一种多芯直流海缆及其生产方法与流程

本发明涉及海底电缆技术领域，更准确的说涉及一种多芯直流海缆及其生产方法。

背景技术：

直流海缆适用于连接直流输电系统两端换流设备，配套海缆附件搭建完整的水下或陆地输电线路系统，常服务于大容量、长距离的输电工程，需求导体截面较大，因此，现有技术中的直流海缆多采用单芯海缆结构设计。现有技术的海缆采用大截面单芯结构，造成工程成本高、周期长，总体成本较高。此外，单芯直流海缆在复合光纤时需要将光单元填充在铠装层中，或者单独增加光纤填充层，放置在铠装层内增加了光纤单元受损的风险，单独增加光纤填充层会额外增加直流海缆原材料成本，并由于增加隔热材料降低海缆输送容量。

通常情况下，伪双极直流海缆输电系统由两根极性直流海缆构成回路，一旦其中一根出现故障则将导致整个回路无法正常运行；在真双极直流海缆输电系统中会增加一条回流海缆，由三根海缆构成回路，当某一根极性海缆故障时，完好的一根极性海缆可借助回流海缆构成回路，保有一半的传输容量。目前为了避免伪双极系统两根极性海缆中有一根出现故障后系统整体停运，也采用另外增加一根备用极性海缆的解决方案，使原有极性海缆出现一根故障后通过切换至备用海缆重新构成回路。

在直流海缆输电系统的构建过程中，主要成本投入包括括换流系统、海缆本体及海缆施工三方面的投入。其中海缆施工中的关键内容是海缆敷设。由于直流海缆常规的单芯结构特点，每回路的两根或三根直流海缆均需单独进行敷设，会增加施工周期和施工船的成本投入。为了解决成本过高的问题，本领域现有的方案是使用装配两个独立转盘的施工船，同时进行两根单芯直流海缆的敷设，并在敷设同时捆绑，一次性完成施工，以节约时间和成本。但是，对于三根单芯直流海缆还没有成功经验和案例。此外，捆绑敷设方案对施工船的要求较高，需要特制多转盘施工船并完成辅助设备的改造升级，需要投入较高的成本，不利于大范围推进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多芯直流海缆，采用两个相同的极性电单元与附加电单元组件一体化成缆并统包铠装的结构，附加电单元组件截面外径与极性电单元截面外径相同，且内部极性电单元与附加电单元组件之间设置填充条，降低材料成本和敷设成本，同时保证尺寸不同的线芯成缆的圆整度。

本发明的另一个目的在于提供一种多芯直流海缆的绞合装置，通过在转盘上设置配重物，实现多芯直流电缆绞合装置的稳定运行。

本发明的另一个目的在于提供一种多芯直流海缆的生产方法，采用所述多芯直流海缆绞合装置，借助重力在竖直方向将两个极性电单元与附加电单元组件完成绞合，稳定高效地实现多芯直流海缆的绞合。

为了达到上述目的，本发明提供一种多芯直流海缆，包括两个相同的极性电单元、附加电单元组件、若干个填充条、包带、垫层、铠装层、外护层，所述附加电单元组件的截面外径与所述极性电单元的截面外径相同；两个所述极性电单元与所述附加电单元组件绞合在一起，外部依次包裹所述包带、所述垫层、所述铠装层、所述外护层；两个所述极性电单元、所述附加电单元组件与所述包带之间的空隙中设置若干所述填充条。

优选地，所述附加电单元组件包括附加电单元和至少一个设置在所述附加电单元侧部的附加填充条。

优选地，所述附加电单元组件包括两个半圆形的附加填充条，两个所述附加填充条设置在所述附加电单元两侧，两个所述附加填充条构成近圆周形状。

优选地，两个所述附加填充条配合所述附加电单元构成圆周后在上下两端各留有缝隙。

优选地，所述附加填充条位于所述附加电单元远离两个所述极性电单元的一侧或位于所述附加电单元和两个所述极性电单元之间。

优选地，当所述多芯直流海缆应用于伪双极直流输电系统中，需要所述附加电单元组件与所述极性电单元组件的输送容量相同时，所述附加电单元组件包括与所述极性电单元结构相同的附加电单元，且所述附加电单元的导体截面积与所述极性电单元的导体截面积相同。

