海洋平臺用電力電纜選用原則與方法

李永江 陸云春 孫勇

（江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225129）

1 引言

在海洋平臺電力系統(tǒng)中，電力電纜選用合適與否是關(guān)系到平臺電站及電網(wǎng)能否安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要因素。海洋平臺用電力電纜的選擇需綜合考慮電纜的敷設(shè)環(huán)境、用電設(shè)備系統(tǒng)及工作條件、額定電壓與工作載流量、校正系數(shù)、設(shè)計(jì)裕度和線路允許電壓降等。所選電纜不但需要滿足國際電工委員會（IEC）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)格書要求的其他標(biāo)準(zhǔn)（如NEK 606 和IEEE1580）等，同時需滿足相關(guān)的船級社的要求。本文引用考慮了海洋平臺經(jīng)常入級的ABS和DNV規(guī)范要求。

2 海洋平臺用一般電力電纜的選擇

海洋平臺用一般電力電纜的選擇需要根據(jù)使用環(huán)境、系統(tǒng)條件等確定電纜的絕緣、護(hù)套、編織等，從而確定電纜型號；根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)要求的電流、修正系數(shù)、工作制、敷設(shè)情況以及允許的電壓降確定導(dǎo)體截面和電纜芯數(shù)，進(jìn)而確定電纜規(guī)格。一般可按照下列程序進(jìn)行選擇。

絕緣材料允許的導(dǎo)體最高工作溫度應(yīng)比電纜敷設(shè)安裝場合可能出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度至少高10℃以上。目前使用最多的絕緣材料是乙丙橡膠和交聯(lián)聚乙烯，二者均有著較高的耐溫等級。同時乙丙橡膠更柔軟，并有著良好的電氣絕緣性能，適合用于軟電纜。

交聯(lián)聚乙烯不但電氣絕緣性能優(yōu)異, 而且密度小，機(jī)械性能優(yōu)越，具有耐老化，抗龜裂性，同樣結(jié)構(gòu)同等規(guī)格的電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣會使得電纜外徑更小，重量更輕，適合敷設(shè)空間較小時采用。

各種絕緣材料允許的導(dǎo)體最高額定工作溫度見表1。

2.1 絕緣材料選擇

表1 絕緣材料類型、名稱及導(dǎo)體正常運(yùn)行和短路的最高額定溫度

2.2 護(hù)套材料和編織鎧裝材料的選擇

2.2.1 護(hù)套材料選擇

2.2.1.1 敷設(shè)環(huán)境考慮

a） 固定敷設(shè)在露天甲板、浴室、貨艙、冷藏艙、機(jī)艙和常有冷凝水或油污等蒸汽處所的電纜應(yīng)具有不滲透性護(hù)套，如氯丁橡膠、聚烯烴等。護(hù)套的性質(zhì)應(yīng)能滿足敷設(shè)環(huán)境條件的要求。

b） 由于海洋平臺的特殊作業(yè)環(huán)境，電纜一般需具備較高的阻燃特性，滿足IEC 60332-3-22描述的A類成束阻燃。對于敷設(shè)路徑通過滅火站、應(yīng)急消防泵、油艙管路等防火區(qū)域的電纜或需要在失火狀況下維持工作的設(shè)備用電纜均應(yīng)為耐火電纜，須通過 IEC 60331-21(電纜外徑不大于 20 mm 時)或 IEC 60331-31(電纜外徑超過 20 mm時)。

c） 在選擇不同類型的護(hù)套時應(yīng)著重考慮每根電纜的敷設(shè)或使用時可能受到的機(jī)械外力等。如果護(hù)套的機(jī)械強(qiáng)度不夠則電纜應(yīng)敷設(shè)的管子或電纜槽內(nèi)或采取支撐等防護(hù)措施。

d） 從環(huán)境保護(hù)和人身、設(shè)備安全角度出發(fā)一般盡量選用低煙無鹵電纜，避免火災(zāi)情況下造成二次傷害。特殊情況下如無法選擇無鹵護(hù)套材料，也應(yīng)盡量選擇低煙低鹵材料。

