中壓直流綜合電力系統裝艦關鍵工藝

沈小東, 郭彥軍, 陶江平, 劉 成

(1.海裝駐上海地區第八軍事代表室， 上海 200011； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

艦船綜合電力系統將傳統艦船中相互獨立的動力和電力兩大系統合二為一，以電能的形式統一為推進負載、脈沖負載、通信、導航和日用設備等供電，實現全艦能源的綜合利用[1]。目前，國內外大中型艦船綜合電力系統主要包括中壓直流和中壓交流兩類。其中，我國研發的中壓直流綜合電力系統在性能及穩定性上比中壓交流綜合電力系統更具優勢，為高能武器上艦創造了條件。中壓直流綜合電力系統技術先進、系統復雜，對艦船電氣專業建造技術要求較高，有必要對相關的電氣關鍵工藝進行深入研究。

1 中壓直流綜合電力系統裝艦關鍵工藝分析

1.1 關鍵工藝需求分析

中壓直流綜合電力系統由發電、輸配電、變配電、推進、儲能和能量管理等6個分系統組成(見圖1)。綜合電力系統的電站容量巨大，一般至少配置2臺單臺發電容量高達幾十兆瓦的發電機，與單臺發電機容量為幾兆瓦的傳統電站顯然不是一個量級。使用常規低壓系統輸電在工程上已沒有實現的可能性，因此大容量綜合電力系統采用了中壓供電方式，其中發電分系統至輸配電分系統采用直流配電，輸配電分系統至各用電分系統采用逆變裝置將直流電轉換為交流電供用電設備使用。

圖1 艦船綜合電力系統組成

為滿足艦載高能武器高達GW級的瞬態電功率需求[2]，中壓直流綜合電力系統一般配置儲能分系統作為脈沖功率電源。儲能分系統在較長的時間內用相對較小的功率將電能儲存起來，根據需要瞬態釋放，實現能量在時間尺度上的壓縮和功率倍增，以支撐電磁發射需求。

為實現用盡可能少的電纜輸送盡可能多的電能，綜合電力系統配電一般選擇載流量更高的單芯電纜方案，采用多根大直徑單芯電纜并聯的方式進行供電。常用1×240 mm2規格的電纜，其單根質量達3 455 kg/km，由于艦船空間有限，通常只能多束分層敷設，對目前標準電纜托架承重能力的考驗較大。

目前，電纜敷設工作主要依靠人工拉敷，綜合電力系統的大直徑電纜如仍然采用人工方式進行敷設則難度較大，可研發輔助敷設工裝，降低敷設工作強度，提高敷設效率。在對多根大直徑中壓電纜進行分層集聚敷設時，須考慮其散熱狀況，否則輕則影響電纜載流量，重則造成電纜絕緣老化，導致線路短路。

中壓直流綜合電力系統通常采用中壓直流單芯電纜和中壓交流單芯電纜兩種特殊電纜，其排布形式、接地要求等與常規低壓多芯電纜區別較大，須特殊考慮。

綜合電力系統在運行時會產生較大的電流，通電電纜會產生磁場，單根電纜周圍的最大磁場強度根據負荷電流的大小不同，范圍在幾奧斯特到幾十奧斯特之間。為降低電纜磁場對艦船磁場隱身性能的影響，綜合電力系統的安裝應考慮雜散磁場的抑制，避免線路對周圍鐵磁物質的磁化，造成艦船磁場強度增強。

1.2 關鍵工藝方法和措施

對于敷設多根大直徑中壓電纜的電纜托架，建議對其承重能力進行計算或試驗。首先，根據規劃的電纜根數和電纜路徑敷設空間初步選擇相應寬度的電纜托架；然后，對電纜托架形式進行有限元建模，對電纜托架的受力情況進行模擬仿真；最后，有針對性地對承重能力薄弱部位的結構進行加強，確保電纜托架的承重能力達到要求。典型的電纜托架受力分析如圖2所示。