优选地，当所述多芯直流海缆应用于真双极直流输电系统中时，所述附加电单元组件包括与所述极性电单元结构相同的附加电单元，且所述附加电单元的导体截面积与所述极性电单元的导体截面积相同。

优选地，所述附加电单元组件包括三根成缆后的附加电单元，且内部设置填充条。

本发明提供一种一种多芯直流海缆的绞合装置，用于绞合所述多芯直流海缆，所述多芯直流海缆的绞合装置包括第一平台、第二平台、配重平台、中轴、两个极性电单元转盘、附加电单元转盘、至少一个辅助转盘、第一牵引绕包组件、第一绞合模、第二牵引绕包组件、第二绞合模、转向轮；两个所述极性电单元分别承装在两个所述极性电单元转盘中；所述辅助转盘设置在所述附加电单元转盘侧部；所述配重平台、所述第一平台、所述第二平台从下到上依次平行设置，所述中轴垂直于所述配重平台中部设置，两个所述极性电单元转盘、所述附加电单元转盘均匀设置在所述配重平台上；所述第一牵引绕包组件设置在所述第一平台上，且所述第一牵引绕包组件底部设置所述第一绞合模；所述第二牵引绕包组件设置在所述第二平台上，且所述第二牵引绕包组件底部设置所述第二绞合模；所述转向轮设置在所述第二平台上，且所述转向轮与所述第二牵引绕包组件对接；所述配重盘上与所述附加电单元转盘垂直对应位置设置若干配重物；所述第一平台上未设置所述第一牵引绕包组件的一侧设置配重物。

本发明提供一种多芯直流海缆的生产方法，采用所述多芯直流海缆的绞合装置，包括步骤：

(a)两个所述极性电单元转盘和附加电单元转盘以角速度ω1逆时针围绕中轴转动；所述极性电单元转盘、所述附加电单元转盘及所述辅助转盘同步以角速度ω2顺时针自转，所述第一平台同步以角速度ω3逆时针自转，其中ω1＝ω2＝ω3；

(b)同步的，所述第一牵引绕包组件以速度v1竖直向上提拉所述附加电单元或提拉所述附加电单元与所述附加填充条，在所述第一绞合模处汇合成所述附加电单元组件，并捆扎牢固，所述第二牵引绕包组件以速度v2竖直向上提拉所述附加电单元组件及两根所述极性电单元，并在所述第二绞合模处汇合成为整体圆形结构，其中v1＝v2；

(c)同步的，用所述填充条将所述整体圆形结构填充圆整，并通过所述第二牵引绕包组件捆扎牢固，完成包带捆扎；

(d)完成包带捆扎后经过所述转向轮进入后续铠装及外护层生产工序。

与现有技术相比，本发明公开的一种多芯直流海缆及其生产方法的优点在于：所述多芯直流海缆在相同导体截面和绝缘结构设计下节省所需要的原材料投入，具有更优的市场价值；有利于海缆工程建设过程中一次性敷设单个回路直流海缆线路，节省大量的敷设成本；能够有效解决不同外径电单元的圆整度问题；所述多芯直流海缆的绞合装置通过设置可配重转盘和配重物提高了绞合装置的稳定性；采用所述多芯直流海缆生产方法可以实现多芯直流海缆的稳定绞合，且能够提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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所示为本发明一种多芯直流海缆的截面示意图。

图2所示为本发明一种多芯直流海缆的极性电单元的截面示意图。

图3所示为本发明一种多芯直流海缆的附加电单元组件的截面示意图。

图4所示为本发明一种多芯直流海缆的第一种变体的截面示意图。

图5所示为本发明一种多芯直流海缆的第二种变体的截面示意图。

图6所示为本发明一种多芯直流海缆的第三种变体的截面示意图。

图7所示为本发明一种多芯直流海缆的绞合装置的结构示意图。

图8所示为本发明一种多芯直流海缆的绞合装置的转盘转动的俯视图。

图9所示为本发明一种多芯直流海缆的绞合装置的一种变体的转盘转动的俯视图。

图10所示为本发明一种多芯直流海缆的生产方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

如图1所示，本发明一种多芯直流海缆包括两个相同的极性电单元11、12，附加电单元组件13，若干个光单元14，若干个填充条15，包带161，垫层162，铠装层163，外护层164。其中，附加电单元组件13的截面外径与极性电单元11、12的截面外径相同，以提高成缆后的圆整度。两个极性电单元11、12与附加电单元组件13绞合在一起，外部依次包裹包带161，垫层162，铠装层163，外护层164。若干光单元14设置在两个极性电单元11、12、附加电单元组件13与包带161之间的空隙中，且两个极性电单元11、12、附加电单元组件13与包带161之间的空隙中设置若干填充条15进行填充。

