船舶中壓直流電纜排布方式對磁特性影響

黃海倫

應用研究

船舶中壓直流電纜排布方式對磁特性影響

黃海倫

（中國艦船研究設計中心上海分部，上海 201108）

基于Biot-Savart定律，結合電纜實際敷設狀態，分析2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態下產生的磁場特征，確定對應最優排布方式，進而研究得到更多對中壓直流電纜的優化排布方式。應用結果表明，該排布方式可有效減輕中壓直流電纜在通電狀態下對船舶磁特性的影響。

中壓直流 電纜 電磁場 排布

0 引言

艦船中壓直流綜合電力系統以中壓直流電網結構為典型特征，具有對原動機的調速性能要求低、消除原動機轉速和母線頻率之間的相互影響、降低設備的噪聲振動水平以及減輕電纜重量等優點，是艦船綜合電力系統的發展方向[1, 2]。中壓直流電網具有更高的功率密度，其輸配電網絡直流電壓可以采用±3 000～±10 000 V范圍內的標準電壓[3]。為保證此電網中電能的有效傳輸，綜合電力系統中也需相應采用中壓直流電力電纜。由于綜合電力系統中配置了大功率的中壓整流發電機組、推進電機和推進變頻器等設備，中壓直流電纜中的傳輸電流可達到數千安培，遠大于采用傳統動力和電力系統的艦船中的直流傳輸容量。

中壓電纜中通過如此大的直流電流，所產生的磁場將不可避免地對船舶產生影響。目前世界各國水雷的磁引信，均按船舶的磁特性進行設計[4, 5]。因此，降低中壓直流電纜在通電時產生的磁場，減輕對船舶磁特性的影響，可有效減少水雷磁引信動作的發生。而對直流電纜進行合理排布，是達成這一目的的便捷手段。

目前對電纜排布的研究主要集中在交流電纜[6-9]，對直流電纜的排布提及較少。本文在直流電纜磁場理論的基礎上，結合中壓直流電纜實際敷設狀態，分析了2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態下產生的磁場特征，進而得到更多對中壓直流電纜的優化排布方式，并將其應用于工程實際，對其效果進行驗證分析。

1 直流電纜磁場理論

如圖1所示，從C點到D點有一段長直導線，其上有穩恒電流沿著軸正方向流動。根據電磁場Biot-Savart定律[10]，其中一小段電流元d在P點產生的磁感應強度為：

而整段電流在P 點產生的磁感應強度為：

因為=?rcotθ，=r/sinθ,且d=rdθ/sin2θ，可得

當長直導線趨于無限長時，有θ1→0，θ2→π，可得到無限長載流長直導線的磁場為：

上述導線CD在周圍空間產生的磁場在導線垂面上的分布如圖2所示。

其磁場方向可用安培定則進行判斷[10]，即用右手握住導線（導體或電流）使大拇指的指向為電流的流向（電流從正極到負極，大拇指指向負極），此時四指環繞的方向就是磁場的方向。

直流電的磁場方向不變，故當兩根相同大小、電流方向相反的直流電纜放在一起時，兩根電纜之間的磁場可以相互抵消。

2 中壓直流電纜排布方式分析

選用某型船用單芯中壓直流電纜作為研究對象，其標稱截面為1′240（mm2），外徑45 mm，由導體、屏蔽層、絕緣層和外護套組成，均為無磁材料，對電纜產生的磁場無影響。

