海洋平台用电力电缆选用原则与方法

2010-07-03李永江陆云春孙勇

船电技术 2010年3期

李永江陆云春孙勇

（江苏远洋东泽电缆集团有限公司，江苏扬州 225129）

1 引言

在海洋平台电力系统中，电力电缆选用合适与否是关系到平台电站及电网能否安全运行的一项重要因素。海洋平台用电力电缆的选择需综合考虑电缆的敷设环境、用电设备系统及工作条件、额定电压与工作载流量、校正系数、设计裕度和线路允许电压降等。所选电缆不但需要满足国际电工委员会（IEC）相关标准、技术规格书要求的其他标准（如NEK 606 和IEEE1580）等，同时需满足相关的船级社的要求。本文引用考虑了海洋平台经常入级的ABS和DNV规范要求。

2 海洋平台用一般电力电缆的选择

海洋平台用一般电力电缆的选择需要根据使用环境、系统条件等确定电缆的绝缘、护套、编织等，从而确定电缆型号；根据设备系统要求的电流、修正系数、工作制、敷设情况以及允许的电压降确定导体截面和电缆芯数，进而确定电缆规格。一般可按照下列程序进行选择。

绝缘材料允许的导体最高工作温度应比电缆敷设安装场合可能出现的最高环境温度至少高10℃以上。目前使用最多的绝缘材料是乙丙橡胶和交联聚乙烯，二者均有着较高的耐温等级。同时乙丙橡胶更柔软，并有着良好的电气绝缘性能，适合用于软电缆。

交联聚乙烯不但电气绝缘性能优异, 而且密度小，机械性能优越，具有耐老化，抗龟裂性，同样结构同等规格的电缆采用交联聚乙烯绝缘会使得电缆外径更小，重量更轻，适合敷设空间较小时采用。

各种绝缘材料允许的导体最高额定工作温度见表1。

2.1 绝缘材料选择

表1 绝缘材料类型、名称及导体正常运行和短路的最高额定温度

2.2 护套材料和编织铠装材料的选择

2.2.1 护套材料选择

2.2.1.1 敷设环境考虑

a）固定敷设在露天甲板、浴室、货舱、冷藏舱、机舱和常有冷凝水或油污等蒸汽处所的电缆应具有不渗透性护套，如氯丁橡胶、聚烯烃等。护套的性质应能满足敷设环境条件的要求。

b）由于海洋平台的特殊作业环境，电缆一般需具备较高的阻燃特性，满足IEC 60332-3-22描述的A类成束阻燃。对于敷设路径通过灭火站、应急消防泵、油舱管路等防火区域的电缆或需要在失火状况下维持工作的设备用电缆均应为耐火电缆，须通过 IEC 60331-21(电缆外径不大于 20 mm 时)或 IEC 60331-31(电缆外径超过 20 mm时)。

c）在选择不同类型的护套时应着重考虑每根电缆的敷设或使用时可能受到的机械外力等。如果护套的机械强度不够则电缆应敷设的管子或电缆槽内或采取支撑等防护措施。

d）从环境保护和人身、设备安全角度出发一般尽量选用低烟无卤电缆，避免火灾情况下造成二次伤害。特殊情况下如无法选择无卤护套材料，也应尽量选择低烟低卤材料。

2.2.1.2 从系统要求角度考虑

a）对于大功率回路、主干动力电缆和主要用电设备馈线宜选用氯丁橡胶、或聚烯烃材料。

b）对于低压24V系统或小功率控制回路用电缆可选择成品外径小、重量轻的聚烯烃护套。

2.2.2 铠装材料选择

根据IEC60092-350：2008描述，船舶和海洋平台用电缆的编织铠装主要有铜丝、镀锡铜丝、铜合金丝和镀锌钢丝，最常用的是镀锡铜丝和镀锌钢丝。其中对于单芯铠装型电缆应选用镀锡铜丝；对于强调机械保护性能的电缆，需采用镀锌钢丝；对于既有屏蔽要求又有机械强度保护要求的电缆需采用镀锡铜丝；对于传输控制、报警以及安全系统的电缆应选用镀锡铜丝编织铠装。

2.3 导体的选择

2.3.1 导体结构选择

电缆的柔软程度主要与导体的结构有关，依据IEC 60228：2004导体正常分为4类，即实芯导体、2类通用绞合导体、5类软结构绞合导体和6类特软结构导体。海洋平台用电力电缆采用的都是后面3类导体，不用实芯导体。

固定敷设安装的电缆通常采用 2类绞合导体；某些设备如手提灯，接岸电的电缆等，则应采用软结构5类导体；而频繁移动且使用中多发生回转的用电设备，应选用特软结构的6类绞合导体电缆。

