關于船用變頻電纜的探討

李永江（江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司 揚州225129）

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關于船用變頻電纜的探討

李永江
（江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司 揚州225129）

［摘 要］變頻驅動設備在海洋工程和船舶裝備上大量應用，促使配套的變頻器專用電纜也快速發展。文章針對船用變頻電纜在應用中存在的各種問題，對船用變頻電纜的結構、關鍵性能、電纜敷設等進行了探討，闡述了各型結構在選型中的優劣、電纜絕緣耐壓性能、接地導體和屏蔽性能指標要求，以及電纜敷設中的屏蔽和接地線的接地工藝。

［關鍵詞］船用變頻電纜；結構；關鍵性能; 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，促使與之配套的專用電纜（下稱變頻電纜）快速發展。筆者曾為此撰寫《船用變頻電纜解析與敷設》一文，旨在幫助電纜設計者和使用者正確制造和使用電纜［1］。但限于篇幅，問題未能完全闡述。近幾年，筆者在工作中經常遇到使用者對電纜選型不當，甚至制造廠家本身推薦電纜不當，以及用戶對于安裝接線咨詢的情況。為此，筆者對船用變頻電纜進行更深入的探討，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 電纜結構

目前對于變頻電纜結構設計和開發方面的研究已較為豐富，從減少變頻電纜運行時與周圍環境的相互干擾，增強電纜抗高次諧波，滿足電磁兼容，使整個設備機組能夠安全穩定工作角度而言，大家已十分明白船用變頻電纜應該采用對稱結構如3芯或3+3E（E為接地線），而不應采用3+E結構。但問題是對于690 V的變頻系統，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廠家設計的結構是不完全相同的，主要差異表現在屏蔽結構，有的廠家給定的是銅絲編織單芯獨立屏蔽，有的是成纜纜芯外整體屏蔽（又分為銅絲編織、金屬塑料復合帶，以及二者的復合結構）。

對于船用中高壓電纜而言，采用線芯單獨屏蔽是為了改善電場分布和均化電場，防止軸向放電，將電纜在通電時引起的電磁場屏蔽在絕緣線芯內，以減少對外界產生的電磁干擾；同時限制外界電磁場對電纜內部產生影響；低壓電力電纜則不需要均化電場，相反單芯屏蔽會造成電纜外徑質量劇增。船用變頻電纜在運行時作為整體存在與系統和其他設備的相互影響，需要采取整體屏蔽，卻不需要單芯獨立屏蔽，單芯屏蔽并無意義。實際上變頻器設備廠家也不允許采用單芯獨立屏蔽結構電纜，例如ABB公司對變頻驅動設備用電纜的要求，見圖1。

對于結構對稱型的各種電纜，變頻系統選擇的優先程度各不相同，對于圖2所列的生產廠家主推的幾種結構，選擇的優先順序依次是（a）、（b）、（c）、（d）。

圖1　ABB對變頻電纜結構要求

圖2　各型VFD電纜結構

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動力電纜規格較大，從接地保護角度而言，如果沒有地線則不能滿足要求；而采用編織屏蔽作為接地線，實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。采用此型電纜時需要在電纜外額外敷設一根接地線，既增加施工難度且布線易亂。

（b）型電纜作為傳統的“三相四線制”電纜的改進，就結構和性能而言，理論上是完全能滿足要求的；但在實踐上該型電纜存在嚴重弊端：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，使其周圍的3個主線芯各不接觸，結構穩定性很差，實在難以保證地線芯處于絕對平衡的中心，如此則會重復普通“三相四線制”電纜的問題；另一方面，因中心接地線的外徑大于3個主線芯內切圓的直徑，導致（b）型電纜的整體外徑和質量均會增大許多，不能滿足船舶和海洋工程空間狹小對電纜降低外徑和便于敷設拉放的需求。

而作為最優先推薦使用的電纜，（a）型電纜則將絕緣接地線芯三等分，并使之跟3個相導體間隔排列絞合成纜，形成對稱的3+3E結構，可使3個絕緣接地線芯的相位一次滯后120°，形成對稱平衡的狀態。這樣電流分量不會形成疊加，從而有效降低高次諧波對變頻電纜的不利影響。3根對稱排列的絕緣接地線芯可以降低感應電壓不平衡并將共態噪聲傳回傳動系統。并且根據結構參數計算，地線芯平均一分為三后，每一部分的絕緣外徑將會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，減弱電磁波外泄，增強屏蔽性能，從而消除電纜電磁波對其外部設備的影響。

