海洋平臺用電力電纜選用原則與方法

李永江 陸云春 孫勇

（江蘇遠洋東澤電纜集團有限公司，江蘇揚州 225129）

1 引言

在海洋平臺電力系統中，電力電纜選用合適與否是關系到平臺電站及電網能否安全運行的一項重要因素。海洋平臺用電力電纜的選擇需綜合考慮電纜的敷設環境、用電設備系統及工作條件、額定電壓與工作載流量、校正系數、設計裕度和線路允許電壓降等。所選電纜不但需要滿足國際電工委員會（IEC）相關標準、技術規格書要求的其他標準（如NEK 606 和IEEE1580）等，同時需滿足相關的船級社的要求。本文引用考慮了海洋平臺經常入級的ABS和DNV規范要求。

2 海洋平臺用一般電力電纜的選擇

海洋平臺用一般電力電纜的選擇需要根據使用環境、系統條件等確定電纜的絕緣、護套、編織等，從而確定電纜型號；根據設備系統要求的電流、修正系數、工作制、敷設情況以及允許的電壓降確定導體截面和電纜芯數，進而確定電纜規格。一般可按照下列程序進行選擇。

絕緣材料允許的導體最高工作溫度應比電纜敷設安裝場合可能出現的最高環境溫度至少高10℃以上。目前使用最多的絕緣材料是乙丙橡膠和交聯聚乙烯，二者均有著較高的耐溫等級。同時乙丙橡膠更柔軟，并有著良好的電氣絕緣性能，適合用于軟電纜。

交聯聚乙烯不但電氣絕緣性能優異, 而且密度小，機械性能優越，具有耐老化，抗龜裂性，同樣結構同等規格的電纜采用交聯聚乙烯絕緣會使得電纜外徑更小，重量更輕，適合敷設空間較小時采用。

各種絕緣材料允許的導體最高額定工作溫度見表1。

2.1 絕緣材料選擇

表1 絕緣材料類型、名稱及導體正常運行和短路的最高額定溫度

2.2 護套材料和編織鎧裝材料的選擇

2.2.1 護套材料選擇

2.2.1.1 敷設環境考慮

a） 固定敷設在露天甲板、浴室、貨艙、冷藏艙、機艙和常有冷凝水或油污等蒸汽處所的電纜應具有不滲透性護套，如氯丁橡膠、聚烯烴等。護套的性質應能滿足敷設環境條件的要求。

b） 由于海洋平臺的特殊作業環境，電纜一般需具備較高的阻燃特性，滿足IEC 60332-3-22描述的A類成束阻燃。對于敷設路徑通過滅火站、應急消防泵、油艙管路等防火區域的電纜或需要在失火狀況下維持工作的設備用電纜均應為耐火電纜，須通過 IEC 60331-21(電纜外徑不大于 20 mm 時)或 IEC 60331-31(電纜外徑超過 20 mm時)。

c） 在選擇不同類型的護套時應著重考慮每根電纜的敷設或使用時可能受到的機械外力等。如果護套的機械強度不夠則電纜應敷設的管子或電纜槽內或采取支撐等防護措施。

d） 從環境保護和人身、設備安全角度出發一般盡量選用低煙無鹵電纜，避免火災情況下造成二次傷害。特殊情況下如無法選擇無鹵護套材料，也應盡量選擇低煙低鹵材料。

2.2.1.2 從系統要求角度考慮

a） 對于大功率回路、主干動力電纜和主要用電設備饋線宜選用氯丁橡膠、或聚烯烴材料。

b） 對于低壓24V系統或小功率控制回路用電纜可選擇成品外徑小、重量輕的聚烯烴護套。

2.2.2 鎧裝材料選擇

根據IEC60092-350：2008描述，船舶和海洋平臺用電纜的編織鎧裝主要有銅絲、鍍錫銅絲、銅合金絲和鍍鋅鋼絲，最常用的是鍍錫銅絲和鍍鋅鋼絲。其中對于單芯鎧裝型電纜應選用鍍錫銅絲；對于強調機械保護性能的電纜，需采用鍍鋅鋼絲；對于既有屏蔽要求又有機械強度保護要求的電纜需采用鍍錫銅絲；對于傳輸控制、報警以及安全系統的電纜應選用鍍錫銅絲編織鎧裝。

