升降系统电缆屏蔽层的感应环流分析

孙 霖

升降系统电缆屏蔽层的感应环流分析

孙 霖

（海装驻武汉地区第八军事代表室，武汉 430000）

通大电流时电力电缆因接线不当或连接松动引起电缆屏蔽层发热，增加升降系统运行风险。本文从电力电缆感应电压来源和电缆屏蔽层发热原因这两个方面进行了分析，提出了通过改变接线方式来减小电缆电流向量和的方法。以此，降低了电缆屏蔽层上的对地感应环流。

电力电缆 金属屏蔽层 接地环流 感应电压

0 引言

升降系统作为自升式平台的关键部分，在平台的设计制造中历来受到高度重视，其工作安全性直接影响到平台的安全和使用效果[1]。自升式平台升降系统越来越多地采用变频器驱动电机实现平台或桩腿的升降，并通过制动电阻吸收平台或桩腿下降时负载的势能，确保平台升降的安全。在平台升降过程中，变频电缆的电流会很大，存在电缆屏蔽层发热的问题。本文结合实际工程应用中出现的典型问题，着重介绍电动升降系统的变频驱动控系统中电力电缆屏蔽层感应电压和接地环流的处理方法。

1 海工平台电力电缆屏蔽层异常发热现象

某自升式平台的升降系统采用的是全电力驱动的电动升降系统，驱动变频器采用的ACS800系列变频器，在平台下降过程中采用制动电阻消耗掉平台下降的能量，制动单元选择的是ACS800系列的三相制动斩波器。制动斩波器与制动电阻间采用三相电力电缆连接，电缆金属屏蔽层采用两端接地，实船接线如图1所示。

实船是采用的6根3×95 mm的电力电缆连接制动斩波器和制动电阻，每一相使用了2根3×95 mm电缆。在调试过程中制动斩波器工作时，制动电阻电缆在变频器柜的接地金属屏蔽网过热冒烟，变频器屏蔽网烧熔，断开电缆金属屏蔽层与变频器屏蔽网后测量电缆金属屏蔽层对地感应电压约为37 V，这严重影响到平台升降系统的安全运行。

2 金属屏蔽层的作用及感应电压的来源

平台上所有的电力电缆选择的都是三相电力电缆带有金属屏蔽层，安装平台的施工工艺和ABB变频器技术手册，都要求变频系统电力电缆屏蔽层进行两端接地。金属屏蔽层的作用有：

1）电缆正常通电工作时，金属屏蔽层屏蔽多根电缆之间产生的电容电流；

2）将电缆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，同时也起到限制外界电磁场对内部产生的影响；

3）在发生短路的情况下，在一定时间内承受一部分短路电流，避免绝缘在过高的电流影响下产生热击穿；

4）当发生雷击事故时，金属屏蔽层可将故障电流引入接地系统，保证设备安全运行。

2.1 屏蔽层感应电压的来源

一般动力回路，由于交流三相电流相位差为120°，直流电流的相位差差180°，所以交流三芯电力电缆的电流和直流两芯电力电缆在正常运行时同一根电流中电流理论值的向量和为0，则伴随电流产生的磁场也为零。当电缆中各芯线流过的电流不平衡时就会在电缆屏蔽层上产生感应电压。

由单芯电缆构成的电力传输系统中，电缆导体和金属屏蔽层的关系可以看作一个空心变压器。电缆导体相当于一次绕组，而金属屏蔽层相当于二次绕组。当流过电缆的工作电流是一交变的交直流电流时，会在导体周围产生交变的磁场，在交变磁场中的金属屏蔽层中产生一定的感应电压。

图1 升降系统制动回路电路图

3 电缆屏蔽层异常发热原因分析

实船系统制动回路中每相采用2根3芯电缆连接，则此根电缆在电路中就相当于一根单芯电缆，实际就变成了6根单芯电缆并排排列安装，长度约100 m。当制动电阻工作电缆中流过工作电流时，在电缆屏蔽层上产生感应电压，实船安装中采取了屏蔽层两端接地的安装工艺，则在屏蔽层和地之间会形成接地环流回路，如图2所示。

