关于船用变频电缆的探讨

李永江

（江苏远洋东泽电缆股份有限公司 扬州225129）

关于船用变频电缆的探讨

李永江

（江苏远洋东泽电缆股份有限公司 扬州225129）

变频驱动设备在海洋工程和船舶装备上大量应用，促使配套的变频器专用电缆也快速发展。文章针对船用变频电缆在应用中存在的各种问题，对船用变频电缆的结构、关键性能、电缆敷设等进行了探讨，阐述了各型结构在选型中的优劣、电缆绝缘耐压性能、接地导体和屏蔽性能指标要求，以及电缆敷设中的屏蔽和接地线的接地工艺。

船用变频电缆；结构；关键性能； 接地；探讨

引言

近些年船舶和海洋工程装备上大量采用变频装置，促使与之配套的专用电缆（下称变频电缆）快速发展。笔者曾为此撰写《船用变频电缆解析与敷设》一文，旨在帮助电缆设计者和使用者正确制造和使用电缆［1］。但限于篇幅，问题未能完全阐述。近几年，笔者在工作中经常遇到使用者对电缆选型不当，甚至制造厂家本身推荐电缆不当，以及用户对于安装接线咨询的情况。为此，笔者对船用变频电缆进行更深入的探讨，希望能起到抛砖引玉的作用。

1　电缆结构

目前对于变频电缆结构设计和开发方面的研究已较为丰富，从减少变频电缆运行时与周围环境的相互干扰，增强电缆抗高次谐波，满足电磁兼容，使整个设备机组能够安全稳定工作角度而言，大家已十分明白船用变频电缆应该采用对称结构如3芯或3+3E（E为接地线），而不应采用3+E结构。但问题是对于690 V的变频系统，配套电缆多为0.6/1 kV或1.8/3 kV，即我们俗称的船用低压电缆。这两种电压的变频电缆各个厂家设计的结构是不完全相同的，主要差异表现在屏蔽结构，有的厂家给定的是铜丝编织单芯独立屏蔽，有的是成缆缆芯外整体屏蔽（又分为铜丝编织、金属塑料复合带，以及二者的复合结构）。

对于船用中高压电缆而言，采用线芯单独屏蔽是为了改善电场分布和均化电场，防止轴向放电，将电缆在通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰；同时限制外界电磁场对电缆内部产生影响；低压电力电缆则不需要均化电场，相反单芯屏蔽会造成电缆外径质量剧增。船用变频电缆在运行时作为整体存在与系统和其他设备的相互影响，需要采取整体屏蔽，却不需要单芯独立屏蔽，单芯屏蔽并无意义。实际上变频器设备厂家也不允许采用单芯独立屏蔽结构电缆，例如ABB公司对变频驱动设备用电缆的要求，见图1。

对于结构对称型的各种电缆，变频系统选择的优先程度各不相同，对于图2所列的生产厂家主推的几种结构，选择的优先顺序依次是（a）、（b）、（c）、（d）。

图1 ABB对变频电缆结构要求

图2 各型VFD电缆结构

除（d）型单芯屏蔽电缆不推荐使用外，图2中（c）型电缆也不作推荐，其原因在于变频系统动力电缆规格较大，从接地保护角度而言，如果没有地线则不能满足要求；而采用编织屏蔽作为接地线，实践证明更难以满足接地线截面积不小于主线芯截面积一半的要求。采用此型电缆时需要在电缆外额外敷设一根接地线，既增加施工难度且布线易乱。

（b）型电缆作为传统的“三相四线制”电缆的改进，就结构和性能而言，理论上是完全能满足要求的；但在实践上该型电缆存在严重弊端：一方面，由于中心接地线截面积不小于主线芯截面积的一半，使其周围的3个主线芯各不接触，结构稳定性很差，实在难以保证地线芯处于绝对平衡的中心，如此则会重复普通“三相四线制”电缆的问题；另一方面，因中心接地线的外径大于3个主线芯内切圆的直径，导致（b）型电缆的整体外径和质量均会增大许多，不能满足船舶和海洋工程空间狭小对电缆降低外径和便于敷设拉放的需求。

而作为最优先推荐使用的电缆，（a）型电缆则将绝缘接地线芯三等分，并使之跟3个相导体间隔排列绞合成缆，形成对称的3+3E结构，可使3个绝缘接地线芯的相位一次滞后120°，形成对称平衡的状态。这样电流分量不会形成叠加，从而有效降低高次谐波对变频电缆的不利影响。3根对称排列的绝缘接地线芯可以降低感应电压不平衡并将共态噪声传回传动系统。并且根据结构参数计算，地线芯平均一分为三后，每一部分的绝缘外径将会小于主线芯与其外切圆之间空隙部分所能承受的最大圆直径，不会造成电缆整体外径的增加。成缆缆芯外的整体屏蔽则可以有效降低屏蔽系数，减弱电磁波外泄，增强屏蔽性能，从而消除电缆电磁波对其外部设备的影响。

2　关键性能

由于谐波、电磁干扰、反射波电压、共模电流和相邻电缆的感应电压的原因，船用变频电缆应对此做特殊考虑。基于此的船用电缆关键构件主要包括绝缘性能、接地导体、EMI屏蔽，相应的关键性能是耐压、介电常数、表面传输阻抗等。