2.2.1.2 從系統(tǒng)要求角度考慮

a） 對于大功率回路、主干動力電纜和主要用電設(shè)備饋線宜選用氯丁橡膠、或聚烯烴材料。

b） 對于低壓24V系統(tǒng)或小功率控制回路用電纜可選擇成品外徑小、重量輕的聚烯烴護(hù)套。

2.2.2 鎧裝材料選擇

根據(jù)IEC60092-350：2008描述，船舶和海洋平臺用電纜的編織鎧裝主要有銅絲、鍍錫銅絲、銅合金絲和鍍鋅鋼絲，最常用的是鍍錫銅絲和鍍鋅鋼絲。其中對于單芯鎧裝型電纜應(yīng)選用鍍錫銅絲；對于強(qiáng)調(diào)機(jī)械保護(hù)性能的電纜，需采用鍍鋅鋼絲；對于既有屏蔽要求又有機(jī)械強(qiáng)度保護(hù)要求的電纜需采用鍍錫銅絲；對于傳輸控制、報(bào)警以及安全系統(tǒng)的電纜應(yīng)選用鍍錫銅絲編織鎧裝。

2.3 導(dǎo)體的選擇

2.3.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)選擇

電纜的柔軟程度主要與導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，依據(jù)IEC 60228：2004導(dǎo)體正常分為4類，即實(shí)芯導(dǎo)體、2類通用絞合導(dǎo)體、5類軟結(jié)構(gòu)絞合導(dǎo)體和6類特軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)體。海洋平臺用電力電纜采用的都是后面3類導(dǎo)體，不用實(shí)芯導(dǎo)體。

固定敷設(shè)安裝的電纜通常采用 2類絞合導(dǎo)體；某些設(shè)備如手提燈，接岸電的電纜等，則應(yīng)采用軟結(jié)構(gòu)5類導(dǎo)體；而頻繁移動且使用中多發(fā)生回轉(zhuǎn)的用電設(shè)備，應(yīng)選用特軟結(jié)構(gòu)的6類絞合導(dǎo)體電纜。

2.3.2 電纜芯數(shù)選擇

三相電路，每根電纜應(yīng)為3芯或3+E；單相交流或雙線直流用電纜應(yīng)為2芯或2+E；進(jìn)入蓄電池室的電池連接線及配電板內(nèi)部接線應(yīng)盡量選擇單芯電纜。對于穿越甲板或艙壁的多芯電纜，應(yīng)考慮備用線芯數(shù)。具體的備用芯線數(shù)參見表2。

表2 多芯電纜備選線芯

2.3.3 導(dǎo)體截面積的確定

電纜導(dǎo)體截面的選擇應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備額定電流、工作制、環(huán)境溫度、敷設(shè)情況以及允許的線路電壓降等因素來完成。所選電纜的額定電流值不應(yīng)小于此電纜所在電路的總負(fù)載電流值。計(jì)算修正后的載流量時，應(yīng)將連續(xù)運(yùn)行方式載流量乘以相關(guān)的修正系數(shù)。

2.3.3.1 電纜負(fù)載電流估算

根據(jù)設(shè)備情況，采用公式（1）計(jì)算電纜需要的負(fù)載電流：

其中，Ii為第i條分路電氣設(shè)備額定電流，A；Is為備用回路容量，A；Ki為適當(dāng)?shù)牟煌瑫r系數(shù)。

2.3.3.2 工作制

不同工作制下電纜的載流量是不同的，電纜的工作制分為連續(xù)工作制、短時工作制和重復(fù)短時工作制三種。當(dāng)電纜連續(xù)負(fù)載持續(xù)時間大于 3倍的電纜時間常數(shù)T（即臨界持續(xù)時間3T）時則認(rèn)為是連續(xù)工作制。4芯及4芯以下電纜連續(xù)工作制時的額定電流見表 4，其基準(zhǔn)環(huán)境溫度為45℃。此溫度通常適用于航行于任何氣候條件下的任何船舶中的絕緣電纜。若周圍的環(huán)境溫度非45℃，則電纜的載流量應(yīng)采用表5的系數(shù)進(jìn)行修正。當(dāng)電纜的芯數(shù)多于4芯時，應(yīng)將表4中單芯電纜的額定電流乘以表3所列修正系數(shù)。

