船舶中压直流电缆排布方式对磁特性影响

黄海伦

应用研究

船舶中压直流电缆排布方式对磁特性影响

黄海伦

（中国舰船研究设计中心上海分部，上海 201108）

基于Biot-Savart定律，结合电缆实际敷设状态，分析2～8根单芯中压直流电缆多种排布在通电状态下产生的磁场特征，确定对应最优排布方式，进而研究得到更多对中压直流电缆的优化排布方式。应用结果表明，该排布方式可有效减轻中压直流电缆在通电状态下对船舶磁特性的影响。

中压直流 电缆 电磁场 排布

0 引言

舰船中压直流综合电力系统以中压直流电网结构为典型特征，具有对原动机的调速性能要求低、消除原动机转速和母线频率之间的相互影响、降低设备的噪声振动水平以及减轻电缆重量等优点，是舰船综合电力系统的发展方向[1, 2]。中压直流电网具有更高的功率密度，其输配电网络直流电压可以采用±3 000～±10 000 V范围内的标准电压[3]。为保证此电网中电能的有效传输，综合电力系统中也需相应采用中压直流电力电缆。由于综合电力系统中配置了大功率的中压整流发电机组、推进电机和推进变频器等设备，中压直流电缆中的传输电流可达到数千安培，远大于采用传统动力和电力系统的舰船中的直流传输容量。

中压电缆中通过如此大的直流电流，所产生的磁场将不可避免地对船舶产生影响。目前世界各国水雷的磁引信，均按船舶的磁特性进行设计[4, 5]。因此，降低中压直流电缆在通电时产生的磁场，减轻对船舶磁特性的影响，可有效减少水雷磁引信动作的发生。而对直流电缆进行合理排布，是达成这一目的的便捷手段。

目前对电缆排布的研究主要集中在交流电缆[6-9]，对直流电缆的排布提及较少。本文在直流电缆磁场理论的基础上，结合中压直流电缆实际敷设状态，分析了2～8根单芯中压直流电缆多种排布在通电状态下产生的磁场特征，进而得到更多对中压直流电缆的优化排布方式，并将其应用于工程实际，对其效果进行验证分析。

1 直流电缆磁场理论

如图1所示，从C点到D点有一段长直导线，其上有稳恒电流沿着轴正方向流动。根据电磁场Biot-Savart定律[10]，其中一小段电流元d在P点产生的磁感应强度为：

而整段电流在P 点产生的磁感应强度为：

因为=−rcotθ，=r/sinθ,且d=rdθ/sin2θ，可得

当长直导线趋于无限长时，有θ1→0，θ2→π，可得到无限长载流长直导线的磁场为：

上述导线CD在周围空间产生的磁场在导线垂面上的分布如图2所示。

其磁场方向可用安培定则进行判断[10]，即用右手握住导线（导体或电流）使大拇指的指向为电流的流向（电流从正极到负极，大拇指指向负极），此时四指环绕的方向就是磁场的方向。

直流电的磁场方向不变，故当两根相同大小、电流方向相反的直流电缆放在一起时，两根电缆之间的磁场可以相互抵消。

2 中压直流电缆排布方式分析

选用某型船用单芯中压直流电缆作为研究对象，其标称截面为1´240（mm2），外径45 mm，由导体、屏蔽层、绝缘层和外护套组成，均为无磁材料，对电缆产生的磁场无影响。