采用通用電磁場仿真軟件Flux，建立直流電纜的磁場數值模型，對2根、4根、6根和8根電纜排布產生的磁場進行研究。

計算條件如下：

1）電纜長度4 m；

2）相鄰電纜緊靠在一起；

3）正、負單向通電總電流400 A；

4）電纜周圍無任何磁性材料；

5）若為多根電纜并聯，電流在每根電纜中均勻分配；

6）磁場評估位置：電纜束中心下方11.8 m設立縱向和橫向兩條磁場評估線。

（1）2根電纜排布

磁場評估位置如下圖所示。

圖3 電纜磁場評估線

建立2根直流電纜的數值模型，計算得到的磁場分布如圖4～圖7所示。其中，和分別表示磁感應強度的縱向、橫向和垂向分量。

根據消磁的理論和工程實踐，僅需對磁感應強度的垂直分量展開分析。

圖4 2根電纜排布1縱向磁場分布

圖5 2根電纜排布1橫向磁場分布

圖6 2根電纜排布2縱向磁場分布

由圖4～圖7可見，排布1時評估線上磁場幅值為4.1 nT，幅值點在兩條線的中點，呈中間大兩邊小的趨勢。排布2時評估線上的磁場幅值為4.1nT，出現在橫向評估線中部，而縱向評估線為0。綜合可見，排布2產生的磁場更小。

（2）4根電纜排布

此時，正、負向每根電纜通過的電流為200 A。

建立4根直流電纜的數值模型，計算得到的磁場分布如圖8～圖11所示。

由圖8～圖11可見，排布1時兩條評估線上的磁場幅值為4.1 nT，磁場曲線與2根電纜排布1相似（中間大兩邊小）。排布2時評估線上磁場幅值為0.024 nT，不到排布1的1%，出現在兩條評估線的中心位置。可見，排布2對抵消電纜磁場的效果非常明顯。

圖8 4根電纜排布1縱向磁場分布

圖9 4根電纜排布1橫向磁場分布

圖10 4根電纜排布2縱向磁場分布

圖11 4根電纜排布2橫向磁場分布

因此，在評估6根電纜磁場時，采用4根電纜排布2疊加一組2根電纜的排布方式。

（3）6根電纜排布

此時，正、負向每根電纜通過的電流約為133.3 A。

建立6根直流電纜的數值模型，計算結果如下表所示。

表1 6根電纜磁場

可見，排布方式2產生的磁場幅值較方式1減小約30%，有一定的磁場抑制效果。但磁場降低程度遠不如4根直流電纜排布2的方式，說明6根直流電纜的磁場抵消效果欠佳。

（4）8根電纜排布

這兩種排布采用4根直流電纜產生磁場最小的排布方式進行組合。此時，正、負向每根電纜通過的電流為100A。

建立8根直流電纜的數值模型，計算結果如下表所示。

表2 8根電纜磁場

可見，排布方式2產生的磁場幅值僅為方式1的1.2%，降低兩個數量級。

根據以上分析，2、4、6和8根直流電纜排布時，分別采用以下排布方式：

所產生的磁場是相同根數電纜排布中最小的。

因此，當直流電纜根數為8的整數倍（n）時，直接采用上述第4種排布方式作組合，即8×n模式；當電纜根數超過8而非8的倍數時，采用第4種排布方式與前3種方式的組合，可以得到比較好的降低磁場效果，即：

3 應用案例

模擬某船采用中壓直流電力系統，其主干網為中壓直流電網。如采用上述1′240（mm2）直流電纜組網，考慮實際敷設環境，需正、負極各13根（共26根）電纜并排敷設，每根電纜中電流為400 A。

根據上節研究，26根電纜采用如下排布方式：經仿真，在船體下方某指定平面上，該束直流電纜產生的磁場幅值僅為6.9 nT，與全船磁場幅值不在一個量級，幾乎可忽略不計。

圖12 26根電纜排布

因此，通過上述直流電纜的排布組合方式，完全可以達到降低大電流直流電纜磁場的效果。

4 結語

本文以通用電磁場仿真軟件為工具，結合中壓直流電纜實際敷設狀態，對中壓直流電纜的排布方式進行了研究。通過對2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態下的磁場特征進行分析，確定對應的最優排布方式，進而得到更多對中壓直流電纜的優化排布方式。工程應用表明，通過該排布方式，中壓直流電纜在通電狀態下產生的磁場對船舶影響可忽略不計。而且，該方式可以方便地應用于工程實際，具有較高的實用價值。

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The influence of the layout of medium voltage DC cables on magnetic characteristics in ships

Huang Hailun

(Shanghai Division, China Ship Development and Design Center, Shanghai 201108, China)

TM247

A

1003-4862（2023）12-0012-04

2023-10-05

黃海倫（1978-），男，博士，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: hailun78@hotmail.com