2.1 绝缘和耐压性能

绝缘线芯的额定电压必须考虑标称电压和反射电压。比如VFD系统标称电压为690 V，因存在的反射电压高达该电压的2～3倍。因此，为减少早期变频器峰值电压反复冲击击穿的可能，减少电缆充电电流引起的传动系统过电流跳闸问题，电缆的额定电压可以为1.8 kV/3 kV。电缆线芯绝缘厚度的选择应考虑系统切换频率、敷设长度和材料介电常数。尽可能采用介电常数低的绝缘材料以降低反射波峰值电压幅度，使电缆可以长距离敷设，并降低接地系统中感应的高频噪声。建议变频电缆使用介电常数小于3.0的绝缘材料，以降低电缆的电容从而减少共模电流［2］。

2.2 接地导体

大多数变频系统对电缆都有接地要求，通常接地导体的设置见前面结构所述，即接地导体的总规格不小于主线芯截面积的一半。除此之外，接地导体的截面积亦取决于过电流保护器的跳闸设定（电气量）。如电缆平行敷设，接地导体的规格必须增加，以反射过电流保护器较高的跳闸设定（电气量）。

2.3 屏蔽性能

电缆的屏蔽方式主要有铜丝缠绕、铜丝编织、铜带绕包、铜塑复合带+引流线、铝塑复合带+引流线等。铜丝缠绕和铜带绕包会带来弯曲弊端而不适合船用电缆；从屏蔽效能和变频电缆强电用途出发，铝塑复合带+引流线也不建议用于变频电缆。因此变频电缆最终可用的屏蔽材料主要是铜丝编织和铜塑复合带+引流线，而且尽可能两者同时采用，形成100%覆盖率的复合整体屏蔽，避免变频电磁干扰［3-4］。

船用变频电缆整体屏蔽目的是减少电磁干扰散射，屏蔽性能的考核指标主要是表面传输阻抗和屏蔽抑制系数。

表面传输阻抗按照IEC 61196-1标准进行测试，在100 MHz时表面传输阻抗不大于50 mΩ/m。

屏蔽抑制系数测试方法根据上海电缆研究所提出的“高压变电站用屏蔽型控制电缆的屏蔽性能试验方法”进行，即模拟高压变电站开关设备操作过程所产生的暂态过电压，对变频电缆的屏蔽性能进行评定试验。推荐的性能指标不大于0.05。

3　电缆敷设

敷设安装合理是保证船用变频电缆最终良好运行的关键，最主要的是变频电缆的接地连接问题，用户施工人员应予以重视。各变频器厂家一般对变频器的接地要求都有具体规定，电缆制造厂家也会提供相应的建议。变压器、变频器、电机和变频电缆间的典型电路图如图3。电缆连接示意图见图4和图5［5］。

图3 变压器、变频器、电机和变频电缆典型电路图

图5 电缆局部接地示意图

接地时应采用360°连接环将整体屏蔽和接地导体连接接地，由于采用的铜塑复合带+引流线的屏蔽方式中铜塑复合带的金属层很薄，施工时容易断裂造成接地故障。建议施工时避免野蛮施工，将复合带、引流线和编织网扭绞在一起，扭绞时复合带的金属层与引流线和编织网成电气接触，扭绞后整体牢固端接在360°连接环，见图6所示。

图6 连接环连接

4　结　论

综上所述，船用变频电缆已在船舶和海洋工程装备大量应用，但实践操作时在电缆结构、关键性能、选型和施工工艺环节仍存在诸多问题。通过对船用变频电缆进行的针对性探讨，得出以下结论：

（1）船用变频电缆的结构应尽可能避免单芯屏蔽，而采用3+3E整体屏蔽对称结构。

（2）耐压、屏蔽性能、接地导体规格等对船用变频电缆具有重要影响。

（3）为保证电缆性能最优化，除结构和材料外，应重点关注电缆的接地工艺。

［1］ 李永江，陆云春.船用变频电缆解析与敷设［J］.船舶工程，2009（6）：49-51.

［2］ IEEE 1580. IEEE Recommended Practice for Marine Cable for Use on Shipboard and Fixed or Floating Facilities ［S］. 2010.

［3］ 王晓东，宣天鹏.电缆屏蔽材料的种类及应用［J］.安全与电磁兼容，2015（1）：76-79.

［4］ IEC 60092-350. General Construction and Test Methods of Power， Control， and Instrumentation Cables for Shipboard and Offshore Applications （Fourth Edition） ［S］. 2014.

［5］ Ronald Tessendorf， Hiromi Hosoda， Katsuhiko Fukuma. AC Drive Cable Selection ［J］. Iron & Steel Technology，2009（12）：49-56.

Discussion on shipboard variable frequency cable

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

As the variable frequency drives （VFD） widely used in the marine engineering and marine equipments，the special cable that supports the frequency converter develops rapidly. This paper discusses the problems of shipboard variable frequency cable during the application from the cable confi guration， key performance and cable installation. It also introduces the type selection， the insulation and voltage property， grounding conductor and the demands of shielding performance for the diff erent cable confi gurations， and the process of the shielding and grounding wire during the cable installation.

shipboard variable frequency cable； confi guration； key performance； grounding； discussion

U665.26

A

1001-9855（2016）01-0077-04

2015-06-28；

2015-08-25

李永江（1982-），男，高级工程师，研究方向：船舰和海洋工程用电缆的设计。