適用于直流組網電力推進船舶的電纜敷設工藝

摘" " 要：結合在某直流組網電力推進船舶的設計及建造過程中，開展電纜敷設工藝研究和應用，提出一種適用于電力推進船舶，特別是采用直流組網的電力推進船舶的電纜敷設工藝，旨在減少和消除電纜間產生的相互電磁干擾，提高電力推進配電系統及推進控制系統的安全性和穩定性，為同類型船舶的電纜敷設提供參考。

關鍵詞：直流組網；電力推進船舶；電纜敷設

中圖分類號：U671.91+5" " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

Cable Laying Process of Electrical Propulsion Ship in DC Network

ZENG Cuimei1，" HUANG Shaoqing2 ，" WAN Jing1，" PAN Xiaochuan1

（ 1.Afai Southern Shipyard（Panyu Guangzhou） Ltd.，" Guangzhou 511400， China;" 2.CCS Guangzhou Plan Approval Center，" Guangzhou 510220， China ）

Abstract： Based on the research and application of cable laying technology in the design and construction of a DC-network electric propulsion ship， this paper proposes a cable laying technology suitable for electric propulsion ships， especially for those ships with DC-network electric propulsion， and is intended to reduce amp; eliminate the mutual electromagnetic interference between cables， and improve the safety and stability of electric propulsion distribution system and propulsion control system， which may provide reference for the cable laying of similar ships.

Key words： DC network;" electrical propulsion ship;" cable laying

1" " "引言

隨著全球對環保材料及新能源運用的推廣，混合動力推進、純電動推進、直流組網電力推進船舶的應用越來越廣泛，推進配電系統及推進控制系統的安全性和穩定性對電力推進船舶顯得尤為重要，因電力推進船舶涉及到大量的電力電纜、通信電纜、控制電纜的敷設，如何減少或消除電纜間產生的相互電磁干擾，是急需解決的一個技術問題。電力推進船舶按傳統的電纜敷設工藝，在船舶調試階段，均出現了不同程度的電磁干擾，一是對自身設備的影響，二是對船上其它電子設備的影響，更有甚者，因直流組網產生的電磁干擾影響到附近船舶的電氣設備。

因此，傳統的船舶電纜敷設工藝應用于電力推進船舶，特別是直流組網的電力推進船舶時需要改進。

2" " "直流組網電力推進系統介紹

直流組網電力推進系統主要由柴油發電機組、電池組、AC/DC轉換器、DC/DC穩壓器、DC/AC逆變器、DC直流配電板、推進電機、螺旋槳等組成，某型船系統連接示意圖如圖1所示。

船舶直流組網電力推進系統是采用直流母線的方式連接各動力電源、用電設備，通過電能轉換，使船舶得到電力推進的動力及供電給船上日用負載。從圖1可以看到，交流柴油發電機組通過AC/DC整流器將交流電壓變換成直流電壓，直流電池組通過DC/DC變換器穩壓成直流電壓，共同組成一個直流電站，再經過DC/AC逆變器轉換成交流電供電給推進電機和船舶日常用電[1]。

3" " 直流組網電力推進系統的電纜選擇

基于直流組網電力推進系統的組成特點，整個系統涉及到交流電力電纜、直流電力電纜、通信電纜、控制電纜等。

由于國內的規范和標準沒有明確給出不同的電纜類型對于傳輸信號的干擾程度分類，故參照法國船級社（BV）和意大利船級船（DNV）的相關規定，為了減少相互干擾，傳輸不同信號強度的電纜類型大致可分為如表1所示的幾種電纜類別，各類型電纜的敷設距離如表2所示。

