艦船400 Hz電力系統(tǒng)電纜研究

李永江

（江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司 揚州225129）

艦船400 Hz電力系統(tǒng)電纜研究

李永江

（江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司 揚州225129）

針對交流400 Hz電力系統(tǒng)逐漸在艦船上設(shè)計應(yīng)用的現(xiàn)狀，通過理論計算詳細介紹了400 Hz電力系統(tǒng)對配套電力電纜的交流電阻、電抗、阻抗等電氣參數(shù)的影響，以及由此引起的對電網(wǎng)電壓降的影響。從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和敷設(shè)使用方面給出了400 Hz系統(tǒng)電纜選擇需要考慮的因素。

400 Hz系統(tǒng)；電氣參數(shù)；電纜結(jié)構(gòu)；電壓降

引 言

由于大型艦船電力系統(tǒng)的船載發(fā)電機要求體積小質(zhì)量輕，只有提高頻率才能滿足功率要求，所以相應(yīng)的船載電氣設(shè)備和與飛機相關(guān)的電源均采用400 Hz，從而要求配套的電纜滿足400 Hz系統(tǒng)要求。400 Hz電力系統(tǒng)在傳輸線路長、輸送功率大的條件下，要確保整個線路電壓降低，因此對電纜的選擇提出了特殊要求［1］。

1 400 Hz對電纜電氣參數(shù)的影響

電力系統(tǒng)的頻率對于電纜導體的交流電阻和電抗會產(chǎn)生很大影響，從而改變電纜的阻抗，導致電纜額定載流能力發(fā)生變化；而導體交流電阻又直接受導體直流電阻和導體實際工作溫度的影響。

1.1 導體實際工作溫度

電纜線路通過電流后，導體產(chǎn)生溫升，導致電纜的電阻發(fā)生變化。根據(jù)現(xiàn)有船用電纜所用絕緣材料，導體的長期最高額定工作溫度為90℃，計算時導體的實際工作溫度即為導體的長期最高額定工作溫度。導體在不同于20℃ 時的直流電阻修正系數(shù)通過式（1）計算［2］。

式中：kθ為溫度θ時的單位長度電纜線芯直流電阻修正系數(shù)；

θ為線芯導體的實時溫度，℃。

1.2 導體交流電阻

導體交流電阻的計算見式（2）～式（6）［3］。

式中：Rθ為在溫度θ時的單位長度電纜線芯直流電阻，Ω/m；

Ys為集膚效應(yīng)因數(shù)；

Yp為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

Ys和Yp分別通過式（3）和式（4）計算求得。

式中： f為頻率，Hz；

Rθ為溫度θ時的單時的單位長度電纜線芯直流位長度電纜線芯直流電阻，Ω/m；

Dc為絕緣線芯外徑，mm；

S為絕緣線芯中心軸間距離，mm；ks、kp為常數(shù)，均取1。

額定電壓0.6/1 kV電纜，頻率400 Hz，計算得出的導體工作溫度為90℃ 時不同截面銅導體的集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)見表1。可知當頻率為400 Hz時導體的交流電阻大于直流電阻，隨著導體截面增加，其交流電阻和直流電阻的比值也逐漸增大。

1.3 導體電抗

由于容抗對于感抗正好起抵消作用，盡管有些電纜線路其容抗值不小，但起主要作用的是感抗，為了簡化計算，在配電工程中低壓電力電纜線路容抗可以忽略不計，導體的電抗值實際上只計入感抗值。這樣的計算結(jié)果往往趨向保守，安全裕度大，具體可按照公式7計算［4］。

表1 集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)

式中：X為每相的電抗，Ω；

f為頻率，Hz；

a為導體之間的軸間距，mm；

d為導體直徑，mm；

L為導體長度，m。

由式（7）可知，同等截面的導體，在400 Hz系統(tǒng)中時電抗值為其用于50 Hz系統(tǒng)中電抗值的8倍。導體工作溫度為90℃時400 Hz和50 Hz的導體交流電阻、電抗、阻抗值見表2。