2.3 導體的選擇

2.3.1 導體結構選擇

電纜的柔軟程度主要與導體的結構有關，依據IEC 60228：2004導體正常分為4類，即實芯導體、2類通用絞合導體、5類軟結構絞合導體和6類特軟結構導體。海洋平臺用電力電纜采用的都是后面3類導體，不用實芯導體。

固定敷設安裝的電纜通常采用 2類絞合導體；某些設備如手提燈，接岸電的電纜等，則應采用軟結構5類導體；而頻繁移動且使用中多發生回轉的用電設備，應選用特軟結構的6類絞合導體電纜。

2.3.2 電纜芯數選擇

三相電路，每根電纜應為3芯或3+E；單相交流或雙線直流用電纜應為2芯或2+E；進入蓄電池室的電池連接線及配電板內部接線應盡量選擇單芯電纜。對于穿越甲板或艙壁的多芯電纜，應考慮備用線芯數。具體的備用芯線數參見表2。

表2 多芯電纜備選線芯

2.3.3 導體截面積的確定

電纜導體截面的選擇應根據用電設備額定電流、工作制、環境溫度、敷設情況以及允許的線路電壓降等因素來完成。所選電纜的額定電流值不應小于此電纜所在電路的總負載電流值。計算修正后的載流量時，應將連續運行方式載流量乘以相關的修正系數。

2.3.3.1 電纜負載電流估算

根據設備情況，采用公式（1）計算電纜需要的負載電流：

其中，Ii為第i條分路電氣設備額定電流，A；Is為備用回路容量，A；Ki為適當的不同時系數。

2.3.3.2 工作制

不同工作制下電纜的載流量是不同的，電纜的工作制分為連續工作制、短時工作制和重復短時工作制三種。當電纜連續負載持續時間大于 3倍的電纜時間常數T（即臨界持續時間3T）時則認為是連續工作制。4芯及4芯以下電纜連續工作制時的額定電流見表 4，其基準環境溫度為45℃。此溫度通常適用于航行于任何氣候條件下的任何船舶中的絕緣電纜。若周圍的環境溫度非45℃，則電纜的載流量應采用表5的系數進行修正。當電纜的芯數多于4芯時，應將表4中單芯電纜的額定電流乘以表3所列修正系數。

電纜的時間常數是電纜外徑的函數，可以通過公式（2）計算得知。

其中，T為電纜的時間常數，min；D為電纜的總外徑，mm。

表3 多芯電纜額定電流修正系數

表4 電纜連續工作制的額定電流（環境溫度為45℃）

典型的短時工作制有30 min工作制和60 min工作制兩種，短時工作制下電纜的載流量用相應的修正系數乘以 45℃環境溫度下的連續載流量獲得。但短時工作制修正系數僅適用于斷電時間大于3倍電纜時間常數的情況下。短時工作制時電纜額定載流的修正系數可按照公式（3）計算獲得。

式中：Ki為校正系數；ts為工作時間，min；

T為時間常數，min，（見公式2）。

重復短時工作制也稱為間歇工作制，常用的是周期為10 min（其中4 min為恒定負載，6 min為空載），載流量修正系數Kcf按公式（4）計算。

式中：Kcf為修正系數；T為電纜時間常數，min。

若工作制與上述時間不同，則電纜的允許載流Icf按公式（5）計算。

式中：Icf為修正后的電纜允許電流，A；In為電纜額定電流，A；t為工作時間，min；T為電纜時間常數，min。

2.3.3.3 成束電纜敷設修正系數

對于按下列方式之一敷設的電纜，若能保證每束電纜周圍冷卻空氣自由循環，則可以直接采用表4所列的額定載流：

a） 不超過 6根的電纜成束敷設在導板上，管道、管子或電纜槽內；

b） 超過6根的電纜按下列方式組合：

在任何兩組6根的電纜束之間的距離應至少等于最粗的電纜的外徑：

或在任何兩組3根束集之間的水平及垂直距離應至少等于最粗的電纜的外徑：

對于可能以額定負荷同時工作而又緊靠在一起，并且周圍沒有空氣自由循環的6根的電纜束，應采用 0.85的修正系數。當采用 0.85的修正系數時應注意電纜敷設層數，一般每束電纜不宜超過兩層。最好是在進行設計時應盡量使得通風良好，避免采用修正系數。