2.3.2 电缆芯数选择

三相电路，每根电缆应为3芯或3+E；单相交流或双线直流用电缆应为2芯或2+E；进入蓄电池室的电池连接线及配电板内部接线应尽量选择单芯电缆。对于穿越甲板或舱壁的多芯电缆，应考虑备用线芯数。具体的备用芯线数参见表2。

表2 多芯电缆备选线芯

2.3.3 导体截面积的确定

电缆导体截面的选择应根据用电设备额定电流、工作制、环境温度、敷设情况以及允许的线路电压降等因素来完成。所选电缆的额定电流值不应小于此电缆所在电路的总负载电流值。计算修正后的载流量时，应将连续运行方式载流量乘以相关的修正系数。

2.3.3.1 电缆负载电流估算

根据设备情况，采用公式（1）计算电缆需要的负载电流：

其中，Ii为第i条分路电气设备额定电流，A；Is为备用回路容量，A；Ki为适当的不同时系数。

2.3.3.2 工作制

不同工作制下电缆的载流量是不同的，电缆的工作制分为连续工作制、短时工作制和重复短时工作制三种。当电缆连续负载持续时间大于 3倍的电缆时间常数T（即临界持续时间3T）时则认为是连续工作制。4芯及4芯以下电缆连续工作制时的额定电流见表 4，其基准环境温度为45℃。此温度通常适用于航行于任何气候条件下的任何船舶中的绝缘电缆。若周围的环境温度非45℃，则电缆的载流量应采用表5的系数进行修正。当电缆的芯数多于4芯时，应将表4中单芯电缆的额定电流乘以表3所列修正系数。

电缆的时间常数是电缆外径的函数，可以通过公式（2）计算得知。

其中，T为电缆的时间常数，min；D为电缆的总外径，mm。

表3 多芯电缆额定电流修正系数

表4 电缆连续工作制的额定电流（环境温度为45℃）

典型的短时工作制有30 min工作制和60 min工作制两种，短时工作制下电缆的载流量用相应的修正系数乘以 45℃环境温度下的连续载流量获得。但短时工作制修正系数仅适用于断电时间大于3倍电缆时间常数的情况下。短时工作制时电缆额定载流的修正系数可按照公式（3）计算获得。

式中：Ki为校正系数；ts为工作时间，min；

T为时间常数，min，（见公式2）。

重复短时工作制也称为间歇工作制，常用的是周期为10 min（其中4 min为恒定负载，6 min为空载），载流量修正系数Kcf按公式（4）计算。

式中：Kcf为修正系数；T为电缆时间常数，min。

若工作制与上述时间不同，则电缆的允许载流Icf按公式（5）计算。

式中：Icf为修正后的电缆允许电流，A；In为电缆额定电流，A；t为工作时间，min；T为电缆时间常数，min。

2.3.3.3 成束电缆敷设修正系数

对于按下列方式之一敷设的电缆，若能保证每束电缆周围冷却空气自由循环，则可以直接采用表4所列的额定载流：

a）不超过 6根的电缆成束敷设在导板上，管道、管子或电缆槽内；

b）超过6根的电缆按下列方式组合：

在任何两组6根的电缆束之间的距离应至少等于最粗的电缆的外径：

或在任何两组3根束集之间的水平及垂直距离应至少等于最粗的电缆的外径：

对于可能以额定负荷同时工作而又紧靠在一起，并且周围没有空气自由循环的6根的电缆束，应采用 0.85的修正系数。当采用 0.85的修正系数时应注意电缆敷设层数，一般每束电缆不宜超过两层。最好是在进行设计时应尽量使得通风良好，避免采用修正系数。

导体最高工作温度不同的绝缘电缆，应避免成束敷设在一起。如必须成束负敷设则束集内所有电缆的载流量取决于额定导体工作温度最低的电缆，并采用相应的修正系数。

2.3.3.4 电压降计算与校核

当电缆在正常工作条件下承载最大电流时，从主配电板或应急配电板的汇流排到任何安装点的电压降应不超过额定电压的 6%；由蓄电池供电，其电压不超过50 V的系统，电压降不应超过额定电压的10%。电压降的计算公式见表6。

2.3.3.5 截面积选择的其它注意点：

表7 短路时间1 s时电缆的允许短路电流

a）电缆的导体应具有足够的机械强度，电力电缆导体额截面积不应小于1 mm2，在危险区域敷设的电力和照明系统的电缆的最小截面积为1.5 mm2。

b）发电机至主配电板或应急配电板的电力电缆，按发电机额定电流的100%选择。

c）直流发电机的均压线，其载流能力应不小于主回路电缆载流能力的50%。

d）为了使电缆得到有效保护，导体截面积的选择应考虑短路电流的机械效应和热效应，尤其是第一个路电流峰值。并且应确保在短路条件下，电缆不超过允许的短路运行最大短路温度。交联聚乙烯和乙丙橡胶绝缘电缆短路1S时的允许短路电流见表7；若短路时间为其它时间（0.2～5 s），则按公式（6）计算最大允许短路电流。