孫 霖

升降系統(tǒng)電纜屏蔽層的感應(yīng)環(huán)流分析

孫 霖

（海裝駐武漢地區(qū)第八軍事代表室，武漢 430000）

通大電流時(shí)電力電纜因接線不當(dāng)或連接松動(dòng)引起電纜屏蔽層發(fā)熱，增加升降系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本文從電力電纜感應(yīng)電壓來源和電纜屏蔽層發(fā)熱原因這兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，提出了通過改變接線方式來減小電纜電流向量和的方法。以此，降低了電纜屏蔽層上的對(duì)地感應(yīng)環(huán)流。

電力電纜 金屬屏蔽層 接地環(huán)流 感應(yīng)電壓

0 引言

升降系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)的關(guān)鍵部分，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中歷來受到高度重視，其工作安全性直接影響到平臺(tái)的安全和使用效果[1]。自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)越來越多地采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)或樁腿的升降，并通過制動(dòng)電阻吸收平臺(tái)或樁腿下降時(shí)負(fù)載的勢(shì)能，確保平臺(tái)升降的安全。在平臺(tái)升降過程中，變頻電纜的電流會(huì)很大，存在電纜屏蔽層發(fā)熱的問題。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的典型問題，著重介紹電動(dòng)升降系統(tǒng)的變頻驅(qū)動(dòng)控系統(tǒng)中電力電纜屏蔽層感應(yīng)電壓和接地環(huán)流的處理方法。

1 海工平臺(tái)電力電纜屏蔽層異常發(fā)熱現(xiàn)象

某自升式平臺(tái)的升降系統(tǒng)采用的是全電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)升降系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)變頻器采用的ACS800系列變頻器，在平臺(tái)下降過程中采用制動(dòng)電阻消耗掉平臺(tái)下降的能量，制動(dòng)單元選擇的是ACS800系列的三相制動(dòng)斬波器。制動(dòng)斬波器與制動(dòng)電阻間采用三相電力電纜連接，電纜金屬屏蔽層采用兩端接地，實(shí)船接線如圖1所示。

實(shí)船是采用的6根3×95 mm的電力電纜連接制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻，每一相使用了2根3×95 mm電纜。在調(diào)試過程中制動(dòng)斬波器工作時(shí)，制動(dòng)電阻電纜在變頻器柜的接地金屬屏蔽網(wǎng)過熱冒煙，變頻器屏蔽網(wǎng)燒熔，斷開電纜金屬屏蔽層與變頻器屏蔽網(wǎng)后測(cè)量電纜金屬屏蔽層對(duì)地感應(yīng)電壓約為37 V，這嚴(yán)重影響到平臺(tái)升降系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2 金屬屏蔽層的作用及感應(yīng)電壓的來源

平臺(tái)上所有的電力電纜選擇的都是三相電力電纜帶有金屬屏蔽層，安裝平臺(tái)的施工工藝和ABB變頻器技術(shù)手冊(cè)，都要求變頻系統(tǒng)電力電纜屏蔽層進(jìn)行兩端接地。金屬屏蔽層的作用有：

1）電纜正常通電工作時(shí)，金屬屏蔽層屏蔽多根電纜之間產(chǎn)生的電容電流；

2）將電纜通電時(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)也起到限制外界電磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的影響；

3）在發(fā)生短路的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)承受一部分短路電流，避免絕緣在過高的電流影響下產(chǎn)生熱擊穿；

4）當(dāng)發(fā)生雷擊事故時(shí)，金屬屏蔽層可將故障電流引入接地系統(tǒng)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

2.1 屏蔽層感應(yīng)電壓的來源

一般動(dòng)力回路，由于交流三相電流相位差為120°，直流電流的相位差差180°，所以交流三芯電力電纜的電流和直流兩芯電力電纜在正常運(yùn)行時(shí)同一根電流中電流理論值的向量和為0，則伴隨電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也為零。當(dāng)電纜中各芯線流過的電流不平衡時(shí)就會(huì)在電纜屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

由單芯電纜構(gòu)成的電力傳輸系統(tǒng)中，電纜導(dǎo)體和金屬屏蔽層的關(guān)系可以看作一個(gè)空心變壓器。電纜導(dǎo)體相當(dāng)于一次繞組，而金屬屏蔽層相當(dāng)于二次繞組。當(dāng)流過電纜的工作電流是一交變的交直流電流時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)中的金屬屏蔽層中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓。

圖1 升降系統(tǒng)制動(dòng)回路電路圖

3 電纜屏蔽層異常發(fā)熱原因分析

實(shí)船系統(tǒng)制動(dòng)回路中每相采用2根3芯電纜連接，則此根電纜在電路中就相當(dāng)于一根單芯電纜，實(shí)際就變成了6根單芯電纜并排排列安裝，長度約100 m。當(dāng)制動(dòng)電阻工作電纜中流過工作電流時(shí)，在電纜屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，實(shí)船安裝中采取了屏蔽層兩端接地的安裝工藝，則在屏蔽層和地之間會(huì)形成接地環(huán)流回路，如圖2所示。