電纜的時間常數(shù)是電纜外徑的函數(shù)，可以通過公式（2）計(jì)算得知。

其中，T為電纜的時間常數(shù)，min；D為電纜的總外徑，mm。

表3 多芯電纜額定電流修正系數(shù)

表4 電纜連續(xù)工作制的額定電流（環(huán)境溫度為45℃）

典型的短時工作制有30 min工作制和60 min工作制兩種，短時工作制下電纜的載流量用相應(yīng)的修正系數(shù)乘以 45℃環(huán)境溫度下的連續(xù)載流量獲得。但短時工作制修正系數(shù)僅適用于斷電時間大于3倍電纜時間常數(shù)的情況下。短時工作制時電纜額定載流的修正系數(shù)可按照公式（3）計(jì)算獲得。

式中：Ki為校正系數(shù)；ts為工作時間，min；

T為時間常數(shù)，min，（見公式2）。

重復(fù)短時工作制也稱為間歇工作制，常用的是周期為10 min（其中4 min為恒定負(fù)載，6 min為空載），載流量修正系數(shù)Kcf按公式（4）計(jì)算。

式中：Kcf為修正系數(shù)；T為電纜時間常數(shù)，min。

若工作制與上述時間不同，則電纜的允許載流Icf按公式（5）計(jì)算。

式中：Icf為修正后的電纜允許電流，A；In為電纜額定電流，A；t為工作時間，min；T為電纜時間常數(shù)，min。

2.3.3.3 成束電纜敷設(shè)修正系數(shù)

對于按下列方式之一敷設(shè)的電纜，若能保證每束電纜周圍冷卻空氣自由循環(huán)，則可以直接采用表4所列的額定載流：

a） 不超過 6根的電纜成束敷設(shè)在導(dǎo)板上，管道、管子或電纜槽內(nèi)；

b） 超過6根的電纜按下列方式組合：

在任何兩組6根的電纜束之間的距離應(yīng)至少等于最粗的電纜的外徑：

或在任何兩組3根束集之間的水平及垂直距離應(yīng)至少等于最粗的電纜的外徑：

對于可能以額定負(fù)荷同時工作而又緊靠在一起，并且周圍沒有空氣自由循環(huán)的6根的電纜束，應(yīng)采用 0.85的修正系數(shù)。當(dāng)采用 0.85的修正系數(shù)時應(yīng)注意電纜敷設(shè)層數(shù)，一般每束電纜不宜超過兩層。最好是在進(jìn)行設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量使得通風(fēng)良好，避免采用修正系數(shù)。

導(dǎo)體最高工作溫度不同的絕緣電纜，應(yīng)避免成束敷設(shè)在一起。如必須成束負(fù)敷設(shè)則束集內(nèi)所有電纜的載流量取決于額定導(dǎo)體工作溫度最低的電纜，并采用相應(yīng)的修正系數(shù)。

2.3.3.4 電壓降計(jì)算與校核

當(dāng)電纜在正常工作條件下承載最大電流時，從主配電板或應(yīng)急配電板的匯流排到任何安裝點(diǎn)的電壓降應(yīng)不超過額定電壓的 6%；由蓄電池供電，其電壓不超過50 V的系統(tǒng)，電壓降不應(yīng)超過額定電壓的10%。電壓降的計(jì)算公式見表6。

