黃海倫

應(yīng)用研究

船舶中壓直流電纜排布方式對(duì)磁特性影響

黃海倫

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心上海分部，上海 201108）

基于Biot-Savart定律，結(jié)合電纜實(shí)際敷設(shè)狀態(tài)，分析2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態(tài)下產(chǎn)生的磁場特征，確定對(duì)應(yīng)最優(yōu)排布方式，進(jìn)而研究得到更多對(duì)中壓直流電纜的優(yōu)化排布方式。應(yīng)用結(jié)果表明，該排布方式可有效減輕中壓直流電纜在通電狀態(tài)下對(duì)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(tǒng)以中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為典型特征，具有對(duì)原動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要求低、消除原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和母線頻率之間的相互影響、降低設(shè)備的噪聲振動(dòng)水平以及減輕電纜重量等優(yōu)點(diǎn)，是艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1, 2]。中壓直流電網(wǎng)具有更高的功率密度，其輸配電網(wǎng)絡(luò)直流電壓可以采用±3 000～±10 000 V范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電壓[3]。為保證此電網(wǎng)中電能的有效傳輸，綜合電力系統(tǒng)中也需相應(yīng)采用中壓直流電力電纜。由于綜合電力系統(tǒng)中配置了大功率的中壓整流發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)電機(jī)和推進(jìn)變頻器等設(shè)備，中壓直流電纜中的傳輸電流可達(dá)到數(shù)千安培，遠(yuǎn)大于采用傳統(tǒng)動(dòng)力和電力系統(tǒng)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(chǎn)生的磁場將不可避免地對(duì)船舶產(chǎn)生影響。目前世界各國水雷的磁引信，均按船舶的磁特性進(jìn)行設(shè)計(jì)[4, 5]。因此，降低中壓直流電纜在通電時(shí)產(chǎn)生的磁場，減輕對(duì)船舶磁特性的影響，可有效減少水雷磁引信動(dòng)作的發(fā)生。而對(duì)直流電纜進(jìn)行合理排布，是達(dá)成這一目的的便捷手段。

目前對(duì)電纜排布的研究主要集中在交流電纜[6-9]，對(duì)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(chǔ)上，結(jié)合中壓直流電纜實(shí)際敷設(shè)狀態(tài)，分析了2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態(tài)下產(chǎn)生的磁場特征，進(jìn)而得到更多對(duì)中壓直流電纜的優(yōu)化排布方式，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際，對(duì)其效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 直流電纜磁場理論

如圖1所示，從C點(diǎn)到D點(diǎn)有一段長直導(dǎo)線，其上有穩(wěn)恒電流沿著軸正方向流動(dòng)。根據(jù)電磁場Biot-Savart定律[10]，其中一小段電流元d在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

而整段電流在P 點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

因?yàn)??rcotθ，=r/sinθ,且d=rdθ/sin2θ，可得

當(dāng)長直導(dǎo)線趨于無限長時(shí)，有θ1→0，θ2→π，可得到無限長載流長直導(dǎo)線的磁場為：

上述導(dǎo)線CD在周圍空間產(chǎn)生的磁場在導(dǎo)線垂面上的分布如圖2所示。

其磁場方向可用安培定則進(jìn)行判斷[10]，即用右手握住導(dǎo)線（導(dǎo)體或電流）使大拇指的指向?yàn)殡娏鞯牧飨颍娏鲝恼龢O到負(fù)極，大拇指指向負(fù)極），此時(shí)四指環(huán)繞的方向就是磁場的方向。

直流電的磁場方向不變，故當(dāng)兩根相同大小、電流方向相反的直流電纜放在一起時(shí)，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(duì)象，其標(biāo)稱截面為1′240（mm2），外徑45 mm，由導(dǎo)體、屏蔽層、絕緣層和外護(hù)套組成，均為無磁材料，對(duì)電纜產(chǎn)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(shù)值模型，對(duì)2根、4根、6根和8根電纜排布產(chǎn)生的磁場進(jìn)行研究。

計(jì)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(fù)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(lián)，電流在每根電纜中均勻分配；

6）磁場評(píng)估位置：電纜束中心下方11.8 m設(shè)立縱向和橫向兩條磁場評(píng)估線。

（1）2根電纜排布

磁場評(píng)估位置如下圖所示。

圖3 電纜磁場評(píng)估線

建立2根直流電纜的數(shù)值模型，計(jì)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(yīng)強(qiáng)度的縱向、橫向和垂向分量。

