基于一体化设计的海上供电与信息传输方案

2014-07-03付德强胡迺成侯宝娥

兵器装备工程学报 2014年4期

付德强，胡迺成，侯宝娥

(海军91439 部队，辽宁大连 116041)

舰船抗冲击试验由于被试舰船距离水雷较近，水雷爆炸时的强烈冲击会造成靶船自身供电系统破坏，而不能对靶船上的试验测量设备进行供电，必须考虑进行外部供电。同时，测量设备分别布放在被试舰和测量船上，设备之间用光缆进行数据图像传输，而光缆海上布放安全风险高难度大，必须考虑安全可靠的光缆传送方案。在靶场其他试验中也曾遇到过相似情况，那时的做法是选用钢索作为承受拉力的拉力缆，将电缆或光缆与拉力缆捆绑在一起，并在拉力缆上等间隔绑上浮漂，由浮漂提供浮力，使电缆不致于沉入海底。如图1 所示。

图1 第三种方案示意图

1 电缆及光缆传输方案论证

从理论上讲，在海上将供电电缆和光缆从供电船传送到被试舰上有3 种方案可以考虑:一是空中架线;二是沿海底传送;三是沿水面传送。前2 种方案都不可取。沿水面传送

但是上述方法并不能用于水雷对实船的爆炸试验，其原因是这种方法实施复杂，耗时长，不符合舰船抗冲击试验快捷安全的要求。对图1 所示方法进行改进，研制一体化复合电缆，将电缆、拉力缆、光缆置于同一电缆内，三缆之间用浮子填充，并由浮子提供原由浮漂产生的浮力，加工成一复合电缆。这样不但能满足电缆传输快捷安全的要求，同时把光缆放在浮子中进行保护，也解决了测量设备所用光缆海上传输难题。

2 复合电缆方案设计论证

复合电缆具体设计方案如图2 所示。

图2 复合电缆总体设计方案

2.1 复合电缆长度确定

供电船与靶船间的安全距离为300 m，由于爆炸环境下海上实施比较复杂，复合电缆要有较大余量，因此复合电缆长度取540 m。

2.2 浮子芯组

浮子芯组主要作用是为电缆提供足够的浮力。浮子由发泡材料制成，由软、硬浮子相间连接构成，硬浮子较坚硬，不易压缩变形，软浮子便于弯曲，以保证复合电缆的柔韧性。

在浮子圆截面共开设1 个圆孔和4 个凹槽，圆孔位于浮子圆截面中心，用拉力缆贯穿其中，4 个凹槽分别放置电缆的3 根火线、1 根零线以及光缆。零线可用内置钢丝绳代替。

2.3 光缆

光缆置于复合电缆内，在复合电缆的保护下可方便安全地进行海上传输，光缆内共配置5 对光纤，每对光纤用PBT管进行保护，5 对光纤外采用芳纶加强，并用PVC 管进行外围防护，以免光纤受到压迫而断掉或变形。

2.4 供电电缆设计

1)供电相制选择

供电电缆传输的是380 V 三相交流电，因而供电电缆设计为三相四芯电缆:一零线和三火线。

2)电缆芯线材料选择

由于铜导电性能良好，电缆芯线选为铜芯，考虑到电缆有柔韧性要求，可选铜绞线作为芯线。

3)线电流计算

已知条件:传输功率30 kW，三相交流电，线电压380 V。可以推出线电流:

4)电压降

线电流I=53(A)，20℃导体直流电阻R=0.727 Ω/km，线路长度L=540 m，则电压降

符合国家电网电压波动范围为±10%的规定。

5)功率损耗

满足到靶船后最大功率大于25 kW 的指标要求。

6)导体直流电阻

符合GB/T 3956—1997《电缆的导体》标准第二种导体的规定，20℃时导体最大电阻为0.727 Ω/km。供电电缆长度取540 m(30 m 分体缆+450 m 复合缆+60 m 分体缆)，电缆总的电阻为

