關(guān)于船用變頻電纜的探討

李永江（江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司 揚(yáng)州225129）

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關(guān)于船用變頻電纜的探討

李永江
（江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司 揚(yáng)州225129）

［摘 要］變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備在海洋工程和船舶裝備上大量應(yīng)用，促使配套的變頻器專(zhuān)用電纜也快速發(fā)展。文章針對(duì)船用變頻電纜在應(yīng)用中存在的各種問(wèn)題，對(duì)船用變頻電纜的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵性能、電纜敷設(shè)等進(jìn)行了探討，闡述了各型結(jié)構(gòu)在選型中的優(yōu)劣、電纜絕緣耐壓性能、接地導(dǎo)體和屏蔽性能指標(biāo)要求，以及電纜敷設(shè)中的屏蔽和接地線的接地工藝。

［關(guān)鍵詞］船用變頻電纜；結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵性能; 接地；探討

引 言

近些年船舶和海洋工程裝備上大量采用變頻裝置，促使與之配套的專(zhuān)用電纜（下稱變頻電纜）快速發(fā)展。筆者曾為此撰寫(xiě)《船用變頻電纜解析與敷設(shè)》一文，旨在幫助電纜設(shè)計(jì)者和使用者正確制造和使用電纜［1］。但限于篇幅，問(wèn)題未能完全闡述。近幾年，筆者在工作中經(jīng)常遇到使用者對(duì)電纜選型不當(dāng)，甚至制造廠家本身推薦電纜不當(dāng)，以及用戶對(duì)于安裝接線咨詢的情況。為此，筆者對(duì)船用變頻電纜進(jìn)行更深入的探討，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 電纜結(jié)構(gòu)

目前對(duì)于變頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面的研究已較為豐富，從減少變頻電纜運(yùn)行時(shí)與周?chē)h(huán)境的相互干擾，增強(qiáng)電纜抗高次諧波，滿足電磁兼容，使整個(gè)設(shè)備機(jī)組能夠安全穩(wěn)定工作角度而言，大家已十分明白船用變頻電纜應(yīng)該采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)如3芯或3+3E（E為接地線），而不應(yīng)采用3+E結(jié)構(gòu)。但問(wèn)題是對(duì)于690 V的變頻系統(tǒng)，配套電纜多為0.6/1 kV或1.8/3 kV，即我們俗稱的船用低壓電纜。這兩種電壓的變頻電纜各個(gè)廠家設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是不完全相同的，主要差異表現(xiàn)在屏蔽結(jié)構(gòu)，有的廠家給定的是銅絲編織單芯獨(dú)立屏蔽，有的是成纜纜芯外整體屏蔽（又分為銅絲編織、金屬塑料復(fù)合帶，以及二者的復(fù)合結(jié)構(gòu)）。

對(duì)于船用中高壓電纜而言，采用線芯單獨(dú)屏蔽是為了改善電場(chǎng)分布和均化電場(chǎng)，防止軸向放電，將電纜在通電時(shí)引起的電磁場(chǎng)屏蔽在絕緣線芯內(nèi)，以減少對(duì)外界產(chǎn)生的電磁干擾；同時(shí)限制外界電磁場(chǎng)對(duì)電纜內(nèi)部產(chǎn)生影響；低壓電力電纜則不需要均化電場(chǎng)，相反單芯屏蔽會(huì)造成電纜外徑質(zhì)量劇增。船用變頻電纜在運(yùn)行時(shí)作為整體存在與系統(tǒng)和其他設(shè)備的相互影響，需要采取整體屏蔽，卻不需要單芯獨(dú)立屏蔽，單芯屏蔽并無(wú)意義。實(shí)際上變頻器設(shè)備廠家也不允許采用單芯獨(dú)立屏蔽結(jié)構(gòu)電纜，例如ABB公司對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備用電纜的要求，見(jiàn)圖1。

對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱型的各種電纜，變頻系統(tǒng)選擇的優(yōu)先程度各不相同，對(duì)于圖2所列的生產(chǎn)廠家主推的幾種結(jié)構(gòu)，選擇的優(yōu)先順序依次是（a）、（b）、（c）、（d）。

圖1　ABB對(duì)變頻電纜結(jié)構(gòu)要求

圖2　各型VFD電纜結(jié)構(gòu)

除（d）型單芯屏蔽電纜不推薦使用外，圖2中（c）型電纜也不作推薦，其原因在于變頻系統(tǒng)動(dòng)力電纜規(guī)格較大，從接地保護(hù)角度而言，如果沒(méi)有地線則不能滿足要求；而采用編織屏蔽作為接地線，實(shí)踐證明更難以滿足接地線截面積不小于主線芯截面積一半的要求。采用此型電纜時(shí)需要在電纜外額外敷設(shè)一根接地線，既增加施工難度且布線易亂。