图2 电缆屏蔽层接地环流示意图

当接地点电阻R1或R2有较大阻值，而屏蔽层产生感应电压时，感应电流会在流过R1或R2处时，根据电阻发热公式Q=I2Rt产生热量，可能导致接地点处发热温升提高。

电缆金属屏蔽层产生的感应电压计算公式较为复杂，本文在分析此问题时关心的仅仅是感应电压的幅值。所以根据相关技术文献和手册，可知并排安装的单芯导体上产生的感应电压幅值计算公式如下[2][3]：

图3 电缆敷设形式

电缆并排排列边相屏蔽层感应电压：

中相屏蔽层感应电压：

实船系统中，变频器制动单元导通的直流母线电压阀值为1100 V，制动斩波器输出电压为3相1100 V，制动单元输出的电压是一频率为变频器设置的斩波频率周期变化的电压，斩波频率800 Hz[4-5]，单相制动电阻阻值为4 Ω，电缆中通过的电流为=275 A；电缆外径=38.8 mm；屏蔽层散层的平均半径=17 mm；≈100 m。

将系统设备相关数据带入公式，计算可得在电缆并列布置时边相感应电压=36.4 V，中相感应电压=22.8 V。与现场实际检测结果基本一致。

根据理论分析和现场实测结果，可以确定电缆屏蔽层异常发热的原因，是当制动电阻工作时，由于制动回路是单芯屏蔽电缆构成的电流回路，所以在电缆屏蔽层上产生较高的感应电压，由于才有两端接地在屏蔽层上产生接地环流，同时在变频器接地点处接地电阻R较大，进而引起的接地点异常发热。

4 解决方案

根据电缆屏蔽层异常发热原因，确定解决方案从两方面入手。第一，想办法减小电缆屏蔽层内导体流过的电流向量和，减小屏蔽层的感应电压；第二，减小屏蔽层产生的感应电流，根据发热公式知道可以大幅度减小屏蔽层的发热。

按照ABB变频器手册推荐的接线方式，ABB变频器手册要求采用4芯电缆，每根电缆的两芯接在电阻的两端，这样在工作时流过电缆导体的电流方向相差180°，屏蔽层内电缆电流向量和为0，工作电流生成的电磁场互相抵消，则在电缆屏蔽层上产生的感应电压为0。

根据实船情况，使得每根电缆3芯流过的电流向量和最小，近似为额定电流的1/3，则可以降低屏蔽层上感应电压的幅值=36.4/3=12.1 V。将电缆屏蔽层改为单端接地，断开感应电流产生的回路，使得感应电流为0，消除接地点的发热量。

实船根据以上两个方面修改后，实测电缆屏蔽层感应电压约为12 V，与理论计算基本结果吻合，感应电压控制在安全电压以下。电缆屏蔽层单端接地后切断了感应接地环流的工作回路，接地点发热的问题得到解决，平台升降系统工作正常。

5 结论

根据上述原因分析和实船试验得知：接地环流过大是导致电缆屏蔽层发热的主要原因。如何针对现场使用环境，进行电缆敷设和屏蔽层的连接，从而确保电磁干扰及接地环流最小是后续的研究方向。

[1] 孙东昌, 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2008.

[2] 周明. 35 kV单相电缆金属屏蔽层感应电压计算及接地处理方案[J]. 电世界, 2011, 52(5): 225-228.

[3] 王敏. 10 kv单相电力电缆屏蔽层的感应电压和环流[J]. 高电压技术, 2012, 28(5): 30-32.

[4] ABB. ACS800-607LC3相大功率制动单元硬件手册: 3ABD00022907[S]. 2008.

[5] ABB. ACS800制动控制程序固件手册: 3AFE68835861[S]. 2008.

Analysis of Induced Circulation in Cable Shield Layer of Jacking System

Sun Lin

(The Eighth Military Representative Office of Navy Equipment Department in Wuhan, Wuhan 430000, China)

TM75

A

1003-4862（2019）09-0043-03

2019-06-19

孙霖（1979-），男，工程师。研究方向：船舶与海洋工程。E-mail: 176788525@qq.com