李永江

（江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司 揚(yáng)州225129）

艦船400 Hz電力系統(tǒng)電纜研究

李永江

（江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司 揚(yáng)州225129）

針對(duì)交流400 Hz電力系統(tǒng)逐漸在艦船上設(shè)計(jì)應(yīng)用的現(xiàn)狀，通過(guò)理論計(jì)算詳細(xì)介紹了400 Hz電力系統(tǒng)對(duì)配套電力電纜的交流電阻、電抗、阻抗等電氣參數(shù)的影響，以及由此引起的對(duì)電網(wǎng)電壓降的影響。從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和敷設(shè)使用方面給出了400 Hz系統(tǒng)電纜選擇需要考慮的因素。

400 Hz系統(tǒng)；電氣參數(shù)；電纜結(jié)構(gòu)；電壓降

引 言

由于大型艦船電力系統(tǒng)的船載發(fā)電機(jī)要求體積小質(zhì)量輕，只有提高頻率才能滿(mǎn)足功率要求，所以相應(yīng)的船載電氣設(shè)備和與飛機(jī)相關(guān)的電源均采用400 Hz，從而要求配套的電纜滿(mǎn)足400 Hz系統(tǒng)要求。400 Hz電力系統(tǒng)在傳輸線(xiàn)路長(zhǎng)、輸送功率大的條件下，要確保整個(gè)線(xiàn)路電壓降低，因此對(duì)電纜的選擇提出了特殊要求［1］。

1 400 Hz對(duì)電纜電氣參數(shù)的影響

電力系統(tǒng)的頻率對(duì)于電纜導(dǎo)體的交流電阻和電抗會(huì)產(chǎn)生很大影響，從而改變電纜的阻抗，導(dǎo)致電纜額定載流能力發(fā)生變化；而導(dǎo)體交流電阻又直接受導(dǎo)體直流電阻和導(dǎo)體實(shí)際工作溫度的影響。

1.1 導(dǎo)體實(shí)際工作溫度

電纜線(xiàn)路通過(guò)電流后，導(dǎo)體產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致電纜的電阻發(fā)生變化。根據(jù)現(xiàn)有船用電纜所用絕緣材料，導(dǎo)體的長(zhǎng)期最高額定工作溫度為90℃，計(jì)算時(shí)導(dǎo)體的實(shí)際工作溫度即為導(dǎo)體的長(zhǎng)期最高額定工作溫度。導(dǎo)體在不同于20℃ 時(shí)的直流電阻修正系數(shù)通過(guò)式（1）計(jì)算［2］。

式中：kθ為溫度θ時(shí)的單位長(zhǎng)度電纜線(xiàn)芯直流電阻修正系數(shù)；

θ為線(xiàn)芯導(dǎo)體的實(shí)時(shí)溫度，℃。

1.2 導(dǎo)體交流電阻

導(dǎo)體交流電阻的計(jì)算見(jiàn)式（2）～式（6）［3］。

式中：Rθ為在溫度θ時(shí)的單位長(zhǎng)度電纜線(xiàn)芯直流電阻，Ω/m；

Ys為集膚效應(yīng)因數(shù)；

Yp為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

Ys和Yp分別通過(guò)式（3）和式（4）計(jì)算求得。

式中： f為頻率，Hz；

Rθ為溫度θ時(shí)的單時(shí)的單位長(zhǎng)度電纜線(xiàn)芯直流位長(zhǎng)度電纜線(xiàn)芯直流電阻，Ω/m；

Dc為絕緣線(xiàn)芯外徑，mm；

S為絕緣線(xiàn)芯中心軸間距離，mm；ks、kp為常數(shù)，均取1。

額定電壓0.6/1 kV電纜，頻率400 Hz，計(jì)算得出的導(dǎo)體工作溫度為90℃ 時(shí)不同截面銅導(dǎo)體的集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)見(jiàn)表1。可知當(dāng)頻率為400 Hz時(shí)導(dǎo)體的交流電阻大于直流電阻，隨著導(dǎo)體截面增加，其交流電阻和直流電阻的比值也逐漸增大。

1.3 導(dǎo)體電抗

由于容抗對(duì)于感抗正好起抵消作用，盡管有些電纜線(xiàn)路其容抗值不小，但起主要作用的是感抗，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在配電工程中低壓電力電纜線(xiàn)路容抗可以忽略不計(jì)，導(dǎo)體的電抗值實(shí)際上只計(jì)入感抗值。這樣的計(jì)算結(jié)果往往趨向保守，安全裕度大，具體可按照公式7計(jì)算［4］。

表1 集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)