2 關鍵性能

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電壓的原因，船用變頻電纜應對此做特殊考慮。基于此的船用電纜關鍵構件主要包括絕緣性能、接地導體、EMI屏蔽，相應的關鍵性能是耐壓、介電常數、表面傳輸阻抗等。

2.1 絕緣和耐壓性能

絕緣線芯的額定電壓必須考慮標稱電壓和反射電壓。比如VFD系統標稱電壓為690 V，因存在的反射電壓高達該電壓的2～3倍。因此，為減少早期變頻器峰值電壓反復沖擊擊穿的可能，減少電纜充電電流引起的傳動系統過電流跳閘問題，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考慮系統切換頻率、敷設長度和材料介電常數。盡可能采用介電常數低的絕緣材料以降低反射波峰值電壓幅度，使電纜可以長距離敷設，并降低接地系統中感應的高頻噪聲。建議變頻電纜使用介電常數小于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 接地導體

大多數變頻系統對電纜都有接地要求，通常接地導體的設置見前面結構所述，即接地導體的總規格不小于主線芯截面積的一半。除此之外，接地導體的截面積亦取決于過電流保護器的跳閘設定（電氣量）。如電纜平行敷設，接地導體的規格必須增加，以反射過電流保護器較高的跳閘設定（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、銅塑復合帶+引流線、鋁塑復合帶+引流線等。銅絲纏繞和銅帶繞包會帶來彎曲弊端而不適合船用電纜；從屏蔽效能和變頻電纜強電用途出發，鋁塑復合帶+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合帶+引流線，而且盡可能兩者同時采用，形成100%覆蓋率的復合整體屏蔽，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主要是表面傳輸阻抗和屏蔽抑制系數。

表面傳輸阻抗按照IEC 61196-1標準進行測試，在100 MHz時表面傳輸阻抗不大于50 mΩ/m。

屏蔽抑制系數測試方法根據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方法”進行，即模擬高壓變電站開關設備操作過程所產生的暫態過電壓，對變頻電纜的屏蔽性能進行評定試驗。推薦的性能指標不大于0.05。

3 電纜敷設

敷設安裝合理是保證船用變頻電纜最終良好運行的關鍵，最主要的是變頻電纜的接地連接問題，用戶施工人員應予以重視。各變頻器廠家一般對變頻器的接地要求都有具體規定，電纜制造廠家也會提供相應的建議。變壓器、變頻器、電機和變頻電纜間的典型電路圖如圖3。電纜連接示意圖見圖4和圖5［5］。

圖3　變壓器、變頻器、電機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

接地時應采用360°連接環將整體屏蔽和接地導體連接接地，由于采用的銅塑復合帶+引流線的屏蔽方式中銅塑復合帶的金屬層很薄，施工時容易斷裂造成接地故障。建議施工時避免野蠻施工，將復合帶、引流線和編織網扭絞在一起，扭絞時復合帶的金屬層與引流線和編織網成電氣接觸，扭絞后整體牢固端接在360°連接環，見圖6所示。

圖6　連接環連接

4 結 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用，但實踐操作時在電纜結構、關鍵性能、選型和施工工藝環節仍存在諸多問題。通過對船用變頻電纜進行的針對性探討，得出以下結論：

（1）船用變頻電纜的結構應盡可能避免單芯屏蔽，而采用3+3E整體屏蔽對稱結構。

（2）耐壓、屏蔽性能、接地導體規格等對船用變頻電纜具有重要影響。

（3）為保證電纜性能最優化，除結構和材料外，應重點關注電纜的接地工藝。

［參考文獻］

［1］ 李永江，陸云春.船用變頻電纜解析與敷設［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及應用［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

［作者簡介］李永江（1982-），男，高級工程師，研究方向：船艦和海洋工程用電纜的設計。

［收稿日期］2015-06-28；［修回日期］2015-08-25

［中圖分類號］U665.26

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0077-04