一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆及其制备方法与流程

本发明涉及海缆，具体为一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆及其制备方法。

背景技术：

1、电力能源开发逐渐向低碳转型。光伏发电成为缓解能源危机与环境问题不可或缺的力量。

2、通常大型陆上光伏项目需要占用较多的土地面积和土地资源，而海上光伏发电是一种新的能源利用方式和资源开发模式，是将“光伏发电站”从陆地搬到了海上，在海洋上利用光伏技术建立起发电站，具有发电量高、土地占用少、易与其它产业相结合等特点。

3、海上光伏电站分桩基固定式和漂浮式两大类，一般情况下，若水深小于5m则采用打桩架高式安装，水深5m以上可以采用漂浮式安装。由于桩基固定式海洋光伏电站是将发电设备固定在近海或滩涂区域，主要适用水深较浅的海域，在迈向较深海域时会面临技术以及经济性上的较大压力；而漂浮式海洋光伏电站相应的适用范围更广，将成为未来海洋光伏电站的主流形式。

4、现有结构动态海缆多以三芯为主，匹配浮式风机设计使用，而海上光伏系统的功率仅为风机的1/10左右，海上光伏阵列系统一般由多个回路组成，在多回路传输时往往需要多根海缆，以至于敷设及制造成本大大提高。

5、综上所述，针对飘浮式光伏发电系统，需要设计可匹配多回路输电的动态海缆，用于漂浮式光伏板与埋地海缆或陆地电缆的连接，且应具备多通道、结构稳定性强等特点，有效利用现有水域以及原有敷设线路资源，提高资源利用率以及敷设效率，海缆整体设计符合低碳、环保、以及经济性的追求。

6、因此，申请人对常规动态海缆的结构和制备方法进行改进，通过制备一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆来解决上述问题。

技术实现思路

1、为解决现有的技术问题，本发明提供了一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆，由内及外依次包括缆芯、内护套层、多层金属丝铠装层、外护套层；所述缆芯，包括设置在缆芯中心的中心光单元，围绕中心光单元中心对称设置的多个电单元，设置在相邻两个电单元之间的填充加强构件，以及填充在电单元、填充加强构件、内护套层之间的填充绳。本发明的漂浮式水上光伏用多芯动态海缆内部设置多个电单元，增加了海缆内部回炉通道，减少了项目用缆数目、减少占用海域面积，缩短施工周期同时降低敷设成本，将中心光单元设置在缆芯结构中心，区别于常规海缆结构将光单元复合在电单元绞合缝隙处，能在动态使用环境下对光单元实现更好的保护作用，有效避免了光缆内光纤断裂的问题。

2、进一步的，所述中心光单元包括多根围绕中心光单元的中轴线中心对称绞合的绞合光缆、包覆在绞合光缆外侧的光缆护套层、以及填充在绞合光缆和光缆护套层之间的光缆填充。本发明设置中心光单元可以通过中心光单元监测温度、振动等信号实现对海缆运行状态的实时监测。

3、所述内护套层、外护套层、光缆护套层的材料均采用tpv橡胶；tpv橡胶具有良好的耐环境及耐老化性能，采用tpv橡胶作为光缆护套层，对其内层结构提供保护的同时亦能保证其良好的耐扭转特性。

4、进一步的，所述电单元由内及外依次包括导体、复合屏蔽层、阻水缓冲层、金属屏蔽层、复合材料阻水层、非金属护套，所述复合屏蔽层是由内及外依次由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层采用三层共挤工艺在导体外侧挤包得到；所述绝缘层的材料采用氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料；本发明的绝缘层的材料采用氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料，绝缘层抗扭转性能更好；再采用三层共挤工艺将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层在导体外侧挤包，导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层各层相互融通，熔融的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层材料通过氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料中玄武岩纤维和橡胶材料的相界面空隙中包裹玄武岩纤维并相互熔融交联，将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层紧密贴合在一起，增强了复合屏蔽层的耐扭转性；同时三层共挤工艺可以防止在绝缘层与导体屏蔽层，以及绝缘层与绝缘屏蔽层之间引入外界杂质；且可防止在制造过程中绝缘层与导体屏蔽层可能发生的意外损伤，因而可以避免由于导体屏蔽及绝缘屏蔽的机械损伤而形成突刺。

5、进一步的，所述导体采用多层导体层绞合紧压得到，每层导体层之间均绕包有复合阻水带及阻水纱；所述导体为圆形结构；所述导体层由多根单丝导体绞合紧压得到；所述单丝导体单丝包括但不限于铝丝或铜丝中的一种。

6、进一步的，所述金属屏蔽层采用铜丝绕包在阻水缓冲层外侧后用铜带扎紧得到。

7、进一步的，所述填充加强构件由多根高强度钢丝绞合而成；作为填充一同成缆，提高海缆动态使用条件下整体结构稳定性。

8、进一步的，所述多层金属丝铠装层由内及外依次包括第一层金属丝铠、第二层金属丝铠装、第三层金属丝铠装、第四层金属丝铠装；所述金丝铠装材料包括但不限于不锈钢丝或镀锌钢丝中的任意一种；所述多层金属丝铠装层中每层铠装金属丝的总数量n的计算公式如下：n＝(d+d)π/(1.108×d)，式中，d为绕包内层结构的外径；d为金属丝的外径。