式中：X為每相的電抗，Ω；

f為頻率，Hz；

a為導(dǎo)體之間的軸間距，mm；

d為導(dǎo)體直徑，mm；

L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，m。

由式（7）可知，同等截面的導(dǎo)體，在400 Hz系統(tǒng)中時(shí)電抗值為其用于50 Hz系統(tǒng)中電抗值的8倍。導(dǎo)體工作溫度為90℃時(shí)400 Hz和50 Hz的導(dǎo)體交流電阻、電抗、阻抗值見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)體交流電阻、電抗、阻抗值Ω/km

400 Hz時(shí)當(dāng)截面積達(dá)到一定程度，在計(jì)算導(dǎo)體線(xiàn)路壓降時(shí)，導(dǎo)體的電抗將會(huì)在總阻抗中起主要作用。為降低電纜的交流電阻值和電抗值，就需要對(duì)電纜所用材料和電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用同等截面導(dǎo)體并聯(lián)使用達(dá)到所需的大截面效用，減小集膚效應(yīng)，有力降低阻抗值。

2 電纜結(jié)構(gòu)

構(gòu)成電纜的導(dǎo)體、絕緣、鎧裝、護(hù)套材料，以及導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電纜的敷設(shè)方式等都與電纜線(xiàn)路的電壓降和電能損耗有直接影響。400 Hz系統(tǒng)需要特別注意所用電力電纜的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及敷設(shè)方式。

為降低電纜的阻抗，確保柔軟性和增長(zhǎng)電纜使用壽命，導(dǎo)體選用IEC 60228標(biāo)準(zhǔn)第5類(lèi)或第6類(lèi)軟銅結(jié)構(gòu)，絕緣材料選用符合IEC 60092-351標(biāo)準(zhǔn)的乙丙橡膠，其富有彈性柔軟、電氣絕緣性能好、耐老化；護(hù)套選用具備耐油、耐熱、耐磨和高機(jī)械強(qiáng)度的氯磺化聚乙烯。

在結(jié)構(gòu)上，優(yōu)先采用無(wú)鎧裝結(jié)構(gòu)，降低線(xiàn)芯之間的間距，減小電抗和電纜損耗。芯數(shù)上采用三芯大截面結(jié)構(gòu)或7芯小截面導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。如采用7芯導(dǎo)體絞合，則其中6根線(xiàn)芯兩兩對(duì)稱(chēng)并聯(lián)作為相線(xiàn)位于外周，中心1根絕緣線(xiàn)芯作接地保護(hù)使用。根據(jù)需要，也可在相線(xiàn)外側(cè)的間隙布置控制線(xiàn)芯，進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)控制。典型的400 Hz系統(tǒng)電力電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電纜剖面圖

3 線(xiàn)路電壓降

線(xiàn)路的電壓降取決于線(xiàn)路的電流和阻抗，而阻抗與電抗、電阻構(gòu)成直角三角形。線(xiàn)路的電壓降通過(guò)式（8）計(jì)算［5］。

式中：Vdrop為線(xiàn)路的電壓降，V；

I為負(fù)載電流，A；

L為電纜長(zhǎng)度，km；

R為額定最大工作溫度下導(dǎo)體交流電阻，Ω/km；

X為電纜的電抗，Ω/km；

cosθ為負(fù)載功率因數(shù)（cos2θ+sin2θ=1）

根據(jù)相關(guān)船級(jí)社的規(guī)范要求，當(dāng)電纜在正常工作條件下承載最大電流時(shí)，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(guò)額定電壓的6%，這在電纜選型時(shí)需特別注意［6］。

4 結(jié) 論

艦船400 Hz電力系統(tǒng)使配套電纜的電阻、電抗發(fā)生改變，從而造成阻抗增大，成為除負(fù)載功率因素外另一個(gè)影響線(xiàn)路電壓降的主要因素。本文就此進(jìn)行歸納分析，供相關(guān)人員參考。

［1］ 朱煒，李輝輝.艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.船舶，2013（3）：64-68.

［2］ IEC 60228. Conductors of Insulated Cables ［S］ . 2004.

［3］ 王春江.電線(xiàn)電纜手冊(cè).第1冊(cè)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［4］ BICC Cables Ltd. Electric Cables Handbook［M］. 3rd edition. London：Wiley-Blackwell，1997.

［5］ JIS C 3410. Cables and Flexible Cords for Electrical Equipment of Ships［S］. 2010.

［6］ 中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

On cable of 400 Hz power system for Naval ships

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

More and more 400 Hz power system are designed and used on Naval ships. As AC 400 Hz power system is gradually designed and applied on Naval ships, this paper detailedly introduces the influence of 400 Hz power system on the electrical parameters including the conductor resistance, reactance and impedance of the matching power cable, and on the voltage drop of the power network. It also discusses the factors needed to be considered in cable selection, such as cable configuration design, material and laying application.

400Hz system; electrical parameter; cable configuration; voltage drop

U665.1

A

1001-9855（2014）02-0077-03

2013-08-23；

2013-09-10

李永江（1982-），男，高級(jí)工程師，研究方向：艦船和海洋工程用電纜設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。