（b）型電纜作為傳統(tǒng)的“三相四線制”電纜的改進(jìn)，就結(jié)構(gòu)和性能而言，理論上是完全能滿足要求的；但在實(shí)踐上該型電纜存在嚴(yán)重弊端：一方面，由于中心接地線截面積不小于主線芯截面積的一半，使其周?chē)?個(gè)主線芯各不接觸，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很差，實(shí)在難以保證地線芯處于絕對(duì)平衡的中心，如此則會(huì)重復(fù)普通“三相四線制”電纜的問(wèn)題；另一方面，因中心接地線的外徑大于3個(gè)主線芯內(nèi)切圓的直徑，導(dǎo)致（b）型電纜的整體外徑和質(zhì)量均會(huì)增大許多，不能滿足船舶和海洋工程空間狹小對(duì)電纜降低外徑和便于敷設(shè)拉放的需求。

而作為最優(yōu)先推薦使用的電纜，（a）型電纜則將絕緣接地線芯三等分，并使之跟3個(gè)相導(dǎo)體間隔排列絞合成纜，形成對(duì)稱的3+3E結(jié)構(gòu)，可使3個(gè)絕緣接地線芯的相位一次滯后120°，形成對(duì)稱平衡的狀態(tài)。這樣電流分量不會(huì)形成疊加，從而有效降低高次諧波對(duì)變頻電纜的不利影響。3根對(duì)稱排列的絕緣接地線芯可以降低感應(yīng)電壓不平衡并將共態(tài)噪聲傳回傳動(dòng)系統(tǒng)。并且根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，地線芯平均一分為三后，每一部分的絕緣外徑將會(huì)小于主線芯與其外切圓之間空隙部分所能承受的最大圓直徑，不會(huì)造成電纜整體外徑的增加。成纜纜芯外的整體屏蔽則可以有效降低屏蔽系數(shù)，減弱電磁波外泄，增強(qiáng)屏蔽性能，從而消除電纜電磁波對(duì)其外部設(shè)備的影響。

2 關(guān)鍵性能

由于諧波、電磁干擾、反射波電壓、共模電流和相鄰電纜的感應(yīng)電壓的原因，船用變頻電纜應(yīng)對(duì)此做特殊考慮。基于此的船用電纜關(guān)鍵構(gòu)件主要包括絕緣性能、接地導(dǎo)體、EMI屏蔽，相應(yīng)的關(guān)鍵性能是耐壓、介電常數(shù)、表面?zhèn)鬏斪杩沟取?/p>

2.1 絕緣和耐壓性能

絕緣線芯的額定電壓必須考慮標(biāo)稱電壓和反射電壓。比如VFD系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為690 V，因存在的反射電壓高達(dá)該電壓的2～3倍。因此，為減少早期變頻器峰值電壓反復(fù)沖擊擊穿的可能，減少電纜充電電流引起的傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)電流跳閘問(wèn)題，電纜的額定電壓可以為1.8 kV/3 kV。電纜線芯絕緣厚度的選擇應(yīng)考慮系統(tǒng)切換頻率、敷設(shè)長(zhǎng)度和材料介電常數(shù)。盡可能采用介電常數(shù)低的絕緣材料以降低反射波峰值電壓幅度，使電纜可以長(zhǎng)距離敷設(shè)，并降低接地系統(tǒng)中感應(yīng)的高頻噪聲。建議變頻電纜使用介電常數(shù)小于3.0的絕緣材料，以降低電纜的電容從而減少共模電流［2］。

2.2 接地導(dǎo)體

大多數(shù)變頻系統(tǒng)對(duì)電纜都有接地要求，通常接地導(dǎo)體的設(shè)置見(jiàn)前面結(jié)構(gòu)所述，即接地導(dǎo)體的總規(guī)格不小于主線芯截面積的一半。除此之外，接地導(dǎo)體的截面積亦取決于過(guò)電流保護(hù)器的跳閘設(shè)定（電氣量）。如電纜平行敷設(shè)，接地導(dǎo)體的規(guī)格必須增加，以反射過(guò)電流保護(hù)器較高的跳閘設(shè)定（電氣量）。

2.3 屏蔽性能

電纜的屏蔽方式主要有銅絲纏繞、銅絲編織、銅帶繞包、銅塑復(fù)合帶+引流線、鋁塑復(fù)合帶+引流線等。銅絲纏繞和銅帶繞包會(huì)帶來(lái)彎曲弊端而不適合船用電纜；從屏蔽效能和變頻電纜強(qiáng)電用途出發(fā)，鋁塑復(fù)合帶+引流線也不建議用于變頻電纜。因此變頻電纜最終可用的屏蔽材料主要是銅絲編織和銅塑復(fù)合帶+引流線，而且盡可能兩者同時(shí)采用，形成100%覆蓋率的復(fù)合整體屏蔽，避免變頻電磁干擾［3-4］。

