船用中壓直流單芯電纜集聚敷設磁場分析

郭彥軍，陶江平，吳非寅，王 波

(上海船舶工藝研究所，上海 200240)

0 引 言

近年來，以馬偉明院士為代表的科研團隊研發出了我國新一代綜合電力系統，不同于其他國家使用的中壓交流綜合電力系統，該系統采用中壓直流配電技術，受限于艦船敷設空間和出于施工便利性的考慮，供電電纜首次采取多根船用中壓直流單芯電纜并聯集聚敷設的方式。

電纜中的導體通電會產生磁場，單根電纜周圍的最大磁場強度根據負載電流的大小而不同，范圍為幾奧斯特到幾十奧斯特[1-2]。電纜磁場強度與艦船磁場隱身性能密切相關，電纜磁場可能會磁化周圍的鋼結構，造成艦船磁場增強。對于沒有實際上艦應用的中壓直流單芯電纜來說，通過仿真計算其周圍磁場的強度和分布，研究降低電纜敷設對艦船磁場隱身性能影響的具體措施是切實可行的，對于中壓直流單芯電纜的正式上艦敷設有重要的指導意義。

1 電纜集聚敷設磁場仿真及分析

1.1 電纜集聚敷設磁場仿真

多芯電纜各相導體在空間上結構對稱，在運行時產生的磁場可相互抵消，對周圍環境電磁場的影響較小。對于單芯電纜來說，敷設時應盡可能對稱排布，使多回路集聚敷設的電纜整體對外磁場最小。根據規范[3]要求，在多回路單芯直流電纜敷設時，根據回路數量的不同，推薦的排布方式如圖1所示。

圖1 直流單芯電纜推薦排布方式

規范對于超過4個回路的單芯直流電纜如何排布并沒有明確的指導。以某型艦船發電機到主配電板的電纜橋架為例，2臺發電機額定電流分別為940 A和5 250 A，額定電壓為4 kV，選用導體截面積分別為120 mm2和240 mm2的單芯直流電纜，這兩種規格的電纜在額定溫度90 ℃下連續運行時的載流量分別為339 A和522 A，根據計算公式

敷設系數取0.8，最終計算得出2臺發電機所需單芯電纜分別為8根導體截面積為120 mm2和26根導體截面積為240 mm2的單芯電纜，這些電纜敷設在有孔鋼制電纜橋架上，按照如圖2和圖3所示的2種不同的排布方式進行仿真計算比較。

圖2 排布1

圖3 排布2

中壓直流單芯電纜的典型結構如圖4所示，上述2種常用規格電纜的結構尺寸如表1所示。

圖4 中壓直流單芯電纜的典型結構

表1 直流單芯電纜結構尺寸

采用COMSOL Multiphysics 有限元仿真軟件，根據表1提供的電纜尺寸模型，建立電纜的物理模型，如圖5所示。半導電層是由絕緣材料添加炭黑得到的，其導磁性能和電纜絕緣層一致，并不會影響整體磁場分布，因此可將電纜絕緣結構中的半導電層視為絕緣層進行簡化計算。

圖5 電纜物理模型

進行電磁場計算時所需的主要結構材料屬性如表2所示。

表2 主要結構材料屬性

通過仿真計算得到2種排布形式下電纜周圍的磁通密度分布如圖6和圖7所示，參考中壓電纜托架與其他電纜托架常規敷設間距，分別取2種排布形式下電纜周圍(上下左右)300 mm的磁通密度曲線如圖8～圖11所示。

圖6 排布1磁通密度分布圖

圖7 排布2磁通密度分布圖

圖8 排布1電纜上方和下方300 mm處磁通密度線圖

圖9 排布1電纜左側和右側300 mm處磁通密度線圖

圖10 排布2電纜上方和下方300 mm處磁通密度線圖

圖11 排布2電纜左側和右側300 mm處磁通密度線圖

1.2 仿真結果分析

對比電纜束周圍(上下左右)的磁通密度線圖發現，排布2的電纜周圍最大磁通密度模值在總體上小于排布1，因此在實際敷設中電纜應按照排布2的形式進行排列才能將磁場降至最低。

當確定電纜排布形式后，在實際敷設中還需解決另一個棘手問題，即：為了不使鋼結構被磁化造成艦船磁場增強，需確定中壓直流單芯電纜與周圍鋼結構的最小間距。

鐵磁材料的原始磁化曲線如圖12所示，鐵磁材料的原始磁化曲線可大致分為4個階段[4]：

圖12 原始磁化曲線

(1) 甲段：當外磁場較小時，磁化強度M隨外磁場H的增加而緩慢增長，若將外磁場去掉，則磁化強度可恢復到零，即此時的磁化是可逆的，此段也叫初始磁化階段。

(2) 乙段: 當外磁場較大但還不是很大時，磁化強度M隨外磁場H的增加而激烈上升，在減小H時，M不沿原來的路線而沿另一條路線下降，即磁化是不可逆的。

(3) 丙段：當H很大時，M的上升速度變緩，此段也有不可逆現象。

(4) 丁段: 當M充分大時，M基本不變，趨于飽和。

地球磁場的磁場強度范圍在0.28～0.71 Oe，對于常用的造船鋼材來說屬于弱磁場，其對艦船的磁化處于磁化曲線的初始磁化階段(甲段)，屬于可逆磁化。對于鐵磁物質來說，只有外部磁場小于甲段的最大值才能保證材料不會被“真正”磁化。

幾種艦船常用鋼材的磁化曲線如圖13[5]所示，其中A類為普通碳素鋼，C類為應用于造船的特殊碳素鋼。可以大致看出，當外部磁場強度小于1 Oe時，對材料的磁化可逆。

圖13 鋼材磁化曲線

根據仿真計算，初步取排布2的電纜周圍300 mm處的最大磁通密度模值如表3 所示。

表3 排布2電纜周圍(上下左右)300 mm處最大磁通密度模值 μT

通過換算可以得到排布2的周圍300 mm處的最大磁場強度模值如表4所示。

表4 排布2電纜周圍(上下左右)300 mm處 最大磁場強度模值 Oe

從表4可知，中壓直流電纜在采用排布2形式時，磁場相互抵消效果明顯，電纜周圍300 mm處的磁場強度遠小于鋼材磁化曲線甲段的最大值，說明其對于鋼材的磁化可逆。

仿真分析發現,電纜周圍300 mm處的磁場強度對鋼材的磁化影響較小，甚至電纜與鋼結構的間距更近也不會造成鋼結構固定磁場的增強，但是考慮到中壓電纜的電氣間隙、爬電距離和標準一致性等因素，仍然推薦將300 mm作為中壓直流電纜托架與船體鋼結構的最小距離。

2 結 語

中壓直流單芯電纜作為綜合電力系統的重要組成部分，在艦船上的應用沒有經驗可以借鑒。通過仿真計算，確定了降低電纜磁場強度效果最優的電纜排布形式和電纜敷設時與船體結構的最小間距要求，將中壓直流單芯電纜上艦敷設對艦船磁隱身性能的影響降至最低。由于水平所限，仿真所設條件與實船存在一定差異，因此更多的問題還需在實際項目中進一步驗證。