采用通用电磁场仿真软件Flux，建立直流电缆的磁场数值模型，对2根、4根、6根和8根电缆排布产生的磁场进行研究。

计算条件如下：

1）电缆长度4 m；

2）相邻电缆紧靠在一起；

3）正、负单向通电总电流400 A；

4）电缆周围无任何磁性材料；

5）若为多根电缆并联，电流在每根电缆中均匀分配；

6）磁场评估位置：电缆束中心下方11.8 m设立纵向和横向两条磁场评估线。

（1）2根电缆排布

磁场评估位置如下图所示。

图3 电缆磁场评估线

建立2根直流电缆的数值模型，计算得到的磁场分布如图4～图7所示。其中，和分别表示磁感应强度的纵向、横向和垂向分量。

根据消磁的理论和工程实践，仅需对磁感应强度的垂直分量展开分析。

图4 2根电缆排布1纵向磁场分布

图5 2根电缆排布1横向磁场分布

图6 2根电缆排布2纵向磁场分布

由图4～图7可见，排布1时评估线上磁场幅值为4.1 nT，幅值点在两条线的中点，呈中间大两边小的趋势。排布2时评估线上的磁场幅值为4.1nT，出现在横向评估线中部，而纵向评估线为0。综合可见，排布2产生的磁场更小。

（2）4根电缆排布

此时，正、负向每根电缆通过的电流为200 A。

建立4根直流电缆的数值模型，计算得到的磁场分布如图8～图11所示。

由图8～图11可见，排布1时两条评估线上的磁场幅值为4.1 nT，磁场曲线与2根电缆排布1相似（中间大两边小）。排布2时评估线上磁场幅值为0.024 nT，不到排布1的1%，出现在两条评估线的中心位置。可见，排布2对抵消电缆磁场的效果非常明显。

图8 4根电缆排布1纵向磁场分布

图9 4根电缆排布1横向磁场分布

图10 4根电缆排布2纵向磁场分布

图11 4根电缆排布2横向磁场分布

因此，在评估6根电缆磁场时，采用4根电缆排布2叠加一组2根电缆的排布方式。

（3）6根电缆排布

此时，正、负向每根电缆通过的电流约为133.3 A。

建立6根直流电缆的数值模型，计算结果如下表所示。

表1 6根电缆磁场

可见，排布方式2产生的磁场幅值较方式1减小约30%，有一定的磁场抑制效果。但磁场降低程度远不如4根直流电缆排布2的方式，说明6根直流电缆的磁场抵消效果欠佳。

（4）8根电缆排布

这两种排布采用4根直流电缆产生磁场最小的排布方式进行组合。此时，正、负向每根电缆通过的电流为100A。

建立8根直流电缆的数值模型，计算结果如下表所示。

表2 8根电缆磁场

可见，排布方式2产生的磁场幅值仅为方式1的1.2%，降低两个数量级。

根据以上分析，2、4、6和8根直流电缆排布时，分别采用以下排布方式：

所产生的磁场是相同根数电缆排布中最小的。

因此，当直流电缆根数为8的整数倍（n）时，直接采用上述第4种排布方式作组合，即8×n模式；当电缆根数超过8而非8的倍数时，采用第4种排布方式与前3种方式的组合，可以得到比较好的降低磁场效果，即：

3 应用案例

模拟某船采用中压直流电力系统，其主干网为中压直流电网。如采用上述1´240（mm2）直流电缆组网，考虑实际敷设环境，需正、负极各13根（共26根）电缆并排敷设，每根电缆中电流为400 A。

根据上节研究，26根电缆采用如下排布方式：经仿真，在船体下方某指定平面上，该束直流电缆产生的磁场幅值仅为6.9 nT，与全船磁场幅值不在一个量级，几乎可忽略不计。

图12 26根电缆排布

因此，通过上述直流电缆的排布组合方式，完全可以达到降低大电流直流电缆磁场的效果。

4 结语

本文以通用电磁场仿真软件为工具，结合中压直流电缆实际敷设状态，对中压直流电缆的排布方式进行了研究。通过对2～8根单芯中压直流电缆多种排布在通电状态下的磁场特征进行分析，确定对应的最优排布方式，进而得到更多对中压直流电缆的优化排布方式。工程应用表明，通过该排布方式，中压直流电缆在通电状态下产生的磁场对船舶影响可忽略不计。而且，该方式可以方便地应用于工程实际，具有较高的实用价值。

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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

黄海伦（1978-），男，博士，工程师。研究方向：船舶电气。E-mail: hailun78@hotmail.com