中压直流综合电力系统装舰关键工艺

沈小东, 郭彦军, 陶江平, 刘 成

(1.海装驻上海地区第八军事代表室， 上海 200011； 2.上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

0 引 言

舰船综合电力系统将传统舰船中相互独立的动力和电力两大系统合二为一，以电能的形式统一为推进负载、脉冲负载、通信、导航和日用设备等供电，实现全舰能源的综合利用[1]。目前，国内外大中型舰船综合电力系统主要包括中压直流和中压交流两类。其中，我国研发的中压直流综合电力系统在性能及稳定性上比中压交流综合电力系统更具优势，为高能武器上舰创造了条件。中压直流综合电力系统技术先进、系统复杂，对舰船电气专业建造技术要求较高，有必要对相关的电气关键工艺进行深入研究。

1 中压直流综合电力系统装舰关键工艺分析

1.1 关键工艺需求分析

中压直流综合电力系统由发电、输配电、变配电、推进、储能和能量管理等6个分系统组成(见图1)。综合电力系统的电站容量巨大，一般至少配置2台单台发电容量高达几十兆瓦的发电机，与单台发电机容量为几兆瓦的传统电站显然不是一个量级。使用常规低压系统输电在工程上已没有实现的可能性，因此大容量综合电力系统采用了中压供电方式，其中发电分系统至输配电分系统采用直流配电，输配电分系统至各用电分系统采用逆变装置将直流电转换为交流电供用电设备使用。

图1 舰船综合电力系统组成

为满足舰载高能武器高达GW级的瞬态电功率需求[2]，中压直流综合电力系统一般配置储能分系统作为脉冲功率电源。储能分系统在较长的时间内用相对较小的功率将电能储存起来，根据需要瞬态释放，实现能量在时间尺度上的压缩和功率倍增，以支撑电磁发射需求。

为实现用尽可能少的电缆输送尽可能多的电能，综合电力系统配电一般选择载流量更高的单芯电缆方案，采用多根大直径单芯电缆并联的方式进行供电。常用1×240 mm2规格的电缆，其单根质量达3 455 kg/km，由于舰船空间有限，通常只能多束分层敷设，对目前标准电缆托架承重能力的考验较大。

目前，电缆敷设工作主要依靠人工拉敷，综合电力系统的大直径电缆如仍然采用人工方式进行敷设则难度较大，可研发辅助敷设工装，降低敷设工作强度，提高敷设效率。在对多根大直径中压电缆进行分层集聚敷设时，须考虑其散热状况，否则轻则影响电缆载流量，重则造成电缆绝缘老化，导致线路短路。

中压直流综合电力系统通常采用中压直流单芯电缆和中压交流单芯电缆两种特殊电缆，其排布形式、接地要求等与常规低压多芯电缆区别较大，须特殊考虑。

综合电力系统在运行时会产生较大的电流，通电电缆会产生磁场，单根电缆周围的最大磁场强度根据负荷电流的大小不同，范围在几奥斯特到几十奥斯特之间。为降低电缆磁场对舰船磁场隐身性能的影响，综合电力系统的安装应考虑杂散磁场的抑制，避免线路对周围铁磁物质的磁化，造成舰船磁场强度增强。

1.2 关键工艺方法和措施

对于敷设多根大直径中压电缆的电缆托架，建议对其承重能力进行计算或试验。首先，根据规划的电缆根数和电缆路径敷设空间初步选择相应宽度的电缆托架；然后，对电缆托架形式进行有限元建模，对电缆托架的受力情况进行模拟仿真；最后，有针对性地对承重能力薄弱部位的结构进行加强，确保电缆托架的承重能力达到要求。典型的电缆托架受力分析如图2所示。

图2 典型电缆托架受力分析图

大直径电缆敷设辅助工装可参考陆地上敷设电缆使用的电缆输送机和船上敷设平直路径大直径电缆采用的卷扬机，结合两者优点，采用分布式设计，通过在托架上设置导向装置进行转向控制，最终实现电缆的自动或半自动敷设。

大直径电缆在集聚敷设时的散热情况与通风条件和敷设空间密切相关：风速越大，敷设空间越大，电缆的温升越小，载流量受到的影响越小[3]。一般电缆敷设层数不超过2层，对于受条件限制，不得不敷设在密闭空间内的集聚敷设电缆，建议单层敷设或根据实际敷设状况建模，利用有限元方法对电缆的温度分布进行仿真，确认其温升在电缆厂家要求的范围内。

中压交流单芯电缆敷设时须考虑涡流效应的影响，电缆选择无铠装形式或采用非磁性材料铠装，如选用铠装电缆，一般推荐铜丝编织形式。另外，交变磁场会在以铁磁材料做成的电缆托架形成的闭合回路中产生涡流效应，造成电缆托架发热和电能的损耗。因此，电缆托架必须选择磁阻较高的材料或非导磁材料，这些材料包括不锈钢、铜、铝合金、环氧树脂等，考虑工程实际，一般推荐使用不锈钢托架。

中压交流单芯电缆须采用单端接地的形式，否则两端接地的铠装会与大地形成回路，在中压交流单芯电缆形式的交变磁场中产生感应电流，造成铠装发热，严重时甚至会烧毁电缆[4-5]。

中压直流单芯电缆不会产生交变磁场，因此无需考虑涡流影响，可与低压电力电缆一样采用电缆两端接地的形式。

线路杂散磁场的抑制主要通过电缆排布和控制电缆与船体钢结构的距离实现。使用Comsol Multiphysics等有限元仿真软件对多根并联单芯电缆的磁场强度进行仿真计算。以某型舰船发电机到主配电板的电缆为例，两台发电机额定电流分别为940 A和5 250 A,电压为DC 4 kV,分别选用1×120 mm2和1×240 mm2两种规格的单芯直流电缆，比较这些电缆在如图3和图4所示的两种典型排布下的磁场强度。

图3 多根单芯直流电缆排布图(一)

图4 多根单芯直流电缆排布图(二)

通过仿真计算，图3排布下在电缆周围300 mm处的最大磁场强度模值为0.022 2 Oe，图4排布下在电缆周围300 mm处的最大磁场强度模值为0.015 3 Oe，采用图4排布形式时对外磁场强度较低。因此对于多根并联单芯直流电缆，敷设时建议按照图4的形式进行排布。

在敷设多根并联的单芯交流电缆时，规范推荐采用品字形排布[6]，如图5所示。

图5 单芯交流电缆品字形排布图

在这种排布形式下，三相电流向量在相位上互差120°，矢量之和为0，三相电流在铁磁回路中的磁感应强度之和也为0[7]。铁磁材料无涡流损耗，对外磁场强度最小，但是舰船上敷设空间有限，同一回路并联电缆数量较多，单芯交流电缆完全采用品字形敷设形式较为困难，建议可采用相对比较节省空间的排布形式，如图6所示。

图6 多根单芯交流电缆推荐排布图

除了采取以上推荐的单芯电缆排布形式以外，电缆敷设时还应控制与船体钢结构的距离,电流越大，间距要求越大。

2 总 结

根据中压直流综合电力系统特点，初步梳理其装舰工艺问题，并有针对性地提出解决的方法和措施。对于具体型号，在实际安装中还需根据实际功率、电压等级、设备具体构成等进行相应分析和应对。