9、本发明还提供了一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆的制备方法，步骤如下：

10、s1.制备缆芯：多个电单元围绕中心光单元中心对称设置，再在相邻两个电单元之间设置填充加强构件，再在电单元、填充加强构件的间隙中填充填充绳并相互绞合得到缆芯；

11、s1.1制备电单元：

12、s1.1.1制备导体；

13、s1.1.2制备复合屏蔽层：在绝缘挤塑机中加入足够的导体屏蔽层材料、氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料、绝缘屏蔽层材料，挤塑前先调整绝缘挤塑机的导体预热器温度至102～105℃、生产速度为1.6m/min，挤塑时，控制氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料的熔融温度为160℃，熔融压力为150bar，将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层依次在导体外挤出，得到复合屏蔽层；

14、s1.1.3先在绝缘屏蔽层外侧绕包阻水缓冲层；再在阻水缓冲层外侧绕包铜丝再用铜带扎紧得到金属屏蔽层；接着在金属屏蔽层外侧采用铝塑复合带或铜塑复合带绕包复合材料阻水层；然后在复合材料阻水层外包覆非金属护套，得到电单元；

15、s2.在缆芯外侧挤包内护套层；

16、s3.确定铠装金属丝根数n、铠装金属丝直径d、前道结构外径d、绞入系数sinθ，根据扭矩系数r的计算公式计算出扭矩系数r，使得扭矩系数r无限接近1，保证多层金属丝铠装间的扭矩平衡；根据确定好的铠装金属丝根数n、铠装金属丝直径d、前道结构外径d、绞入系数sinθ，由内及外依次绞合第一层金属丝铠、第二层金属丝铠装、第三层金属丝铠装、第四层金属丝铠装，得到多层金属丝铠装层；本发明通过调整每层钢丝的节距与绞入系数，实现多层金属丝间的扭矩平衡，提升结构动态情况下运行可靠性；

17、s4.采用tpv橡胶在多层金属丝铠装层外侧挤包外护套层。

18、进一步的，所述氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料的制备方法如下：将10～20质量份氟代烷氧基聚磷腈、100质量份三元乙丙橡胶加入160℃密炼机中70rmp下密炼3min，随后依次加入5质量份氧化锌、1质量份硬脂酸、1.5质量份相容剂、2.5质量份增塑剂、10质量份酚醛树脂、20质量份二氧化硅混炼10min，再加入5质量份玄武岩纤维混炼2min，最后添加1质量份过氧化异丙苯、1.5质量份硫磺混炼10min，期间不断割胶、下料，使胶料分散均匀，得到氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料。

19、进一步的，所述扭矩系数r的计算公式如下：r＝(n0*d02*d0*sinθ0)/(n1*d12*d1*sinθ1)。

20、进一步的，所述绞入系数sinθ由绞合节距h确定，绞合节距h与绞入系数sinθ的计算关系公式如下：h＝l·sinθ；其中，绞合节距h为单线沿绞线轴线旋转一周所前进的，绞合节距h控制在10～12(d+d)，l为一个节距内单线的展开长度。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、(1)本发明的漂浮式水上光伏用多芯动态海缆内部设置多个电单元，增加了海缆内部回炉通道，减少了项目用缆数目、减少占用海域面积，缩短施工周期同时降低敷设成本，将中心光单元设置在缆芯结构中心，区别于常规海缆结构将光单元复合在电单元绞合缝隙处，能在动态使用环境下对光单元实现更好的保护作用，有效避免了光缆内光纤断裂的问题。

23、(2)本发明设置中心光单元可以通过中心光单元监测温度、振动等信号实现对海缆运行状态的实时监测。

24、(3)本发明内护套层、外护套层、光缆护套层的材料均采用tpv橡胶；tpv橡胶具有良好的耐环境及耐老化性能，采用tpv橡胶作为光缆护套层，对其内层结构提供保护的同时亦能保证其良好的耐扭转特性。

25、(4)本发明的绝缘层的材料采用氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料，氟代烷氧基聚磷腈是具有优良低温力学性能、耐油性、耐腐蚀性和热稳定性的高性能弹性体材料，绝缘层抗扭转性能更好；再采用三层共挤工艺将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层在导体外侧挤包，导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层各层相互融通，将导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层紧密贴合在一起，增强了复合屏蔽层的耐扭转性；同时三层共挤工艺可以防止在绝缘层与导体屏蔽层，以及绝缘层与绝缘屏蔽层之间引入外界杂质；且可防止在制造过程中绝缘层与导体屏蔽层可能发生的意外损伤，因而可以避免由于导体屏蔽及绝缘屏蔽的机械损伤而形成突刺。

26、(5)本发明的复合材料阻水层采用铝塑复合带或铜塑复合带替代了铅套，质量更轻，使海缆设计更加符合环保需求且节约成本，符合低碳、环保、以及经济性的追求。

27、(6)本发明的缆芯加入填充加强构件，提高了海缆动态使用条件下整体结构稳定性。

28、(7)本发明一种漂浮式水上光伏用多芯动态海缆的制备方法，制备工艺简单，操作方便，通过三层共挤工艺的作用下，熔融的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层材料穿过氟代烷氧基聚磷腈改性三元乙丙橡胶材料中玄武岩纤维和橡胶材料的界面之间间隙包裹玄武岩纤维并相互熔融交联，导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层紧密贴合在一起，增强了复合屏蔽层的耐扭转性，且本发明通过调整每层钢丝的节距与绞入系数，实现多层金属丝间的扭矩平衡，提升结构动态情况下运行可靠性。