根據(jù)消磁的理論和工程實(shí)踐，僅需對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)評(píng)估線上磁場幅值為4.1 nT，幅值點(diǎn)在兩條線的中點(diǎn)，呈中間大兩邊小的趨勢。排布2時(shí)評(píng)估線上的磁場幅值為4.1nT，出現(xiàn)在橫向評(píng)估線中部，而縱向評(píng)估線為0。綜合可見，排布2產(chǎn)生的磁場更小。

（2）4根電纜排布

此時(shí)，正、負(fù)向每根電纜通過的電流為200 A。

建立4根直流電纜的數(shù)值模型，計(jì)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(shí)兩條評(píng)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(shí)評(píng)估線上磁場幅值為0.024 nT，不到排布1的1%，出現(xiàn)在兩條評(píng)估線的中心位置。可見，排布2對(duì)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(píng)估6根電纜磁場時(shí)，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(shí)，正、負(fù)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(shù)值模型，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

表1 6根電纜磁場

可見，排布方式2產(chǎn)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(yuǎn)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(chǎn)生磁場最小的排布方式進(jìn)行組合。此時(shí)，正、負(fù)向每根電纜通過的電流為100A。

建立8根直流電纜的數(shù)值模型，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

表2 8根電纜磁場

可見，排布方式2產(chǎn)生的磁場幅值僅為方式1的1.2%，降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)以上分析，2、4、6和8根直流電纜排布時(shí)，分別采用以下排布方式：

所產(chǎn)生的磁場是相同根數(shù)電纜排布中最小的。

因此，當(dāng)直流電纜根數(shù)為8的整數(shù)倍（n）時(shí)，直接采用上述第4種排布方式作組合，即8×n模式；當(dāng)電纜根數(shù)超過8而非8的倍數(shù)時(shí)，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(yīng)用案例

模擬某船采用中壓直流電力系統(tǒng)，其主干網(wǎng)為中壓直流電網(wǎng)。如采用上述1′240（mm2）直流電纜組網(wǎng)，考慮實(shí)際敷設(shè)環(huán)境，需正、負(fù)極各13根（共26根）電纜并排敷設(shè)，每根電纜中電流為400 A。

根據(jù)上節(jié)研究，26根電纜采用如下排布方式：經(jīng)仿真，在船體下方某指定平面上，該束直流電纜產(chǎn)生的磁場幅值僅為6.9 nT，與全船磁場幅值不在一個(gè)量級(jí)，幾乎可忽略不計(jì)。

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(dá)到降低大電流直流電纜磁場的效果。

4 結(jié)語

本文以通用電磁場仿真軟件為工具，結(jié)合中壓直流電纜實(shí)際敷設(shè)狀態(tài)，對(duì)中壓直流電纜的排布方式進(jìn)行了研究。通過對(duì)2～8根單芯中壓直流電纜多種排布在通電狀態(tài)下的磁場特征進(jìn)行分析，確定對(duì)應(yīng)的最優(yōu)排布方式，進(jìn)而得到更多對(duì)中壓直流電纜的優(yōu)化排布方式。工程應(yīng)用表明，通過該排布方式，中壓直流電纜在通電狀態(tài)下產(chǎn)生的磁場對(duì)船舶影響可忽略不計(jì)。而且，該方式可以方便地應(yīng)用于工程實(shí)際，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛, 等. 我國艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 中國艦船研究，2016，11（1）：72-79.

[2] 朱鴻. 船舶中壓直流電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用分析[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2017，40（4）：77-80.

[3] DOERRY N. Next generation integrated power system：NGIPS technology development roadmap[R]. Naval Sea Systems Command，2007.

[4] 肖昌漢. 鐵磁學(xué)[M]. 北京：海潮出版社，1999：112-116.

[5] 劉大明. 艦船消磁理論與方法[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2011：65-68.

[6] 梁永春, 孟凡鳳, 王正剛, 等. 電纜群鄰近效應(yīng)的計(jì)算和優(yōu)化排列[J]. 電工電能新技術(shù), 2006, 25(2): 39-41.

[7] 王征, 黃成濤. 單芯電纜電壓降計(jì)算及其排列方式優(yōu)化[J]. 船舶工程, 2017, 39(9): 31-34.

[8] 楊健銳. 多回任意排列電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓計(jì)算[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2018, 30: 33-34.

[9] 王貴寧, 杜林. 電力排管敷設(shè)35 kV電纜的優(yōu)化排列[J]. 機(jī)電信息, 2020, 630(24): 14-15.

[10] 趙凱華，陳熙謀. 電磁學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2003：45-49.

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