表2 導體交流電阻、電抗、阻抗值Ω/km

400 Hz時當截面積達到一定程度，在計算導體線路壓降時，導體的電抗將會在總阻抗中起主要作用。為降低電纜的交流電阻值和電抗值，就需要對電纜所用材料和電纜結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，采用同等截面導體并聯(lián)使用達到所需的大截面效用，減小集膚效應(yīng)，有力降低阻抗值。

2 電纜結(jié)構(gòu)

構(gòu)成電纜的導體、絕緣、鎧裝、護套材料，以及導體的結(jié)構(gòu)、電纜的敷設(shè)方式等都與電纜線路的電壓降和電能損耗有直接影響。400 Hz系統(tǒng)需要特別注意所用電力電纜的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及敷設(shè)方式。

為降低電纜的阻抗，確保柔軟性和增長電纜使用壽命，導體選用IEC 60228標準第5類或第6類軟銅結(jié)構(gòu)，絕緣材料選用符合IEC 60092-351標準的乙丙橡膠，其富有彈性柔軟、電氣絕緣性能好、耐老化；護套選用具備耐油、耐熱、耐磨和高機械強度的氯磺化聚乙烯。

在結(jié)構(gòu)上，優(yōu)先采用無鎧裝結(jié)構(gòu)，降低線芯之間的間距，減小電抗和電纜損耗。芯數(shù)上采用三芯大截面結(jié)構(gòu)或7芯小截面導體結(jié)構(gòu)。如采用7芯導體絞合，則其中6根線芯兩兩對稱并聯(lián)作為相線位于外周，中心1根絕緣線芯作接地保護使用。根據(jù)需要，也可在相線外側(cè)的間隙布置控制線芯，進行信號監(jiān)測控制。典型的400 Hz系統(tǒng)電力電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電纜剖面圖

3 線路電壓降

線路的電壓降取決于線路的電流和阻抗，而阻抗與電抗、電阻構(gòu)成直角三角形。線路的電壓降通過式（8）計算［5］。

式中：Vdrop為線路的電壓降，V；

I為負載電流，A；

L為電纜長度，km；

R為額定最大工作溫度下導體交流電阻，Ω/km；

X為電纜的電抗，Ω/km；

cosθ為負載功率因數(shù)（cos2θ+sin2θ=1）

根據(jù)相關(guān)船級社的規(guī)范要求，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(yīng)急配電板的匯流排到任何安裝點的電壓降，應(yīng)不超過額定電壓的6%，這在電纜選型時需特別注意［6］。

4 結(jié) 論

艦船400 Hz電力系統(tǒng)使配套電纜的電阻、電抗發(fā)生改變，從而造成阻抗增大，成為除負載功率因素外另一個影響線路電壓降的主要因素。本文就此進行歸納分析，供相關(guān)人員參考。

［1］ 朱煒，李輝輝.艦船綜合電力推進技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.船舶，2013（3）：64-68.

［2］ IEC 60228. Conductors of Insulated Cables ［S］ . 2004.

［3］ 王春江.電線電纜手冊.第1冊［M］.第2版.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［4］ BICC Cables Ltd. Electric Cables Handbook［M］. 3rd edition. London：Wiley-Blackwell，1997.

［5］ JIS C 3410. Cables and Flexible Cords for Electrical Equipment of Ships［S］. 2010.

［6］ 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

On cable of 400 Hz power system for Naval ships

LI Yong-jiang
(Jiangsu Yuanyang Cable Co., Ltd., Yangzhou 225129, China)

More and more 400 Hz power system are designed and used on Naval ships. As AC 400 Hz power system is gradually designed and applied on Naval ships, this paper detailedly introduces the influence of 400 Hz power system on the electrical parameters including the conductor resistance, reactance and impedance of the matching power cable, and on the voltage drop of the power network. It also discusses the factors needed to be considered in cable selection, such as cable configuration design, material and laying application.

400Hz system; electrical parameter; cable configuration; voltage drop

U665.1

A

1001-9855（2014）02-0077-03

2013-08-23；

2013-09-10

李永江（1982-），男，高級工程師，研究方向：艦船和海洋工程用電纜設(shè)計開發(fā)。