圖2 典型電纜托架受力分析圖

大直徑電纜敷設輔助工裝可參考陸地上敷設電纜使用的電纜輸送機和船上敷設平直路徑大直徑電纜采用的卷揚機，結合兩者優點，采用分布式設計，通過在托架上設置導向裝置進行轉向控制，最終實現電纜的自動或半自動敷設。

大直徑電纜在集聚敷設時的散熱情況與通風條件和敷設空間密切相關：風速越大，敷設空間越大，電纜的溫升越小，載流量受到的影響越小[3]。一般電纜敷設層數不超過2層，對于受條件限制，不得不敷設在密閉空間內的集聚敷設電纜，建議單層敷設或根據實際敷設狀況建模，利用有限元方法對電纜的溫度分布進行仿真，確認其溫升在電纜廠家要求的范圍內。

中壓交流單芯電纜敷設時須考慮渦流效應的影響，電纜選擇無鎧裝形式或采用非磁性材料鎧裝，如選用鎧裝電纜，一般推薦銅絲編織形式。另外，交變磁場會在以鐵磁材料做成的電纜托架形成的閉合回路中產生渦流效應，造成電纜托架發熱和電能的損耗。因此，電纜托架必須選擇磁阻較高的材料或非導磁材料，這些材料包括不銹鋼、銅、鋁合金、環氧樹脂等，考慮工程實際，一般推薦使用不銹鋼托架。

中壓交流單芯電纜須采用單端接地的形式，否則兩端接地的鎧裝會與大地形成回路，在中壓交流單芯電纜形式的交變磁場中產生感應電流，造成鎧裝發熱，嚴重時甚至會燒毀電纜[4-5]。

中壓直流單芯電纜不會產生交變磁場，因此無需考慮渦流影響，可與低壓電力電纜一樣采用電纜兩端接地的形式。

線路雜散磁場的抑制主要通過電纜排布和控制電纜與船體鋼結構的距離實現。使用Comsol Multiphysics等有限元仿真軟件對多根并聯單芯電纜的磁場強度進行仿真計算。以某型艦船發電機到主配電板的電纜為例，兩臺發電機額定電流分別為940 A和5 250 A,電壓為DC 4 kV,分別選用1×120 mm2和1×240 mm2兩種規格的單芯直流電纜，比較這些電纜在如圖3和圖4所示的兩種典型排布下的磁場強度。

圖3 多根單芯直流電纜排布圖(一)

圖4 多根單芯直流電纜排布圖(二)

通過仿真計算，圖3排布下在電纜周圍300 mm處的最大磁場強度模值為0.022 2 Oe，圖4排布下在電纜周圍300 mm處的最大磁場強度模值為0.015 3 Oe，采用圖4排布形式時對外磁場強度較低。因此對于多根并聯單芯直流電纜，敷設時建議按照圖4的形式進行排布。

在敷設多根并聯的單芯交流電纜時，規范推薦采用品字形排布[6]，如圖5所示。

圖5 單芯交流電纜品字形排布圖

在這種排布形式下，三相電流向量在相位上互差120°，矢量之和為0，三相電流在鐵磁回路中的磁感應強度之和也為0[7]。鐵磁材料無渦流損耗，對外磁場強度最小，但是艦船上敷設空間有限，同一回路并聯電纜數量較多，單芯交流電纜完全采用品字形敷設形式較為困難，建議可采用相對比較節省空間的排布形式，如圖6所示。

圖6 多根單芯交流電纜推薦排布圖

除了采取以上推薦的單芯電纜排布形式以外，電纜敷設時還應控制與船體鋼結構的距離,電流越大，間距要求越大。

2 總 結

根據中壓直流綜合電力系統特點，初步梳理其裝艦工藝問題，并有針對性地提出解決的方法和措施。對于具體型號，在實際安裝中還需根據實際功率、電壓等級、設備具體構成等進行相應分析和應對。