如图2所示，极性电单元11包括从内到外依次包裹设置的导体111、内半导电屏蔽层112、挤包绝缘层113、外半导电屏蔽层114、半导电阻水层115、金属屏蔽层116以及塑料护层117。极性电单元12与极性电单元11结构尺寸相同。极性电单元11、12的主要功能为构成直流输电回路，正常运行状态下承担电能传输作用，当极性电单元11、12正常运行时附加电单元组件13处于不工作状态。

附加电单元组件13包括附加电单元131。在真双极直流输电系统中，附加电单元131的主要功能为当其中一根极性电单元出现故障后，为另一根极性电单元承担回流电流，本发明设计附加电单元131导体截面积(记为s附加)与极性电单元导体截面(记为s极性)相同，即s附加＝s极性。优选附加电单元绝缘层厚度(记为d附加)为极性电单元绝缘层厚度(记为d极性)的30％，即d附加＝30％×d极性。在伪双极系统中，附加电单元131的主要功能为当其中一根极性电单元出现故障后，与另一根极性电单元重新构成回路，保证系统可正常运行，此时附加电单元131导体截面积和绝缘层厚度设计取决于系统需要附加电单元保留的输送容量水平，当要求附加电单元131可达到的输送容量与极性电单元相同时，则s附加＝s极性，同时d附加＝d极性，此时附加电单元结构组成及尺寸与极性电单元完全一致。

在伪双极系统中，当系统设置附加电单元131保留的输送容量水平小于极性电单元11、12的输送容量水平时，附加电单元131与极性电单元11、12尺寸不一致，附加组件131需要增设附加填充条，以保持附加电单元组件13的截面外径与极性电单元11、12的截面外径相同。如图3所示，附加电单元组件13包括两个半圆形的附加填充条132。两个附加填充条132设置在附加电单元131两侧，两个附加填充条132构成近似圆周形状，图3中所示的d为近似圆周外径，d与极性电单元11、12的外径相同，以配合两根极性电单元提高成缆后统包海缆的圆整度。为了使两个附加填充条132组合后仍留有变形裕度，设计两个附加填充条132配合附加电单元131构成圆周后在上下两端各留有一定缝隙，即图3中的d，优选d为10mm。为了避免两个附加填充条132在绞合过程中对附加电单元131产生过大的紧压力造成附加电单元131变形，针对附加电单元131外径对附加填充条132内侧弧度进行设计，对两侧附加填充条内132弧与附加电单元131外径的贴合角度α均取120°。

如图4所示，为本发明一种多芯直流海缆的第一种变体，区别点在于附加电单元组件13a包括附加电单元131a和附加填充条132a，附加填充条132a位于附加电单元131a远离极性电单元11、12的一侧，附加电单元131a与附加填充条132a及两根极性电单元11、12接触，三点作用下位置稳定，对填充条与附加电单元131a的接触面积和角度无强制要求，要求附加填充条132a两侧均被靠近的填充条15收紧压在下方，保证不会存在较大位移。该变体简化了附加电单元组件的结构，使用单侧填充条替换两个半圆形组合填充条来改善整体成缆圆整度。

如图5所示，为本发明一种多芯直流海缆的第二种变体，区别点在于附加电单元组件13b包括附加电单元131b和附加填充条132b，附加填充条132b位于附加电单元131b和极性电单元11、12之间，要求附加填充条132b两侧均被靠近的填充条15收紧压在下方，保证不会存在较大位移。此变体简化了附加电单元组件的结构，且成缆后海缆重心更接近几何中心的优点，有利于后期储存和施工过程的操作。