導體最高工作溫度不同的絕緣電纜，應避免成束敷設在一起。如必須成束負敷設則束集內所有電纜的載流量取決于額定導體工作溫度最低的電纜，并采用相應的修正系數。

2.3.3.4 電壓降計算與校核

當電纜在正常工作條件下承載最大電流時，從主配電板或應急配電板的匯流排到任何安裝點的電壓降應不超過額定電壓的 6%；由蓄電池供電，其電壓不超過50 V的系統，電壓降不應超過額定電壓的10%。電壓降的計算公式見表6。

2.3.3.5 截面積選擇的其它注意點：

表7 短路時間1 s時電纜的允許短路電流

a） 電纜的導體應具有足夠的機械強度，電力電纜導體額截面積不應小于1 mm2，在危險區域敷設的電力和照明系統的電纜的最小截面積為1.5 mm2。

b） 發電機至主配電板或應急配電板的電力電纜，按發電機額定電流的100%選擇。

c） 直流發電機的均壓線，其載流能力應不小于主回路電纜載流能力的50%。

d） 為了使電纜得到有效保護，導體截面積的選擇應考慮短路電流的機械效應和熱效應，尤其是第一個路電流峰值。并且應確保在短路條件下，電纜不超過允許的短路運行最大短路溫度。交聯聚乙烯和乙丙橡膠絕緣電纜短路1S時的允許短路電流見表7；若短路時間為其它時間（0.2～5 s），則按公式（6）計算最大允許短路電流。

式中：It為短路t秒時的短路電流，A；I1為短路1 s時的電流，A；t為短路時間，s。

e) 電纜的接地導體的標稱截面應滿足表8的描述。

3 特殊要求的電纜選擇

1） 低壓交流系統電力電纜應盡量避免選用單芯電纜，否則應對其敷設工藝做出關注。必須選用大截面單芯電纜用于三相交流系統時，應選用銅絲編織鎧裝型電纜，而不能選擇鋼絲鎧裝 電纜，避免產生渦流，電纜發熱嚴重。

表5 不同環境溫度下的修正系數（基準環境溫度為45℃）

表6 電壓降計算公式

2） 對于需在寒冷冬天施工或是冷藏室用電纜，應考慮電纜的耐低溫性能。對于冷藏室用電纜應避免聚氯乙烯絕緣或聚氯乙烯護套。

3） 敷設空間較小或設備對電纜彎曲性能特別要求時注意電纜的最小彎曲半徑。一般而言，海洋工程用電纜的最小彎曲半徑應符合表 9，而不應是很多廠家或設計者參照的陸用電力電纜標準要求，陸用電纜標準對電纜彎曲半徑的要求遠低于船用電纜要求。

4） 目前變頻電機等設備運用越來越多，用于此處的電纜選擇時應考慮電磁兼容、屏蔽性能以及對高次諧波造成的脈沖電壓的抵抗，并且應特別注意電纜的對稱結構。

5） 如電纜需長期與油污、泥漿接觸，還應考慮電纜的耐油、防泥漿、耐老化性能。防泥漿性能目前采用的為NEK606：2004的技術要求。

表8 電纜接地導體的尺寸

表9 電纜最小彎曲半徑

4 結語

本文對海洋工程用電力電纜的選擇做了總結敘述，供相關者參考。但伴隨電氣技術的快速發展，與海洋工程設備配套的電纜的選擇越來越復雜化，為此就需要在滿足規范標準的前提下，在滿足設備電網需求的基礎上，發揮主觀能動性，探討電纜選擇的合理性、經濟性和實用性，從而使得選型最優化。

[1]IEC 60092-352：2005. Choice and installation of electric cables for low voltage power systems (Third edition)[S].

[2]American Bureau of Shipping. Rules for building and classing--mobile offshore drilling units 2008[M].

[3]中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規范[M]. 北京： 人民交通出版社, 2005.

[4]中國海洋石油總公司. 海洋石油工程設計指南, 第3冊： 海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M]. 北京： 石油工業出版社，2007.

[5]印永福. 電線電纜手冊[M]. 北京： 機械工業出版社,2001.

[6]CB/Z 221-1998： 艦艇電纜選擇規則[S].