基于表1所述的各類別電纜的分組情況，根據圖1直流組網電力推進系統的設備組成，該系統所涉及的電纜類別主要為B、C、D、E組類別的電纜。其中推進系統的直流和交流電力電纜具有高干擾性，能對外部系統、設備及電纜產生高干擾信號，從而影響其他系統及設備的正常運行；該系統的通信電纜和控制電纜具有較敏感的被干擾性，容易受外部干擾信號的影響，從而使設備與設備之間的正常通信及控制信號的傳輸出現故障，進而影響電力推進系統的安全運行。因此，直流組網電力推進系統中的直流和交流電力電纜，應能對其所傳輸的電流進行盡可能的屏蔽，降低對外部的干擾，從而考慮選用帶屏蔽結構的變頻電纜并且盡量減少敷設長度，降低電磁輻射和漏電流；變頻電纜具備良好的抗干擾和低輻射性能，能有效屏蔽自身傳輸電流基波和高次諧波對外部設備的影響，同時能抑制外部電磁輻射對自身的干擾；另一方面，為了減少多芯電纜的芯線之間交變磁場產生的感應電勢，直流和交流電力電纜采用單芯電纜代替多芯電纜，并且在傳輸相同額定電流值的情況下，變頻電力電纜采用單芯電纜敷設所需的空間、電纜重量和電纜采購成本比多芯電纜均具有較大優勢。該系統中所選用的通信電纜和控制電纜，應能對外部所產生的干擾信號進行盡可能的屏蔽，降低外部電磁輻射對自身的干擾，從而考慮選用帶屏蔽結構的雙絞對線變頻通信電纜，盡量與電力電纜分開敷設并保持一定的敷設距離。

根據以上原則，對單芯電力電纜作以下選型：外包絕緣材料采用交聯聚乙烯，能承受較高等級的電力負載；導體結構采用絞合鍍錫銅絲，能較好滿足電力電纜敷設空間小、彎曲半徑小的特性；屏蔽材料采用銅箔復合帶繞包，鍍錫銅絲編織鎧裝，能有效屏蔽電磁波，減少電磁噪聲的傳遞，避免電離現象對電力系統的影響，如圖2所示。

通信電纜和控制電纜作以下選型：外包絕緣材料采用交聯聚乙烯；導體結構采用絞合鍍錫銅絲；屏蔽材料采用銅箔復合帶繞包加鍍錫銅絲泄漏線對絞屏蔽，鍍錫銅絲編織鎧裝，如圖3所示。

4" " "直流組網電力推進系統的電纜敷設工藝

由于在電力推進系統中的逆變器、推進電機及變頻電力電纜中均存在有分布式寄生電容，會產生高頻的電磁輻射干擾，容易對其附近的控制設備、通信設備和電纜產生電磁干擾，因此，直流組網電力推進系統的電纜敷設工藝主要有如下幾點。

1）電纜應敷設在與船體結構有良好連接的金屬電纜槽或電纜托架上。根據表2所列的各類別電纜的安裝間距要求，當推進系統電力電纜與其它各類型電纜敷設在同一金屬電纜托架上時按圖4所示的方式進行電纜敷設，依次為推進系統電力電纜、其它系統的電力電纜、控制電纜和通信電纜，每束電纜束之間的間距不小于50 mm。此敷設工藝可消除各類別電纜之間的相互電磁干擾及信號干擾問題。

2）對于電力推進系統的變頻電力電纜，用于同一線路導線的單芯電纜需安裝在同一電纜托架或電纜槽內，需單獨成束敷設，不能與其它的電力電纜成束敷設。

從柴油發電機組、推進電機、變壓器端至逆變器的交流單芯電纜敷設時應靠近敷設，并采用專門的三芯電纜夾箍進行固定，電纜線束之間的距離需至少滿足gt;20 mm的要求；為了防止電流負載的分配不均勻，使各相電纜產生的磁場相互抵消，避免形成渦流，電路中同相的電纜應同其它相電纜交錯排列。單芯交流電力電纜的敷設方式如圖5所示。

從各整流器和逆變器至直流配電板的直流單芯電纜需單獨成束敷設，用不銹鋼無鹵素PPA涂層高壓扎帶進行固定，其敷設方式如圖6所示。

3）當推進系統的電力電纜與控制電纜無法避免要進行相交時，相交角要成90°，如圖7所示。

4）渦流和磁滯損耗交變磁場產生的感應電壓是循環渦流產生的原因，產生二次磁場的電壓會在金屬板中產生渦流，磁滯損耗是由于單芯電纜周圍磁場變化而產生的二次熱效應，因此當單芯電纜穿過鋼質艙壁或甲板、鋼質機柜的電纜蓋板或其他任何東西時，需注意避免產生渦流和磁滯損耗。為避免渦流和磁滯損耗，推進系統的電纜進入機柜時應選用非鐵磁性材料（如銅、鋁等），穿過艙壁或甲板時選用模塊式電纜貫穿密封裝置，如圖8、圖9所示。