2.3.3.5 截面積選擇的其它注意點(diǎn)：

表7 短路時間1 s時電纜的允許短路電流

a） 電纜的導(dǎo)體應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，電力電纜導(dǎo)體額截面積不應(yīng)小于1 mm2，在危險(xiǎn)區(qū)域敷設(shè)的電力和照明系統(tǒng)的電纜的最小截面積為1.5 mm2。

b） 發(fā)電機(jī)至主配電板或應(yīng)急配電板的電力電纜，按發(fā)電機(jī)額定電流的100%選擇。

c） 直流發(fā)電機(jī)的均壓線，其載流能力應(yīng)不小于主回路電纜載流能力的50%。

d） 為了使電纜得到有效保護(hù)，導(dǎo)體截面積的選擇應(yīng)考慮短路電流的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，尤其是第一個路電流峰值。并且應(yīng)確保在短路條件下，電纜不超過允許的短路運(yùn)行最大短路溫度。交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠絕緣電纜短路1S時的允許短路電流見表7；若短路時間為其它時間（0.2～5 s），則按公式（6）計(jì)算最大允許短路電流。

式中：It為短路t秒時的短路電流，A；I1為短路1 s時的電流，A；t為短路時間，s。

e) 電纜的接地導(dǎo)體的標(biāo)稱截面應(yīng)滿足表8的描述。

3 特殊要求的電纜選擇

1） 低壓交流系統(tǒng)電力電纜應(yīng)盡量避免選用單芯電纜，否則應(yīng)對其敷設(shè)工藝做出關(guān)注。必須選用大截面單芯電纜用于三相交流系統(tǒng)時，應(yīng)選用銅絲編織鎧裝型電纜，而不能選擇鋼絲鎧裝 電纜，避免產(chǎn)生渦流，電纜發(fā)熱嚴(yán)重。

表5 不同環(huán)境溫度下的修正系數(shù)（基準(zhǔn)環(huán)境溫度為45℃）

表6 電壓降計(jì)算公式

2） 對于需在寒冷冬天施工或是冷藏室用電纜，應(yīng)考慮電纜的耐低溫性能。對于冷藏室用電纜應(yīng)避免聚氯乙烯絕緣或聚氯乙烯護(hù)套。

3） 敷設(shè)空間較小或設(shè)備對電纜彎曲性能特別要求時注意電纜的最小彎曲半徑。一般而言，海洋工程用電纜的最小彎曲半徑應(yīng)符合表 9，而不應(yīng)是很多廠家或設(shè)計(jì)者參照的陸用電力電纜標(biāo)準(zhǔn)要求，陸用電纜標(biāo)準(zhǔn)對電纜彎曲半徑的要求遠(yuǎn)低于船用電纜要求。

4） 目前變頻電機(jī)等設(shè)備運(yùn)用越來越多，用于此處的電纜選擇時應(yīng)考慮電磁兼容、屏蔽性能以及對高次諧波造成的脈沖電壓的抵抗，并且應(yīng)特別注意電纜的對稱結(jié)構(gòu)。

5） 如電纜需長期與油污、泥漿接觸，還應(yīng)考慮電纜的耐油、防泥漿、耐老化性能。防泥漿性能目前采用的為NEK606：2004的技術(shù)要求。

表8 電纜接地導(dǎo)體的尺寸

表9 電纜最小彎曲半徑

4 結(jié)語

本文對海洋工程用電力電纜的選擇做了總結(jié)敘述，供相關(guān)者參考。但伴隨電氣技術(shù)的快速發(fā)展，與海洋工程設(shè)備配套的電纜的選擇越來越復(fù)雜化，為此就需要在滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的前提下，在滿足設(shè)備電網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，發(fā)揮主觀能動性，探討電纜選擇的合理性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，從而使得選型最優(yōu)化。

[1]IEC 60092-352：2005. Choice and installation of electric cables for low voltage power systems (Third edition)[S].

[2]American Bureau of Shipping. Rules for building and classing--mobile offshore drilling units 2008[M].

[3]中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[M]. 北京： 人民交通出版社, 2005.

[4]中國海洋石油總公司. 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南, 第3冊： 海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計(jì)[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社，2007.

[5]印永福. 電線電纜手冊[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[6]CB/Z 221-1998： 艦艇電纜選擇規(guī)則[S].