船舶和海洋工程變頻裝置用中壓電纜的研制

陳翠香，陸云春

(江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司，江蘇 揚州 225129)

0 引言

目前，各大船級社在船舶建造規范中對高壓裝置的要求都比較籠統，但把標稱系統相間電壓超過1000 V的稱為高壓。本文考慮到行業內的習慣，把相間電壓超過1000 V、不大于17500 V的船舶和海洋工程中使用的電纜稱為中壓電纜。

隨著電力電子技術的迅速發展，船舶電力系統中已經越來越多地采用電力電子設備。電力電子技術的主要內容是采用電力半導體器件進行電力變換和控制。近幾年來，將可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、雙極晶體管(IGBT)及脈幅調制(PAM)、脈寬調制(PWM)等技術應用到船舶電力系統，使得船用變頻器的功率做得很大。將大容量的電力電子設備應用于船電系統，這是科技進步的表現，是大勢所趨，重要的問題是要解決電磁兼容性問題。目前高電壓大功率變頻電機已在船舶和海洋工程裝備上廣泛使用，于是研制國產符合EMC要求的中壓電纜，越來越迫切。國際電工委員會(IEC)等國際機構及各大船級社都已提出相應的標準及規范，對高次諧波進行管理和控制，采用符合EMC要求的電纜，是抑制和減少諧波危害的重要措施。現將研制船舶和海洋工程變頻裝置用中壓電纜的相關問題，簡述如下。

1 主要技術性能

根據EMC標準，結合對實際使用中大量數據的研究，確立船舶和海洋工程變頻專用中壓電纜產品的技術性能如下:

(1)表面傳輸阻抗:在10 MHz時表面傳輸阻抗不大于50 mΩ/m。

(2)理想屏蔽系數:電纜總干擾電壓為50 mV時的理想屏蔽系數不大于0.6。

(3)總屏蔽抑制系數:電纜的總屏蔽抑制系數不大于 0.05。

(4)阻燃性能:電纜需能通過IEC 60332-3-22規定的A類成束阻燃。

(5)彎曲半徑:成品電纜最小彎曲半徑不小于9倍的電纜最大直徑。

(6)低煙性能:電纜需具有IEC 60092-350規定的低煙性能，依據IEC 61034試驗時透光率不小于60%。

2 產品設計

為了確保產品滿足預定的技術性能，經過設計研究，對船舶和海洋工程變頻器用中壓電纜進行了如下確認設計。

2.1 電纜名稱

交聯聚乙烯絕緣聚烯烴護套鍍錫銅絲編織鎧裝聚烯烴外護套船舶和海洋工程變頻器用中壓電纜。

2.2 產品型號

CJPF86/SC-VFD，其中:C表示船舶和海洋工程用電力電纜，J表示交聯聚乙烯絕緣，PF表示聚烯烴內護套，8表示鍍錫銅絲編織鎧裝，6表示聚烯烴外護套，SC表示A類成束阻燃低煙無鹵，VFD表示符合EMC標準，專用于變頻裝置。

2.3 產品結構

CJPF86/SC-VFD電纜產品設計為3+3E結構，其剖面如圖1所示。

圖1 電纜結構

2.4 消除高次諧波影響

因電纜的分布電容對諧波有放大作用，使電纜和船殼的電容過大，造成電纜過電壓局部放電，使電纜溫度升高，絕緣損壞。為消除這種破壞作用，特將電纜設計成3+3E結構，有效地抑制了高次諧波中的奇次諧波，提高了電纜抗干擾性能;3根接地導體呈互差120°排列，能有效降低高次諧波的影響，降低感應電壓不平衡并將共態噪聲傳回變頻傳動系統，減弱變頻電機噪聲，保證設備穩定運行，延長設備使用壽命，滿足電磁兼容要求。

2.5 承受多倍系統峰值電壓

變頻傳動系統高次諧波疊加容易使得電纜充電電流增加導致變頻傳動峰值電壓陡然升高，引起系統過電流跳閘。設計中采用比通用交聯聚乙烯具有更低的低介電常數的特種交聯聚乙烯，從而使電纜的耐壓性能更加優越，絕緣層可多次承受3倍變頻傳動峰值電壓，減少因電纜充電電流引起的傳動系統過電流跳閘問題，同時也滿足了船舶規范對高壓電纜進行耐壓試驗的要求。

2.6 增強屏蔽功能

電磁干擾有傳導和輻射2種型式。成纜采用了多層屏蔽結構，形成了100%的屏蔽覆蓋率。在使用中將屏蔽導體正確接地，使屏蔽導體與干擾源電容耦合，以消除諧波對外界設備和系統的干擾，也有效地抑制了外界的電磁干擾。

2.7 A類成束阻燃

船舶和海洋工程作業的特殊性要求配套電纜必須滿足甚至高于A類成束阻燃的規定。為此從綜合角度出發，實現成品阻燃的重點放在護套上，設計的電纜結構中護套材料必須具有高阻燃性，內外護套材料的氧指數均不低于32，同時材料的低煙無鹵性能符合IEC 60092-350的規定。

2.8 接地導體的截面

參照IEC 60092-3系列標準和變頻器使用中對電纜的要求，接地導體的截面應不小于載流導體的50%。絕緣載流相導體設計符合IEC 60092-350的規定性能，而絕緣接地導體符合IEC 60092-352的規定，接地導體的截面積不小于載流的相導體截面積的一半。二者均為IEC 60228中的Class 5的結構導體，電纜柔軟易于安裝施工，完全有利于固定敷設和適用于有較大震動的環境。

3 產品試制

根據交聯聚乙烯絕緣聚烯烴護套鍍錫銅絲編織鎧裝聚烯烴外護套船舶和海洋工程變頻器用中壓電纜產品特殊性要求，應有專門的生產工藝指導產品的制造，據此重新設計了產品工藝流程和工藝要求。

3.1 工藝流程

根據設計確認的產品，主要生產工藝流程為:

拉絲→韌煉→鍍錫→絞合→3層共擠→線芯交聯→線芯耐壓→編織絕緣屏蔽→成纜→編織總屏蔽→鋁塑復合帶繞包屏蔽→擠包內護套→鍍錫銅絲編織鎧裝→擠包外護套→成品檢驗

3.2 工序工藝關鍵點

在生產過程中，通過不斷總結，逐步掌握了各道工序的工藝要點，保證了產品質量。主要生產工序的工藝要點見表1。

表1 生產工序工藝要點

按照上述設計和工藝制造的電纜，經上百家客戶批量使用后，證明各項性能參數都達到了預期的指標，現該產品已申請了國家專利。

［1］IEC 60092 －350，General Construction and Test Methods of Power，Control，and Instrumentation Cables for Shipboard and Offshore Applications(Third edition)［S］.2008.

［2］IEC 60092－354，Single－ and Three－core power cables with Extruded Solid Insulation for Rated Voltage 6 kV(Um=7.2 kV)Up to 18 kV(Um=36 kV)(Second edition)［S］.2003.

［3］IEC 60228，Conductors of Insulated Cables(Third edition)［S］.2004.

［4］IEC 60092 － 352，Choice and Installation of Electrical Cables(Third edition)［S］.2005.

［5］周洋.變頻器的諧波干擾與抗干擾［C］//第九屆全國船舶及航運技術學術交流會論文集，2004.