5）推進系統電力電纜敷設時需注意電纜的保護層、屏蔽層的保護，不要出現表面破損的情況。

6）推進系統的電纜的金屬屏蔽層需與船體結構進行接地處理；其它電纜的金屬鎧裝編織層需與船體結構進行接地處理。

5" " "實船應用情況

在某采用直流組網混合動力推進的風電運維船上，混合電力推進系統采用5臺AC500 V、50 Hz、230 kW的柴油發電機組、2組DC576 V、78 kWh的鋰電池組和2臺AC500 V、50 Hz、550 kW推進電機組成，直流配電板母排電壓采用DC750 V，柴油發電機組通過AC/DC整流器連接至直流配電板，鋰電池組通過 DC/DC轉換器連接至直流配電板，直流配電板通過DC/AC逆變器連接至推進電機。由于該風電運維船為雙片體船，柴油發電機組、推進電機和直流配電板均分別安裝在左右片體的發電機艙、推進艙和配電板艙，故艙室電纜通道的綜合布置具有空間小、難度大的特點。

因此本船在電力推進系統的電纜敷設規劃時，根據船體結構特點，結合直流組網推進控制系統廠家的電纜敷設工藝要求和入級船級社規范對電纜敷設的要求，主要從以下幾個方面考慮電纜的布置及敷設：電纜的分類敷設要求、電纜的安裝及固定、電纜的通艙開孔、電纜的彎曲半徑。應用情況如下：

1）從柴油發電機組、推進電機、變壓器端至逆變器的交流單芯電纜，采用單獨電纜托架進行敷設，采用專門的三芯電纜夾箍進行固定，電纜線束之間的距離滿足gt;20 mm的要求，如圖10所示；

2）從各整流器和逆變器至直流配電板的直流單芯電纜單獨成束敷設，與其它類型的電纜分開電纜托架，間隔至少100 mm，并用不銹鋼無鹵素PPA涂層高壓扎帶進行固定，如圖11所示；

3）合理規劃電纜敷設路徑，在有限的艙室空間內采用吊裝和側裝電纜托架相結合的方式，保證電纜有足夠的彎曲空間，EMC電纜的內外屏蔽層和其它類型的金屬鎧裝層均與金屬船體結構可靠接地，見圖12；

4）進入直流配電板的電纜均由底部進線，進線處采用MCT密封裝置，中壓電纜接線端采用專用的冷縮套管進行處理，選用EMC非鐵磁性密封裝置進行密封，避免產生渦流和電磁損耗，控制電磁干擾。

6" " "結語

該直流組網混合動力推進風電運維船的電纜敷設工藝，與傳統船舶電纜敷設工藝相比較，推進電力電纜采用單芯電纜比傳統的多芯電纜能更好地減少芯線之間交變磁場產生的感應電勢；敷設時采用如圖10、圖11所示的排列方式及有效距離，避免了循環渦流的產生，及因渦流產生的熱效應對各電纜的作用，從而有效減少和消除因電纜敷設造成的電磁干擾，提高了船舶的用電安全及船舶控制系統的穩定性。此敷設工藝經實船驗證，在系統調試和試航過程（下轉第頁）（上接第頁）

中，均未存在電磁干擾的問題，電力推進系統本身運行穩定且良好，船上所有控制設備、電子設備均消除了之前船舶上普遍存在的電磁干擾問題，聲音信號清晰，控制系統運行穩定，證明該電纜敷設工藝的應用取得了預期效果，為后續建造同類型直流組網電力推進船舶提供了很好的經驗借鑒。

參考文獻

[1]湯天浩，韓朝珍.船舶電力推進系統[M].北京：機械工業出版社，2015.