升降系統電纜屏蔽層的感應環流分析

孫 霖

升降系統電纜屏蔽層的感應環流分析

孫 霖

（海裝駐武漢地區第八軍事代表室，武漢 430000）

通大電流時電力電纜因接線不當或連接松動引起電纜屏蔽層發熱，增加升降系統運行風險。本文從電力電纜感應電壓來源和電纜屏蔽層發熱原因這兩個方面進行了分析，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地感應環流。

電力電纜 金屬屏蔽層 接地環流 感應電壓

0 引言

升降系統作為自升式平臺的關鍵部分，在平臺的設計制造中歷來受到高度重視，其工作安全性直接影響到平臺的安全和使用效果[1]。自升式平臺升降系統越來越多地采用變頻器驅動電機實現平臺或樁腿的升降，并通過制動電阻吸收平臺或樁腿下降時負載的勢能，確保平臺升降的安全。在平臺升降過程中，變頻電纜的電流會很大，存在電纜屏蔽層發熱的問題。本文結合實際工程應用中出現的典型問題，著重介紹電動升降系統的變頻驅動控系統中電力電纜屏蔽層感應電壓和接地環流的處理方法。

1 海工平臺電力電纜屏蔽層異常發熱現象

某自升式平臺的升降系統采用的是全電力驅動的電動升降系統，驅動變頻器采用的ACS800系列變頻器，在平臺下降過程中采用制動電阻消耗掉平臺下降的能量，制動單元選擇的是ACS800系列的三相制動斬波器。制動斬波器與制動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，實船接線如圖1所示。

實船是采用的6根3×95 mm的電力電纜連接制動斬波器和制動電阻，每一相使用了2根3×95 mm電纜。在調試過程中制動斬波器工作時，制動電阻電纜在變頻器柜的接地金屬屏蔽網過熱冒煙，變頻器屏蔽網燒熔，斷開電纜金屬屏蔽層與變頻器屏蔽網后測量電纜金屬屏蔽層對地感應電壓約為37 V，這嚴重影響到平臺升降系統的安全運行。

2 金屬屏蔽層的作用及感應電壓的來源

平臺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，安裝平臺的施工工藝和ABB變頻器技術手冊，都要求變頻系統電力電纜屏蔽層進行兩端接地。金屬屏蔽層的作用有：

1）電纜正常通電工作時，金屬屏蔽層屏蔽多根電纜之間產生的電容電流；

2）將電纜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，同時也起到限制外界電磁場對內部產生的影響；

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

4）當發生雷擊事故時，金屬屏蔽層可將故障電流引入接地系統，保證設備安全運行。

2.1 屏蔽層感應電壓的來源

一般動力回路，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行時同一根電流中電流理論值的向量和為0，則伴隨電流產生的磁場也為零。當電纜中各芯線流過的電流不平衡時就會在電纜屏蔽層上產生感應電壓。

由單芯電纜構成的電力傳輸系統中，電纜導體和金屬屏蔽層的關系可以看作一個空心變壓器。電纜導體相當于一次繞組，而金屬屏蔽層相當于二次繞組。當流過電纜的工作電流是一交變的交直流電流時，會在導體周圍產生交變的磁場，在交變磁場中的金屬屏蔽層中產生一定的感應電壓。

圖1 升降系統制動回路電路圖

3 電纜屏蔽層異常發熱原因分析

實船系統制動回路中每相采用2根3芯電纜連接，則此根電纜在電路中就相當于一根單芯電纜，實際就變成了6根單芯電纜并排排列安裝，長度約100 m。當制動電阻工作電纜中流過工作電流時，在電纜屏蔽層上產生感應電壓，實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形成接地環流回路，如圖2所示。

圖2 電纜屏蔽層接地環流示意圖

當接地點電阻R1或R2有較大阻值，而屏蔽層產生感應電壓時，感應電流會在流過R1或R2處時，根據電阻發熱公式Q=I2Rt產生熱量，可能導致接地點處發熱溫升提高。

電纜金屬屏蔽層產生的感應電壓計算公式較為復雜，本文在分析此問題時關心的僅僅是感應電壓的幅值。所以根據相關技術文獻和手冊，可知并排安裝的單芯導體上產生的感應電壓幅值計算公式如下[2][3]：

圖3 電纜敷設形式

電纜并排排列邊相屏蔽層感應電壓：

中相屏蔽層感應電壓：

實船系統中，變頻器制動單元導通的直流母線電壓閥值為1100 V，制動斬波器輸出電壓為3相1100 V，制動單元輸出的電壓是一頻率為變頻器設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。

將系統設備相關數據帶入公式，計算可得在電纜并列布置時邊相感應電壓=36.4 V，中相感應電壓=22.8 V。與現場實際檢測結果基本一致。

根據理論分析和現場實測結果，可以確定電纜屏蔽層異常發熱的原因，是當制動電阻工作時，由于制動回路是單芯屏蔽電纜構成的電流回路，所以在電纜屏蔽層上產生較高的感應電壓，由于才有兩端接地在屏蔽層上產生接地環流，同時在變頻器接地點處接地電阻R較大，進而引起的接地點異常發熱。

4 解決方案

根據電纜屏蔽層異常發熱原因，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導體流過的電流向量和，減小屏蔽層的感應電壓；第二，減小屏蔽層產生的感應電流，根據發熱公式知道可以大幅度減小屏蔽層的發熱。

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

根據實船情況，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，斷開感應電流產生的回路，使得感應電流為0，消除接地點的發熱量。

實船根據以上兩個方面修改后，實測電纜屏蔽層感應電壓約為12 V，與理論計算基本結果吻合，感應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接地環流的工作回路，接地點發熱的問題得到解決，平臺升降系統工作正常。

5 結論

根據上述原因分析和實船試驗得知：接地環流過大是導致電纜屏蔽層發熱的主要原因。如何針對現場使用環境，進行電纜敷設和屏蔽層的連接，從而確保電磁干擾及接地環流最小是后續的研究方向。

[1] 孫東昌, 潘斌. 海洋自升式移動平臺設計與研究[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2008.

[2] 周明. 35 kV單相電纜金屬屏蔽層感應電壓計算及接地處理方案[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電壓和環流[J]. 高電壓技術, 2012, 28(5): 30-32.

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

[5] ABB. ACS800制動控制程序固件手冊: 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