船舶和海洋工程变频装置用中压电缆的研制

陈翠香，陆云春

(江苏远洋东泽电缆股份有限公司，江苏 扬州 225129)

0 引言

目前，各大船级社在船舶建造规范中对高压装置的要求都比较笼统，但把标称系统相间电压超过1000 V的称为高压。本文考虑到行业内的习惯，把相间电压超过1000 V、不大于17500 V的船舶和海洋工程中使用的电缆称为中压电缆。

随着电力电子技术的迅速发展，船舶电力系统中已经越来越多地采用电力电子设备。电力电子技术的主要内容是采用电力半导体器件进行电力变换和控制。近几年来，将可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、双极晶体管(IGBT)及脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PWM)等技术应用到船舶电力系统，使得船用变频器的功率做得很大。将大容量的电力电子设备应用于船电系统，这是科技进步的表现，是大势所趋，重要的问题是要解决电磁兼容性问题。目前高电压大功率变频电机已在船舶和海洋工程装备上广泛使用，于是研制国产符合EMC要求的中压电缆，越来越迫切。国际电工委员会(IEC)等国际机构及各大船级社都已提出相应的标准及规范，对高次谐波进行管理和控制，采用符合EMC要求的电缆，是抑制和减少谐波危害的重要措施。现将研制船舶和海洋工程变频装置用中压电缆的相关问题，简述如下。

1 主要技术性能

根据EMC标准，结合对实际使用中大量数据的研究，确立船舶和海洋工程变频专用中压电缆产品的技术性能如下:

(1)表面传输阻抗:在10 MHz时表面传输阻抗不大于50 mΩ/m。

(2)理想屏蔽系数:电缆总干扰电压为50 mV时的理想屏蔽系数不大于0.6。

(3)总屏蔽抑制系数:电缆的总屏蔽抑制系数不大于 0.05。

(4)阻燃性能:电缆需能通过IEC 60332-3-22规定的A类成束阻燃。

(5)弯曲半径:成品电缆最小弯曲半径不小于9倍的电缆最大直径。

(6)低烟性能:电缆需具有IEC 60092-350规定的低烟性能，依据IEC 61034试验时透光率不小于60%。

2 产品设计

为了确保产品满足预定的技术性能，经过设计研究，对船舶和海洋工程变频器用中压电缆进行了如下确认设计。

2.1 电缆名称

交联聚乙烯绝缘聚烯烃护套镀锡铜丝编织铠装聚烯烃外护套船舶和海洋工程变频器用中压电缆。

2.2 产品型号

CJPF86/SC-VFD，其中:C表示船舶和海洋工程用电力电缆，J表示交联聚乙烯绝缘，PF表示聚烯烃内护套，8表示镀锡铜丝编织铠装，6表示聚烯烃外护套，SC表示A类成束阻燃低烟无卤，VFD表示符合EMC标准，专用于变频装置。

2.3 产品结构

CJPF86/SC-VFD电缆产品设计为3+3E结构，其剖面如图1所示。

图1 电缆结构

2.4 消除高次谐波影响

因电缆的分布电容对谐波有放大作用，使电缆和船壳的电容过大，造成电缆过电压局部放电，使电缆温度升高，绝缘损坏。为消除这种破坏作用，特将电缆设计成3+3E结构，有效地抑制了高次谐波中的奇次谐波，提高了电缆抗干扰性能;3根接地导体呈互差120°排列，能有效降低高次谐波的影响，降低感应电压不平衡并将共态噪声传回变频传动系统，减弱变频电机噪声，保证设备稳定运行，延长设备使用寿命，满足电磁兼容要求。

2.5 承受多倍系统峰值电压

变频传动系统高次谐波叠加容易使得电缆充电电流增加导致变频传动峰值电压陡然升高，引起系统过电流跳闸。设计中采用比通用交联聚乙烯具有更低的低介电常数的特种交联聚乙烯，从而使电缆的耐压性能更加优越，绝缘层可多次承受3倍变频传动峰值电压，减少因电缆充电电流引起的传动系统过电流跳闸问题，同时也满足了船舶规范对高压电缆进行耐压试验的要求。

2.6 增强屏蔽功能

电磁干扰有传导和辐射2种型式。成缆采用了多层屏蔽结构，形成了100%的屏蔽覆盖率。在使用中将屏蔽导体正确接地，使屏蔽导体与干扰源电容耦合，以消除谐波对外界设备和系统的干扰，也有效地抑制了外界的电磁干扰。

2.7 A类成束阻燃

船舶和海洋工程作业的特殊性要求配套电缆必须满足甚至高于A类成束阻燃的规定。为此从综合角度出发，实现成品阻燃的重点放在护套上，设计的电缆结构中护套材料必须具有高阻燃性，内外护套材料的氧指数均不低于32，同时材料的低烟无卤性能符合IEC 60092-350的规定。

2.8 接地导体的截面

参照IEC 60092-3系列标准和变频器使用中对电缆的要求，接地导体的截面应不小于载流导体的50%。绝缘载流相导体设计符合IEC 60092-350的规定性能，而绝缘接地导体符合IEC 60092-352的规定，接地导体的截面积不小于载流的相导体截面积的一半。二者均为IEC 60228中的Class 5的结构导体，电缆柔软易于安装施工，完全有利于固定敷设和适用于有较大震动的环境。

3 产品试制

根据交联聚乙烯绝缘聚烯烃护套镀锡铜丝编织铠装聚烯烃外护套船舶和海洋工程变频器用中压电缆产品特殊性要求，应有专门的生产工艺指导产品的制造，据此重新设计了产品工艺流程和工艺要求。

3.1 工艺流程

根据设计确认的产品，主要生产工艺流程为:

拉丝→韧炼→镀锡→绞合→3层共挤→线芯交联→线芯耐压→编织绝缘屏蔽→成缆→编织总屏蔽→铝塑复合带绕包屏蔽→挤包内护套→镀锡铜丝编织铠装→挤包外护套→成品检验

3.2 工序工艺关键点

在生产过程中，通过不断总结，逐步掌握了各道工序的工艺要点，保证了产品质量。主要生产工序的工艺要点见表1。

表1 生产工序工艺要点

按照上述设计和工艺制造的电缆，经上百家客户批量使用后，证明各项性能参数都达到了预期的指标，现该产品已申请了国家专利。

［1］IEC 60092 －350，General Construction and Test Methods of Power，Control，and Instrumentation Cables for Shipboard and Offshore Applications(Third edition)［S］.2008.

［2］IEC 60092－354，Single－ and Three－core power cables with Extruded Solid Insulation for Rated Voltage 6 kV(Um=7.2 kV)Up to 18 kV(Um=36 kV)(Second edition)［S］.2003.

［3］IEC 60228，Conductors of Insulated Cables(Third edition)［S］.2004.

［4］IEC 60092 － 352，Choice and Installation of Electrical Cables(Third edition)［S］.2005.

［5］周洋.变频器的谐波干扰与抗干扰［C］//第九届全国船舶及航运技术学术交流会论文集，2004.