船用中壓直流單芯電纜集聚敷設(shè)磁場分析

郭彥軍，陶江平，吳非寅，王 波

(上海船舶工藝研究所，上海 200240)

0 引 言

近年來，以馬偉明院士為代表的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了我國新一代綜合電力系統(tǒng)，不同于其他國家使用的中壓交流綜合電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中壓直流配電技術(shù)，受限于艦船敷設(shè)空間和出于施工便利性的考慮，供電電纜首次采取多根船用中壓直流單芯電纜并聯(lián)集聚敷設(shè)的方式。

電纜中的導(dǎo)體通電會產(chǎn)生磁場，單根電纜周圍的最大磁場強(qiáng)度根據(jù)負(fù)載電流的大小而不同，范圍為幾奧斯特到幾十奧斯特[1-2]。電纜磁場強(qiáng)度與艦船磁場隱身性能密切相關(guān)，電纜磁場可能會磁化周圍的鋼結(jié)構(gòu)，造成艦船磁場增強(qiáng)。對于沒有實(shí)際上艦應(yīng)用的中壓直流單芯電纜來說，通過仿真計(jì)算其周圍磁場的強(qiáng)度和分布，研究降低電纜敷設(shè)對艦船磁場隱身性能影響的具體措施是切實(shí)可行的，對于中壓直流單芯電纜的正式上艦敷設(shè)有重要的指導(dǎo)意義。

1 電纜集聚敷設(shè)磁場仿真及分析

1.1 電纜集聚敷設(shè)磁場仿真

多芯電纜各相導(dǎo)體在空間上結(jié)構(gòu)對稱，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磁場可相互抵消，對周圍環(huán)境電磁場的影響較小。對于單芯電纜來說，敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡可能對稱排布，使多回路集聚敷設(shè)的電纜整體對外磁場最小。根據(jù)規(guī)范[3]要求，在多回路單芯直流電纜敷設(shè)時(shí)，根據(jù)回路數(shù)量的不同，推薦的排布方式如圖1所示。

圖1 直流單芯電纜推薦排布方式

規(guī)范對于超過4個(gè)回路的單芯直流電纜如何排布并沒有明確的指導(dǎo)。以某型艦船發(fā)電機(jī)到主配電板的電纜橋架為例，2臺發(fā)電機(jī)額定電流分別為940 A和5 250 A，額定電壓為4 kV，選用導(dǎo)體截面積分別為120 mm2和240 mm2的單芯直流電纜，這兩種規(guī)格的電纜在額定溫度90 ℃下連續(xù)運(yùn)行時(shí)的載流量分別為339 A和522 A，根據(jù)計(jì)算公式

敷設(shè)系數(shù)取0.8，最終計(jì)算得出2臺發(fā)電機(jī)所需單芯電纜分別為8根導(dǎo)體截面積為120 mm2和26根導(dǎo)體截面積為240 mm2的單芯電纜，這些電纜敷設(shè)在有孔鋼制電纜橋架上，按照如圖2和圖3所示的2種不同的排布方式進(jìn)行仿真計(jì)算比較。

圖2 排布1

圖3 排布2

中壓直流單芯電纜的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，上述2種常用規(guī)格電纜的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖4 中壓直流單芯電纜的典型結(jié)構(gòu)

表1 直流單芯電纜結(jié)構(gòu)尺寸

采用COMSOL Multiphysics 有限元仿真軟件，根據(jù)表1提供的電纜尺寸模型，建立電纜的物理模型，如圖5所示。半導(dǎo)電層是由絕緣材料添加炭黑得到的，其導(dǎo)磁性能和電纜絕緣層一致，并不會影響整體磁場分布，因此可將電纜絕緣結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)電層視為絕緣層進(jìn)行簡化計(jì)算。

圖5 電纜物理模型

進(jìn)行電磁場計(jì)算時(shí)所需的主要結(jié)構(gòu)材料屬性如表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)材料屬性

通過仿真計(jì)算得到2種排布形式下電纜周圍的磁通密度分布如圖6和圖7所示，參考中壓電纜托架與其他電纜托架常規(guī)敷設(shè)間距，分別取2種排布形式下電纜周圍(上下左右)300 mm的磁通密度曲線如圖8～圖11所示。