圖2 電纜屏蔽層接地環(huán)流示意圖

當(dāng)接地點(diǎn)電阻R1或R2有較大阻值，而屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)在流過R1或R2處時(shí)，根據(jù)電阻發(fā)熱公式Q=I2Rt產(chǎn)生熱量，可能導(dǎo)致接地點(diǎn)處發(fā)熱溫升提高。

電纜金屬屏蔽層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓計(jì)算公式較為復(fù)雜，本文在分析此問題時(shí)關(guān)心的僅僅是感應(yīng)電壓的幅值。所以根據(jù)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)和手冊(cè)，可知并排安裝的單芯導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅值計(jì)算公式如下[2][3]：

圖3 電纜敷設(shè)形式

電纜并排排列邊相屏蔽層感應(yīng)電壓：

中相屏蔽層感應(yīng)電壓：

實(shí)船系統(tǒng)中，變頻器制動(dòng)單元導(dǎo)通的直流母線電壓閥值為1100 V，制動(dòng)斬波器輸出電壓為3相1100 V，制動(dòng)單元輸出的電壓是一頻率為變頻器設(shè)置的斬波頻率周期變化的電壓，斬波頻率800 Hz[4-5]，單相制動(dòng)電阻阻值為4 Ω，電纜中通過的電流為=275 A；電纜外徑=38.8 mm；屏蔽層散層的平均半徑=17 mm；≈100 m。

將系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式，計(jì)算可得在電纜并列布置時(shí)邊相感應(yīng)電壓=36.4 V，中相感應(yīng)電壓=22.8 V。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果基本一致。

根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，可以確定電纜屏蔽層異常發(fā)熱的原因，是當(dāng)制動(dòng)電阻工作時(shí)，由于制動(dòng)回路是單芯屏蔽電纜構(gòu)成的電流回路，所以在電纜屏蔽層上產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，由于才有兩端接地在屏蔽層上產(chǎn)生接地環(huán)流，同時(shí)在變頻器接地點(diǎn)處接地電阻R較大，進(jìn)而引起的接地點(diǎn)異常發(fā)熱。

4 解決方案

根據(jù)電纜屏蔽層異常發(fā)熱原因，確定解決方案從兩方面入手。第一，想辦法減小電纜屏蔽層內(nèi)導(dǎo)體流過的電流向量和，減小屏蔽層的感應(yīng)電壓；第二，減小屏蔽層產(chǎn)生的感應(yīng)電流，根據(jù)發(fā)熱公式知道可以大幅度減小屏蔽層的發(fā)熱。

按照ABB變頻器手冊(cè)推薦的接線方式，ABB變頻器手冊(cè)要求采用4芯電纜，每根電纜的兩芯接在電阻的兩端，這樣在工作時(shí)流過電纜導(dǎo)體的電流方向相差180°，屏蔽層內(nèi)電纜電流向量和為0，工作電流生成的電磁場(chǎng)互相抵消，則在電纜屏蔽層上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為0。

根據(jù)實(shí)船情況，使得每根電纜3芯流過的電流向量和最小，近似為額定電流的1/3，則可以降低屏蔽層上感應(yīng)電壓的幅值=36.4/3=12.1 V。將電纜屏蔽層改為單端接地，斷開感應(yīng)電流產(chǎn)生的回路，使得感應(yīng)電流為0，消除接地點(diǎn)的發(fā)熱量。

實(shí)船根據(jù)以上兩個(gè)方面修改后，實(shí)測(cè)電纜屏蔽層感應(yīng)電壓約為12 V，與理論計(jì)算基本結(jié)果吻合，感應(yīng)電壓控制在安全電壓以下。電纜屏蔽層單端接地后切斷了感應(yīng)接地環(huán)流的工作回路，接地點(diǎn)發(fā)熱的問題得到解決，平臺(tái)升降系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié)論

根據(jù)上述原因分析和實(shí)船試驗(yàn)得知：接地環(huán)流過大是導(dǎo)致電纜屏蔽層發(fā)熱的主要原因。如何針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，進(jìn)行電纜敷設(shè)和屏蔽層的連接，從而確保電磁干擾及接地環(huán)流最小是后續(xù)的研究方向。

[1] 孫東昌, 潘斌. 海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2008.

[2] 周明. 35 kV單相電纜金屬屏蔽層感應(yīng)電壓計(jì)算及接地處理方案[J]. 電世界, 2011, 52(5): 225-228.

[3] 王敏. 10 kv單相電力電纜屏蔽層的感應(yīng)電壓和環(huán)流[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 28(5): 30-32.

[4] ABB. ACS800-607LC3相大功率制動(dòng)單元硬件手冊(cè): 3ABD00022907[S]. 2008.

[5] ABB. ACS800制動(dòng)控制程序固件手冊(cè): 3AFE68835861[S]. 2008.

Analysis of Induced Circulation in Cable Shield Layer of Jacking System

Sun Lin

(The Eighth Military Representative Office of Navy Equipment Department in Wuhan, Wuhan 430000, China)

TM75

A

1003-4862（2019）09-0043-03

2019-06-19

孫霖（1979-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程。E-mail: 176788525@qq.com