計要求值確定；

7)判斷η與η′的值的大?。喝籀恰浯笥讦牵瑒t執(zhí)行步驟8)，若η′小于η，則調(diào)節(jié)η或者r的值，執(zhí)行步驟1)至步驟6)；

8)得到最終設(shè)計方案：每根異型單線的尺寸R₁、R₂、θ₀、n及r。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述步驟2)中異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的五種設(shè)計方案包括：a.中心線采用截面積為50mm²圓形緊壓導(dǎo)體的5層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，b.中心線采用截面積為70mm²圓形緊壓導(dǎo)體的5層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，c.中心線采用截面積為95mm²圓形緊壓導(dǎo)體的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，d.中心線采用截面積為185mm²圓形緊壓導(dǎo)體的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，e.中心線采用直徑為6mm實心銅棒的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述步驟4)中選擇中心線采用直徑為6mm實心銅棒的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述中心線采用直徑為6mm實心銅棒的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體采用非正規(guī)絞合。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法，該設(shè)計方法采用異型銅單線設(shè)計海纜導(dǎo)體，導(dǎo)體緊壓系數(shù)設(shè)計值0.97，結(jié)合節(jié)距的影響，極大的提高了導(dǎo)體的阻水效果，每根銅單線的截面積保持一致，減小集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，適合傳輸交流電。

附圖說明

圖1為一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法所設(shè)計的導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法的異型單線的截面示意圖。

圖3為一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法的異型單線結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

請參閱圖1至圖3，本發(fā)明實施例包括：一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法，包括：

具體步驟包括：

1)外徑的計算：首先根據(jù)式(1)計算導(dǎo)體截面積S。

其中k₁為導(dǎo)體系數(shù)，k₂為絞合系數(shù)，ρ為銅導(dǎo)體電阻率，R為電阻，本實施例中k₁取值1.02，k₂取值1.03，ρ取值1.7241×10^-8Ω·m，R取值0.006 0Ω/km，得出S為3018.9mm²。

然后將計算出的導(dǎo)體截面積S帶入式(2)中計算出導(dǎo)體外徑D_A。

其中η為導(dǎo)體填充系數(shù)，η的值根據(jù)要求設(shè)定，本實施例中η取值0.97，得出D_A≈62.95mm，進(jìn)而修正為63.0mm。

2)結(jié)構(gòu)的選擇：根據(jù)步驟1)得出的導(dǎo)體外徑D_A和生產(chǎn)設(shè)備的配置情況，將異型單線的W與H的比控制在1.5左右，其中W為異型單線的寬，H為異型單線的高，從而提出異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的五種設(shè)計方案，如表1所示，包括：a.中心線采用截面積為50mm²圓形緊壓導(dǎo)體的5層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，b.中心線采用截面積為70mm²圓形緊壓導(dǎo)體的5層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，c.中心線采用截面積為95mm²圓形緊壓導(dǎo)體的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，d.中心線采用截面積為185mm²圓形緊壓導(dǎo)體的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體，e.中心線采用直徑為6mm實心銅棒的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體。

表1異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案表

3)每根異型單線傾斜角度的計算：根據(jù)式(3)計算每根異型單線傾斜角度δ。

其中D為此層的外徑，L為此層的節(jié)距，節(jié)距是銅單線繞導(dǎo)體一周的距離，如果給導(dǎo)體做個剖面圖就可以發(fā)現(xiàn)，銅單線是斜著的，也就是說有一定的角度進(jìn)入，銅單線進(jìn)入的面積比銅單線正常的截面積大，導(dǎo)致正常排列時，部分銅單線排列不進(jìn)去，銅單線的縫隙較大，阻水效果不理想，通過計算，預(yù)留一定的角度，銅單線會全部排列進(jìn)去，銅單線的分布緊湊，阻水效果好。

4)單根異型單線的設(shè)計：根據(jù)步驟2)提出異型單線圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的五種設(shè)計方案進(jìn)行對比后選擇其中一種設(shè)計方案，方案a和方案b采用電纜廠家常規(guī)配置的91框絞機(jī)(絞合層數(shù)最多為5層)即可生產(chǎn)，但其最內(nèi)層異型單線寬高比太大(接近2)，絞線時容易翻身，不利于生產(chǎn)，同時異型單線的最大截面積36.48mm²或者35.28mm²，對銅桿和拉絲機(jī)要求太高，生產(chǎn)難度太大，雖然從異型單線寬高比和截面積來看，方案b中異型單線截面積略小，生產(chǎn)加工難度稍小，但根據(jù)本公司多次試驗結(jié)果，反而是方案a阻水導(dǎo)體的阻水效果更優(yōu)，因此，在采用91框絞機(jī)生產(chǎn)時，相對于方案b，方案a是較優(yōu)的選擇。