圖6 排布1磁通密度分布圖

圖7 排布2磁通密度分布圖

圖8 排布1電纜上方和下方300 mm處磁通密度線圖

圖9 排布1電纜左側(cè)和右側(cè)300 mm處磁通密度線圖

圖10 排布2電纜上方和下方300 mm處磁通密度線圖

圖11 排布2電纜左側(cè)和右側(cè)300 mm處磁通密度線圖

1.2 仿真結(jié)果分析

對比電纜束周圍(上下左右)的磁通密度線圖發(fā)現(xiàn)，排布2的電纜周圍最大磁通密度模值在總體上小于排布1，因此在實(shí)際敷設(shè)中電纜應(yīng)按照排布2的形式進(jìn)行排列才能將磁場降至最低。

當(dāng)確定電纜排布形式后，在實(shí)際敷設(shè)中還需解決另一個(gè)棘手問題，即：為了不使鋼結(jié)構(gòu)被磁化造成艦船磁場增強(qiáng)，需確定中壓直流單芯電纜與周圍鋼結(jié)構(gòu)的最小間距。

鐵磁材料的原始磁化曲線如圖12所示，鐵磁材料的原始磁化曲線可大致分為4個(gè)階段[4]：

圖12 原始磁化曲線

(1) 甲段：當(dāng)外磁場較小時(shí)，磁化強(qiáng)度M隨外磁場H的增加而緩慢增長，若將外磁場去掉，則磁化強(qiáng)度可恢復(fù)到零，即此時(shí)的磁化是可逆的，此段也叫初始磁化階段。

(2) 乙段: 當(dāng)外磁場較大但還不是很大時(shí)，磁化強(qiáng)度M隨外磁場H的增加而激烈上升，在減小H時(shí)，M不沿原來的路線而沿另一條路線下降，即磁化是不可逆的。

(3) 丙段：當(dāng)H很大時(shí)，M的上升速度變緩，此段也有不可逆現(xiàn)象。

(4) 丁段: 當(dāng)M充分大時(shí)，M基本不變，趨于飽和。

地球磁場的磁場強(qiáng)度范圍在0.28～0.71 Oe，對于常用的造船鋼材來說屬于弱磁場，其對艦船的磁化處于磁化曲線的初始磁化階段(甲段)，屬于可逆磁化。對于鐵磁物質(zhì)來說，只有外部磁場小于甲段的最大值才能保證材料不會被“真正”磁化。

幾種艦船常用鋼材的磁化曲線如圖13[5]所示，其中A類為普通碳素鋼，C類為應(yīng)用于造船的特殊碳素鋼?？梢源笾驴闯觯?dāng)外部磁場強(qiáng)度小于1 Oe時(shí)，對材料的磁化可逆。

圖13 鋼材磁化曲線

根據(jù)仿真計(jì)算，初步取排布2的電纜周圍300 mm處的最大磁通密度模值如表3 所示。

表3 排布2電纜周圍(上下左右)300 mm處最大磁通密度模值 μT

通過換算可以得到排布2的周圍300 mm處的最大磁場強(qiáng)度模值如表4所示。

表4 排布2電纜周圍(上下左右)300 mm處 最大磁場強(qiáng)度模值 Oe

從表4可知，中壓直流電纜在采用排布2形式時(shí)，磁場相互抵消效果明顯，電纜周圍300 mm處的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼材磁化曲線甲段的最大值，說明其對于鋼材的磁化可逆。

仿真分析發(fā)現(xiàn),電纜周圍300 mm處的磁場強(qiáng)度對鋼材的磁化影響較小，甚至電纜與鋼結(jié)構(gòu)的間距更近也不會造成鋼結(jié)構(gòu)固定磁場的增強(qiáng)，但是考慮到中壓電纜的電氣間隙、爬電距離和標(biāo)準(zhǔn)一致性等因素，仍然推薦將300 mm作為中壓直流電纜托架與船體鋼結(jié)構(gòu)的最小距離。

2 結(jié) 語

中壓直流單芯電纜作為綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分，在艦船上的應(yīng)用沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。通過仿真計(jì)算，確定了降低電纜磁場強(qiáng)度效果最優(yōu)的電纜排布形式和電纜敷設(shè)時(shí)與船體結(jié)構(gòu)的最小間距要求，將中壓直流單芯電纜上艦敷設(shè)對艦船磁隱身性能的影響降至最低。由于水平所限，仿真所設(shè)條件與實(shí)船存在一定差異，因此更多的問題還需在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)一步驗(yàn)證。