如图6所示，为本发明一种多芯直流海缆的第三种变体，区别点在于附加电单元组件13c为三芯预成缆结构，附加电单元组件13c包括三根成缆后的附加电单元131c，且内部设置填充条132c，之后附加电单元组件13c再次与两根极性电单元11、12进行二次成缆。三根附加电单元131c的导体截面之和与极性电单元11、12导体截面相同。附加电单元组件13c内还可增加若干光单元133c，从而增加光纤监测及通信通道。此变体将单独的附加电单元拆分为三个独立电单元后可配合输电系统灵活控制接入芯数，根据需要调整附加电单元的负载能力，调节更加灵活方便。

如图7和图8所示，本发明一种多芯直流海缆的绞合装置包括第一平台1、第二平台2、配重平台3、中轴20、两个极性电单元转盘10、附加电单元转盘30、两个辅助转盘31、第一牵引绕包组件32、第一绞合模321、第二牵引绕包组件40、第二绞合模401、转向轮50。极性电单元11、12分别承装在两个极性电单元转盘10中，附加电单元131承装在附加电单元转盘30中，两个附加填充条132分别承装在两个辅助转盘31中。配重平台3、第一平台1、第二平台2从下到上依次平行且共中轴的设置，中轴20垂直于配重平台3中部设置。两个极性电单元转盘10、附加电单元转盘30均匀设置在配重平台3上，且环绕中轴20。两个辅助转盘31对称的设置在附加电单元转盘30两侧，第一牵引绕包组件32设置在第一平台1上，且第一牵引绕包组件32底部设置第一绞合模321。第二牵引绕包组件40设置在第二平台2上，且第二牵引绕包组件40底部设置第二绞合模401。转向轮50设置在第二平台2上，且转向轮50与第二牵引绕包组件40对接。

根据本发明多芯直流海缆的结构设计，附加电单元131的单位长度重量将小于极性电单元11、12的单位长度重量，从而会造成配重盘3上的重量分配不均匀。因此，配重盘3上与附加电单元转盘30垂直对应位置设置若干配重物301，配重物301根据附加电单元转盘30及辅助转盘31及承载物的重量总和与极性电单元转盘10及承载物的重量差进行配重。以解决成缆过程重心不在几何中心的问题，保证绞合装置竖直转动的平衡。基于相同的原因，第一平台1上未设置第一牵引绕包组件40的一侧设置配重物322，进一步确保绞合装置的平衡性。值得注意的是，每完成一公里绞合成缆后需要重新计算重量差并相应更改配重。

针对多芯直流海缆的第一种变体及第二种变体，仅需在一侧的辅助转盘31中承装附加填充条132a或附加填充条132b即可。

针对多芯直流海缆的第三种变体，所述多芯直流海缆的绞合装置如图9所示，包括三个附加电单元转盘30a，此方案下三根附加电单元转盘30a需首先围绕绞合中心302a进行逆时针旋转完成一次绞合，绞合过程中每根附加电单元131c进行顺时针自转使电缆自身轴向扭力消失；同步地，绞合后的附加电单元131c与两根极性电单元11、12围绕中轴20进行逆时针旋转完成二次绞合，绞合过程中每根极性电单元进行顺时针自转使电缆自身轴向扭力消失，此处ω1＝ω2，其余工作过程与原方案相同。

如图10所示，本发明还公开一种多芯直流海缆的生产方法，用于制备所述多芯直流海缆，采用所述多芯直流海缆的绞合装置，包括步骤：

(a)极性电单元转盘10和附加电单元转盘30以角速度ω1逆时针围绕中轴20转动；同时，极性电单元转盘10、附加电单元转盘30及辅助转盘31同步以角速度ω2顺时针自转，使电缆线芯自身轴向扭力消失；同时，第一平台1同步以角速度ω3逆时针自转；其中，ω1＝ω2＝ω3；

(b)同步的，第一牵引绕包组件32以速度v1竖直向上提拉附加电单元131或附加电单元与附加填充条，并在第一绞合模321处汇合成为图3所示的附加电单元组件13，并捆扎牢固；同时，第二牵引绕包组件40以速度v2竖直向上提拉绕包后的附加电单元组件13及两根极性电单元11、12，并在第二绞合模301处汇合成为整体圆形结构；其中，v1＝v2；

(c)同步的，用填充条15将整体圆形结构填充圆整，并通过第二牵引绕包组件40捆扎牢固，完成包带捆扎。

(d)完成包带捆扎后经过转向轮50进入后续铠装及外护层生产工序。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。