船用中压直流单芯电缆集聚敷设磁场分析

郭彦军，陶江平，吴非寅，王 波

(上海船舶工艺研究所，上海 200240)

0 引 言

近年来，以马伟明院士为代表的科研团队研发出了我国新一代综合电力系统，不同于其他国家使用的中压交流综合电力系统，该系统采用中压直流配电技术，受限于舰船敷设空间和出于施工便利性的考虑，供电电缆首次采取多根船用中压直流单芯电缆并联集聚敷设的方式。

电缆中的导体通电会产生磁场，单根电缆周围的最大磁场强度根据负载电流的大小而不同，范围为几奥斯特到几十奥斯特[1-2]。电缆磁场强度与舰船磁场隐身性能密切相关，电缆磁场可能会磁化周围的钢结构，造成舰船磁场增强。对于没有实际上舰应用的中压直流单芯电缆来说，通过仿真计算其周围磁场的强度和分布，研究降低电缆敷设对舰船磁场隐身性能影响的具体措施是切实可行的，对于中压直流单芯电缆的正式上舰敷设有重要的指导意义。

1 电缆集聚敷设磁场仿真及分析

1.1 电缆集聚敷设磁场仿真

多芯电缆各相导体在空间上结构对称，在运行时产生的磁场可相互抵消，对周围环境电磁场的影响较小。对于单芯电缆来说，敷设时应尽可能对称排布，使多回路集聚敷设的电缆整体对外磁场最小。根据规范[3]要求，在多回路单芯直流电缆敷设时，根据回路数量的不同，推荐的排布方式如图1所示。

图1 直流单芯电缆推荐排布方式

规范对于超过4个回路的单芯直流电缆如何排布并没有明确的指导。以某型舰船发电机到主配电板的电缆桥架为例，2台发电机额定电流分别为940 A和5 250 A，额定电压为4 kV，选用导体截面积分别为120 mm2和240 mm2的单芯直流电缆，这两种规格的电缆在额定温度90 ℃下连续运行时的载流量分别为339 A和522 A，根据计算公式

敷设系数取0.8，最终计算得出2台发电机所需单芯电缆分别为8根导体截面积为120 mm2和26根导体截面积为240 mm2的单芯电缆，这些电缆敷设在有孔钢制电缆桥架上，按照如图2和图3所示的2种不同的排布方式进行仿真计算比较。

图2 排布1

图3 排布2

中压直流单芯电缆的典型结构如图4所示，上述2种常用规格电缆的结构尺寸如表1所示。

图4 中压直流单芯电缆的典型结构

表1 直流单芯电缆结构尺寸

采用COMSOL Multiphysics 有限元仿真软件，根据表1提供的电缆尺寸模型，建立电缆的物理模型，如图5所示。半导电层是由绝缘材料添加炭黑得到的，其导磁性能和电缆绝缘层一致，并不会影响整体磁场分布，因此可将电缆绝缘结构中的半导电层视为绝缘层进行简化计算。

图5 电缆物理模型

进行电磁场计算时所需的主要结构材料属性如表2所示。

表2 主要结构材料属性

通过仿真计算得到2种排布形式下电缆周围的磁通密度分布如图6和图7所示，参考中压电缆托架与其他电缆托架常规敷设间距，分别取2种排布形式下电缆周围(上下左右)300 mm的磁通密度曲线如图8～图11所示。

图6 排布1磁通密度分布图

图7 排布2磁通密度分布图

图8 排布1电缆上方和下方300 mm处磁通密度线图

图9 排布1电缆左侧和右侧300 mm处磁通密度线图

图10 排布2电缆上方和下方300 mm处磁通密度线图

图11 排布2电缆左侧和右侧300 mm处磁通密度线图

1.2 仿真结果分析

对比电缆束周围(上下左右)的磁通密度线图发现，排布2的电缆周围最大磁通密度模值在总体上小于排布1，因此在实际敷设中电缆应按照排布2的形式进行排列才能将磁场降至最低。

当确定电缆排布形式后，在实际敷设中还需解决另一个棘手问题，即：为了不使钢结构被磁化造成舰船磁场增强，需确定中压直流单芯电缆与周围钢结构的最小间距。

铁磁材料的原始磁化曲线如图12所示，铁磁材料的原始磁化曲线可大致分为4个阶段[4]：

图12 原始磁化曲线

(1) 甲段：当外磁场较小时，磁化强度M随外磁场H的增加而缓慢增长，若将外磁场去掉，则磁化强度可恢复到零，即此时的磁化是可逆的，此段也叫初始磁化阶段。

(2) 乙段: 当外磁场较大但还不是很大时，磁化强度M随外磁场H的增加而激烈上升，在减小H时，M不沿原来的路线而沿另一条路线下降，即磁化是不可逆的。

(3) 丙段：当H很大时，M的上升速度变缓，此段也有不可逆现象。

(4) 丁段: 当M充分大时，M基本不变，趋于饱和。

地球磁场的磁场强度范围在0.28～0.71 Oe，对于常用的造船钢材来说属于弱磁场，其对舰船的磁化处于磁化曲线的初始磁化阶段(甲段)，属于可逆磁化。对于铁磁物质来说，只有外部磁场小于甲段的最大值才能保证材料不会被“真正”磁化。

几种舰船常用钢材的磁化曲线如图13[5]所示，其中A类为普通碳素钢，C类为应用于造船的特殊碳素钢。可以大致看出，当外部磁场强度小于1 Oe时，对材料的磁化可逆。

图13 钢材磁化曲线

根据仿真计算，初步取排布2的电缆周围300 mm处的最大磁通密度模值如表3 所示。

表3 排布2电缆周围(上下左右)300 mm处最大磁通密度模值 μT

通过换算可以得到排布2的周围300 mm处的最大磁场强度模值如表4所示。

表4 排布2电缆周围(上下左右)300 mm处 最大磁场强度模值 Oe

从表4可知，中压直流电缆在采用排布2形式时，磁场相互抵消效果明显，电缆周围300 mm处的磁场强度远小于钢材磁化曲线甲段的最大值，说明其对于钢材的磁化可逆。

仿真分析发现,电缆周围300 mm处的磁场强度对钢材的磁化影响较小，甚至电缆与钢结构的间距更近也不会造成钢结构固定磁场的增强，但是考虑到中压电缆的电气间隙、爬电距离和标准一致性等因素，仍然推荐将300 mm作为中压直流电缆托架与船体钢结构的最小距离。

2 结 语

中压直流单芯电缆作为综合电力系统的重要组成部分，在舰船上的应用没有经验可以借鉴。通过仿真计算，确定了降低电缆磁场强度效果最优的电缆排布形式和电缆敷设时与船体结构的最小间距要求，将中压直流单芯电缆上舰敷设对舰船磁隐身性能的影响降至最低。由于水平所限，仿真所设条件与实船存在一定差异，因此更多的问题还需在实际项目中进一步验证。