艦船消磁電纜重量與功耗設(shè)計(jì)分析

楊勇，耿攀，楊文鐵，孫瑜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064）

艦船消磁電纜重量與功耗設(shè)計(jì)分析

楊勇，耿攀，楊文鐵，孫瑜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064）

艦船消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及到消磁電纜的選型與消磁電源的選型，本文從工程設(shè)計(jì)角度分析了消磁電纜截面與多芯電纜重量的關(guān)系，分析了消磁電纜截面與消磁電纜消耗功率的關(guān)系，分析結(jié)果說(shuō)明消磁電纜的重量與電纜芯數(shù)的選擇有一定關(guān)系。

消磁電纜 電纜截面 重量 功耗

0 引言

艦船消磁系統(tǒng)中需要使用消磁電纜，按照消磁繞組的一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)我們知道，如果設(shè)計(jì)的消磁繞組工作電流大，相應(yīng)電纜截面也應(yīng)變大，通俗的說(shuō)就是電纜變粗了。太粗的電纜會(huì)給施工帶來(lái)很多困難，一般希望電纜截面不大于50 mm2。同時(shí)消磁電流的選擇也受到供電電源容量的限制。而消磁繞組供電電壓提高時(shí)，消耗功率會(huì)變大，但繞組的重量會(huì)變輕。消磁繞組的功率與其重量大致是成反比關(guān)系的，選擇什么方案取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)是功率因素，還是重量因素，或者其它條件的限制。怎樣合理的選擇艦船消磁系統(tǒng)中的消磁繞組電纜，一直是艦船消磁行業(yè)比較關(guān)心的問(wèn)題。

本文主要分析消磁電纜的截面與電纜的重量、消磁電纜的截面與消磁繞組消耗功率這兩方面在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

在消磁系統(tǒng)磁計(jì)算中，對(duì)某套繞組一般已劃定了幾個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段都有其設(shè)計(jì)安匝AWi。在估算電纜截面時(shí)，設(shè)定船體某一個(gè)區(qū)段上消磁電纜截面不變[2]。

在估算消磁電纜的截面時(shí)，一般按照下列方法進(jìn)行。

設(shè)定某個(gè)區(qū)段，有繞組匝數(shù)W，單匝長(zhǎng)度為l。

則該區(qū)段的電纜總長(zhǎng)度L=W*l。電阻為：R=L/r*q

式中：L為某區(qū)段電纜總長(zhǎng)度（m）；q為電纜截面（mm2）；r為電導(dǎo)率，取值r=53；

該區(qū)段的總電阻為：

則該區(qū)段的電纜截面[1]為：

根據(jù)磁計(jì)算結(jié)果，AW為確定值，只要算出該區(qū)段單匝的l值，即可計(jì)算出電纜截面估算值。但是，需要注意的是實(shí)際選用電纜時(shí)，要根據(jù)估算電纜截面，在電纜產(chǎn)品樣本找高于這個(gè)估算截面的電纜。

1 電纜重量與導(dǎo)體截面積以及電纜芯數(shù)的關(guān)系

式中：g為電纜單位重量，單位為kg/km。

由前面的公式1，可推導(dǎo)得出：

從上式可以看出，電纜重量G與g和q成正比，與u成反比，所以G實(shí)際上是截面積q、電纜單位重量g和消磁電源電壓u的函數(shù)，即

根據(jù)G=f(q ,g ,u)關(guān)系曲線，再綜合考慮電纜的載流量，可求出在繞組電纜的重量，如果通過(guò)計(jì)算，使得消磁電纜的重量最小，這個(gè)截面積我們一般稱之為“最佳截面積”。除此之外，在相同電纜截面積情況下，選擇不同的電纜芯數(shù)，消磁電纜的重量也有明顯的差異。假定區(qū)段安匝量為定值，根據(jù)公式1，電源的輸出電流對(duì)電纜截面的選取無(wú)影響，也假設(shè)為定值，當(dāng)消磁繞組輸入電壓由30 V變化至180V時(shí)，選擇的電纜截面均滿足載流量要求，而且消磁繞組上的電壓降落均滿足要求，繪制出消磁電纜重量隨輸入電壓和選擇電纜芯數(shù)的不同的變化趨勢(shì)。