7)供电电缆的确定

由计算结果可知导线线芯横截面积应大于24 mm2。查阅电工手册［2］，最终选定电缆线芯截面积为25 mm2。

2.5 拉力缆设计计算

拉力缆的主要作用是保证复合电缆在海上风流作用下不被拉断。由于复合电缆设计为正浮力电缆，因而电缆在海面的状态应是一部分浸在水中，一部分露出水面。在进行拉力缆设计计算时，为稳妥可靠且计算简单，按电缆全部浸入水中进行计算，并取适当的安全系数。

1)单位长复合电缆所受流体动力计算

研究电缆在水中的流体动力，应取速度坐标系O-XYZ，其中Y 轴垂直水面向上为正。由于现在研究正浮力电缆，电缆浮在水面Y=0，则复合电缆流体动力计算就简化为平面问题。单位长度复合电缆在平面坐标系中受流体动力情况如图3 所示。

图3 单位长度复合电缆受流体动力情况示意图

其中X 轴正向与水流速度方向相反，Z 轴与水流速度方向垂直，正向按右手螺旋法则确定如图3 所示。

α 角为水流速度方向与复合电缆夹角。如图3 所示将速度V 沿复合电缆法向和切向方向分解

令Cx90o代表复合电缆的轴垂直于水流方向时的阻力系数;Cxf代表复合电缆的轴平行于水流方向时的阻力系数。则

其中:τN为单位长度复合电缆所受流体动力法向分量(kg);τt为单位长度复合电缆所受流体动力切向分量(kg);ρ 为流体密度，ρ=104 kg·S2/m4;V 为水流速度(m/s);d 为复合电缆外径(m)。

系数Cx90°、Cxf取值可近似取扫雷具钢索计算的流体动力系数值，扫雷具钢索的系数分别为

考虑到复合电缆外径较扫雷具钢索光滑，Cx90°可取下限值，即Cx90°=1.0。

同时，考虑到海域水面水流流速一般都不会超过2 节，则水中流速取为:V=1 m/s。

在上述情况下:

2)复合电缆拉力缆拉力计算

根据复合电缆受力分析可知，重力与浮力相平衡，拉力缆拉力决定于复合电缆所受流体动力大小，即T=R。

复合电缆顺流布放时:

当α=0°时，即复合电缆顺流布放时

假设d=0.05 m，L=300 m，则

两船间连线与流向垂直时:

当两船间连线与流向垂直时，复合电缆在水中态势如图4 所示。

可利用双舰拖缆扫雷计算公式进行计算。

根据参考文献［1］，有

其中:L 为水中复合电缆长度的1/2(m);Z 为两船间直线距离的1/2(m);X 为复合电缆后延距离(m);T 为复合电缆拉力(kg);α 为电缆初端与流向间的夹角;α0为电缆中部与流向间的夹角。

在图4 中α0=90°，则:

取Z 为两船间安全距离的一半，即

当电缆外径d=0.05 m，L 取不同值时，可得表1，如表1所示。

表1 计算结果（Z=150 m，d=0.05 m）

通过上述计算可知，当复合电缆外径为0.05 m，并且顺流布放300 m 时，复合电缆拉力缆拉力仅需16 kg。因而，复合电缆顺流布放时受力很小，但考虑到试验期间，流向会不断发生变化，有可能导致复合电缆与流向处于垂直状态，这样就会大大增加复合电缆的拉力，因此，复合电缆中拉力缆拉力指标应以与流向垂直状态进行考虑。试验时，电缆是顺流布放，复合电缆也不宜放太长，复合电缆太长有可能漂到供电船底部，发生缠绕现象。综合考虑以上因素，两船间距离为300 m 时，放缆长度为340 ～360 m 左右为宜，由表1可知:

当L=170 m 时，T=439 kg。

考虑到电缆在爆炸环境下使用，电缆拉力应取一定的安全系数。为稳妥考虑，取拉力缆拉力T=1.2 t。

3)拉力缆选取

选取钢索做拉力缆，当钢索直径φ 为4 mm 时，破断拉力为1.2 t;当钢索直径φ 为5 mm 时，破断拉力为1.8 t，因此，可选用直径φ 为4 ～5 mm 的钢索作为拉力缆。