船用變頻電纜整體屏蔽目的是減少電磁干擾散射，屏蔽性能的考核指標(biāo)主要是表面?zhèn)鬏斪杩购推帘我种葡禂?shù)。

表面?zhèn)鬏斪杩拱凑誌EC 61196-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，在100 MHz時(shí)表面?zhèn)鬏斪杩共淮笥?0 mΩ/m。

屏蔽抑制系數(shù)測(cè)試方法根據(jù)上海電纜研究所提出的“高壓變電站用屏蔽型控制電纜的屏蔽性能試驗(yàn)方法”進(jìn)行，即模擬高壓變電站開(kāi)關(guān)設(shè)備操作過(guò)程所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓，對(duì)變頻電纜的屏蔽性能進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)。推薦的性能指標(biāo)不大于0.05。

3 電纜敷設(shè)

敷設(shè)安裝合理是保證船用變頻電纜最終良好運(yùn)行的關(guān)鍵，最主要的是變頻電纜的接地連接問(wèn)題，用戶施工人員應(yīng)予以重視。各變頻器廠家一般對(duì)變頻器的接地要求都有具體規(guī)定，電纜制造廠家也會(huì)提供相應(yīng)的建議。變壓器、變頻器、電機(jī)和變頻電纜間的典型電路圖如圖3。電纜連接示意圖見(jiàn)圖4和圖5［5］。

圖3　變壓器、變頻器、電機(jī)和變頻電纜典型電路圖

圖4　電纜接地示意圖

圖5　電纜局部接地示意圖

接地時(shí)應(yīng)采用360°連接環(huán)將整體屏蔽和接地導(dǎo)體連接接地，由于采用的銅塑復(fù)合帶+引流線的屏蔽方式中銅塑復(fù)合帶的金屬層很薄，施工時(shí)容易斷裂造成接地故障。建議施工時(shí)避免野蠻施工，將復(fù)合帶、引流線和編織網(wǎng)扭絞在一起，扭絞時(shí)復(fù)合帶的金屬層與引流線和編織網(wǎng)成電氣接觸，扭絞后整體牢固端接在360°連接環(huán)，見(jiàn)圖6所示。

圖6　連接環(huán)連接

4 結(jié) 論

綜上所述，船用變頻電纜已在船舶和海洋工程裝備大量應(yīng)用，但實(shí)踐操作時(shí)在電纜結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵性能、選型和施工工藝環(huán)節(jié)仍存在諸多問(wèn)題。通過(guò)對(duì)船用變頻電纜進(jìn)行的針對(duì)性探討，得出以下結(jié)論：

（1）船用變頻電纜的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能避免單芯屏蔽，而采用3+3E整體屏蔽對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

（2）耐壓、屏蔽性能、接地導(dǎo)體規(guī)格等對(duì)船用變頻電纜具有重要影響。

（3）為保證電纜性能最優(yōu)化，除結(jié)構(gòu)和材料外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電纜的接地工藝。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 李永江，陸云春.船用變頻電纜解析與敷設(shè)［J］.船舶工程，2009（6）：49-51.

［2］ IEEE 1580. IEEE Recommended Practice for Marine Cable for Use on Shipboard and Fixed or Floating Facilities ［S］. 2010.

［3］ 王曉東，宣天鵬.電纜屏蔽材料的種類(lèi)及應(yīng)用［J］.安全與電磁兼容，2015（1）：76-79.

［4］ IEC 60092-350. General Construction and Test Methods of Power， Control， and Instrumentation Cables for Shipboard and Offshore Applications （Fourth Edition） ［S］. 2014.

［5］ Ronald Tessendorf， Hiromi Hosoda， Katsuhiko Fukuma. AC Drive Cable Selection ［J］. Iron & Steel Technology，2009（12）：49-56.

Discussion on shipboard variable frequency cable

LI Yong-jiang
(Jiangsu Yuanyang Cable Co., Ltd., Yangzhou 225129, China)

Abstract:As the variable frequency drives (VFD) widely used in the marine engineering and marine equipments, the special cable that supports the frequency converter develops rapidly. This paper discusses the problems of shipboard variable frequency cable during the application from the cable configuration, key performance and cable installation. It also introduces the type selection, the insulation and voltage property, grounding conductor and the demands of shielding performance for the different cable configurations, and the process of the shielding and grounding wire during the cable installation.

Keywords:shipboard variable frequency cable; configuration; key performance; grounding; discussion

［作者簡(jiǎn)介］李永江（1982-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船艦和海洋工程用電纜的設(shè)計(jì)。

［收稿日期］2015-06-28；［修回日期］2015-08-25

［中圖分類(lèi)號(hào)］U665.26

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）01-0077-04