由圖1可以看出，當(dāng)消磁繞組輸入電壓升高時(shí)，消磁電纜的重量呈下降趨勢(shì)。當(dāng)輸入電壓在30 V左右時(shí)，選用單芯電纜，繞組總重量最輕，三芯電纜次之，雙芯電纜和四芯電纜相對(duì)較重，四者的重量比值為1：1.19：1.06：1.36；當(dāng)輸入電壓升高1倍，達(dá)到60 V左右時(shí)，選用單芯電纜和三芯電纜重量比較接近，雙芯電纜和四芯電纜重量比較接近，四者的重量比值為1：1.17：1.04：1.18；當(dāng)輸入電壓達(dá)到90 V左右時(shí)，選用單芯電纜、三芯電纜和四芯電纜重量比較接近，雙芯電纜繞組重量最重，四者的重量比值為1：1.56：1.02：0.95；當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，仍是選用四芯電纜重量最輕。

2 消磁繞組功率損耗P和電纜輸入電壓u的關(guān)系

消磁繞組的功率為：

在上式中，AW、l和r為確定值，因?yàn)殡妷簎與q是反比關(guān)系，即功耗P是u、q、I的函數(shù)

當(dāng)消磁繞組電流不變時(shí)，隨著繞組輸入電壓的提高，消磁電纜計(jì)算截面積減小，繞組功率損耗將隨之增大。當(dāng)消磁繞組輸入電壓由30 V變化至180 V時(shí)，如果選擇的電纜截面均滿足載流量要求，而且消磁繞組上的電壓降落均滿足要求，在圖2中繪制出消磁電纜功耗隨輸入電壓和選擇電纜芯數(shù)的不同的變化趨勢(shì)。

消磁繞組隨輸入電壓升高，繞組消耗功率大致成相應(yīng)倍數(shù)增長(zhǎng)，但是當(dāng)繞組消耗功率可以大致確定時(shí)，若不考慮電源設(shè)備到消磁繞組電纜之間壓降，消磁電源的輸出電壓取電壓變化區(qū)間的下限，可以降低電源、電纜等設(shè)備器件功率損耗，也可以降低對(duì)部分元器件的要求。

3 結(jié)論

在艦船消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)選用多芯電纜，例如雙芯、三芯或更多芯數(shù)的電纜，這些多芯電纜不是用來(lái)調(diào)整船體區(qū)段的消磁系統(tǒng)安匝量，而是考慮到用多芯電纜可以減少敷設(shè)電纜的根數(shù)，從而減少敷設(shè)電纜的工作量，減少穿越船體結(jié)構(gòu)的電纜填料函數(shù)量。但是從消磁電纜的重量來(lái)看，即使船體某一區(qū)段的安匝量不變，選用單芯電纜或多芯電纜時(shí)消磁繞組的重量有明顯差異。消磁電纜重量隨輸入電壓變化和電纜芯數(shù)的不同，電纜重量變化趨勢(shì)也有不同征。消磁電源電壓低時(shí)，單芯和三芯電纜重量相對(duì)輕，電壓升高到某一區(qū)間，四芯電纜重量相比較而言最輕。兩芯電纜重量一直相對(duì)較高。另外根據(jù)繞組消耗功率變化趨勢(shì)曲線，隨著繞組輸入電壓的提高，消磁電纜計(jì)算截面積減小，繞組功率損耗增大，從減小不必要的功耗角度，消磁電源的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合消磁系統(tǒng)電設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行匹配。

[1] 粟有鼎. 艦船磁防護(hù)與聲防護(hù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1985.

[2] 唐申生，周耀忠，莊清華. 大型艦船分區(qū)消磁理論研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.

[3] Hayt W H，Buck J A. 工程電磁場(chǎng). 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4] 王澤忠，金玉生，盧斌先. 工程電磁場(chǎng). 清華大學(xué)出版社，2011.

Design and Analysis of Degaussing Coil in Vessel Degaussing System

Yang Yong, Geng Pan, Yang Wentie, Sun Yu

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The design of vessel degaussing system involves calculation of degaussing coil section and of consumed power estimation etc. The paper analyzes the relations between coil section and coil weight, and tries to find regulations between the section and the degaussing power, all this are related to degaussing system design.

degaussing coil; coil section; weight; power

TM726

A

1003-4862（2013）05-0059-02

2012-11-23

楊勇（1979-），男，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)。