方案c、方案d和方案e需采用127框絞機(jī)(絞合層數(shù)最多為6層)才能生產(chǎn)，其異型單線截面積明顯減小，寬高比更趨合理，生產(chǎn)難度、絞合難度和效率得到極大的改善，方案c和方案d中異型單線寬高比差不多，兩者的異型單線的最大截面積為31.14mm²和29.64mm²，根據(jù)本公司多次試驗結(jié)果，兩者的阻水導(dǎo)體的阻水效果相近，因此，相對于方案c，方案d因異型單線截面積略小、生產(chǎn)加工難度稍小而更優(yōu)。

中心線采用圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方案，需要絞合兩次，在滿足方便生產(chǎn)和絞線工序的需要的同時，生產(chǎn)效率太低，且要求中心線本身的阻水效果良好，而方案e中心線采用由直徑8mm實心銅棒經(jīng)過拉絲退火而制成的直徑6mm實心銅棒，因一次成型阻水效果更好，且生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，從而優(yōu)勢明顯，方案d和方案e中異型單線寬高比和最大截面積差不多，甚至后者的異型單線最大截面積更小些。

因此，在五種異型導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，方案e不論是在加工難度上還是在生產(chǎn)效率上都是最適合的，所述中心線采用直徑為6mm實心銅棒的6層絞合異型單線圓形緊壓導(dǎo)體采用非正規(guī)絞合，從而得出每根單根異型單線的尺寸R₁、R₂、θ及每層的根數(shù)n；。

其中R₁和R₂分別為異型單線的外、內(nèi)圓弧半徑，θ為異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角，θ＝360/n，n為每層實際對應(yīng)的異型單線根數(shù)。

5)異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角的修正：將步驟4)得到的異型單線兩邊延長線對應(yīng)的圓心角θ和步驟3)計算每根異型單線傾斜角度δ代入修正公式(4)，從而將θ角度修正為θ₀。

θ₀＝θ*cosδ (4)

其中δ為步驟3)計算出的每根異型單線傾斜角度，最終得出每根異型單線的R₁、R₂和θ₀。

6)異型單線填充系數(shù)的計算：通常異型單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)比圓單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)要大，其各層填充系數(shù)η′可由式(5)求得。

其中R₁和R₂分別為異型單線的外、內(nèi)圓弧半徑，θ₁和θ₂分別兩者對應(yīng)的弧度，n為異型單線數(shù)量，r為異型單線的倒角半徑，r的值綜合考慮電纜廠家實際可以生產(chǎn)的數(shù)值及導(dǎo)體設(shè)計要求值確定，本實施例采用方案e時，倒角半徑取值r＝0.3mm，目前，電纜廠家加工的異型單線倒角半徑最小可達(dá)為0.16mm，因此完全能夠?qū)崿F(xiàn)上述r＝0.3mm的倒角半徑，式(6)是采用近似理論計算，外圓半徑和內(nèi)圓半徑相對倒角半徑越大，計算值越接近理論值，由于模具倒角半徑的計算結(jié)果只是個近似值，所以應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)試制情況進(jìn)一步修正模具倒角半徑和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

7)判斷η與η′的值的大?。喝籀恰浯笥讦?，則執(zhí)行步驟8)，若η′小于η，則調(diào)節(jié)η或者r的值，執(zhí)行步驟1)至步驟6)，本實施例中模具四周倒角半徑r＝0.3mm，通過上式可計算得到η′＝0.997，可見，異型單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)遠(yuǎn)大于圓形銅單線圓形緊壓結(jié)構(gòu)系數(shù)0.9，滿足了理論計算電纜外徑時假設(shè)的η＝0.97。

8)得到最終設(shè)計方案：如表2所述，每根異型單線的尺寸R₁、R₂、θ₀、n及r。

表2中心線為的設(shè)計方案的絞籠工藝參數(shù)表

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種異型銅單線大截面海纜導(dǎo)體設(shè)計方法，該設(shè)計方法采用異型銅單線設(shè)計海纜導(dǎo)體，導(dǎo)體緊壓系數(shù)設(shè)計值0.97，結(jié)合節(jié)距的影響，極大的提高了導(dǎo)體的阻水效果，每根銅單線的截面積保持一致，減小集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，適合傳輸交流電。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。