李永江

（江苏远洋东泽电缆股份有限公司 扬州225129）

舰船400 Hz电力系统电缆研究

李永江

（江苏远洋东泽电缆股份有限公司 扬州225129）

针对交流400 Hz电力系统逐渐在舰船上设计应用的现状，通过理论计算详细介绍了400 Hz电力系统对配套电力电缆的交流电阻、电抗、阻抗等电气参数的影响，以及由此引起的对电网电压降的影响。从电缆结构设计、材料和敷设使用方面给出了400 Hz系统电缆选择需要考虑的因素。

400 Hz系统；电气参数；电缆结构；电压降

引 言

由于大型舰船电力系统的船载发电机要求体积小质量轻，只有提高频率才能满足功率要求，所以相应的船载电气设备和与飞机相关的电源均采用400 Hz，从而要求配套的电缆满足400 Hz系统要求。400 Hz电力系统在传输线路长、输送功率大的条件下，要确保整个线路电压降低，因此对电缆的选择提出了特殊要求［1］。

1 400 Hz对电缆电气参数的影响

电力系统的频率对于电缆导体的交流电阻和电抗会产生很大影响，从而改变电缆的阻抗，导致电缆额定载流能力发生变化；而导体交流电阻又直接受导体直流电阻和导体实际工作温度的影响。

1.1 导体实际工作温度

电缆线路通过电流后，导体产生温升，导致电缆的电阻发生变化。根据现有船用电缆所用绝缘材料，导体的长期最高额定工作温度为90℃，计算时导体的实际工作温度即为导体的长期最高额定工作温度。导体在不同于20℃ 时的直流电阻修正系数通过式（1）计算［2］。

式中：kθ为温度θ时的单位长度电缆线芯直流电阻修正系数；

θ为线芯导体的实时温度，℃。

1.2 导体交流电阻

导体交流电阻的计算见式（2）～式（6）［3］。

式中：Rθ为在温度θ时的单位长度电缆线芯直流电阻，Ω/m；

Ys为集肤效应因数；

Yp为邻近效应因数。

Ys和Yp分别通过式（3）和式（4）计算求得。

式中： f为频率，Hz；

Rθ为温度θ时的单时的单位长度电缆线芯直流位长度电缆线芯直流电阻，Ω/m；

Dc为绝缘线芯外径，mm；

S为绝缘线芯中心轴间距离，mm；ks、kp为常数，均取1。

额定电压0.6/1 kV电缆，频率400 Hz，计算得出的导体工作温度为90℃ 时不同截面铜导体的集肤效应因数和邻近效应因数见表1。可知当频率为400 Hz时导体的交流电阻大于直流电阻，随着导体截面增加，其交流电阻和直流电阻的比值也逐渐增大。

1.3 导体电抗

由于容抗对于感抗正好起抵消作用，尽管有些电缆线路其容抗值不小，但起主要作用的是感抗，为了简化计算，在配电工程中低压电力电缆线路容抗可以忽略不计，导体的电抗值实际上只计入感抗值。这样的计算结果往往趋向保守，安全裕度大，具体可按照公式7计算［4］。

表1 集肤效应因数和邻近效应因数

式中：X为每相的电抗，Ω；

f为频率，Hz；

a为导体之间的轴间距，mm；

d为导体直径，mm；

L为导体长度，m。

由式（7）可知，同等截面的导体，在400 Hz系统中时电抗值为其用于50 Hz系统中电抗值的8倍。导体工作温度为90℃时400 Hz和50 Hz的导体交流电阻、电抗、阻抗值见表2。

表2 导体交流电阻、电抗、阻抗值Ω/km

400 Hz时当截面积达到一定程度，在计算导体线路压降时，导体的电抗将会在总阻抗中起主要作用。为降低电缆的交流电阻值和电抗值，就需要对电缆所用材料和电缆结构进行优化，采用同等截面导体并联使用达到所需的大截面效用，减小集肤效应，有力降低阻抗值。

2 电缆结构

构成电缆的导体、绝缘、铠装、护套材料，以及导体的结构、电缆的敷设方式等都与电缆线路的电压降和电能损耗有直接影响。400 Hz系统需要特别注意所用电力电缆的结构、材质及敷设方式。

为降低电缆的阻抗，确保柔软性和增长电缆使用寿命，导体选用IEC 60228标准第5类或第6类软铜结构，绝缘材料选用符合IEC 60092-351标准的乙丙橡胶，其富有弹性柔软、电气绝缘性能好、耐老化；护套选用具备耐油、耐热、耐磨和高机械强度的氯磺化聚乙烯。

在结构上，优先采用无铠装结构，降低线芯之间的间距，减小电抗和电缆损耗。芯数上采用三芯大截面结构或7芯小截面导体结构。如采用7芯导体绞合，则其中6根线芯两两对称并联作为相线位于外周，中心1根绝缘线芯作接地保护使用。根据需要，也可在相线外侧的间隙布置控制线芯，进行信号监测控制。典型的400 Hz系统电力电缆结构见图1。

图1 电缆剖面图

3 线路电压降

线路的电压降取决于线路的电流和阻抗，而阻抗与电抗、电阻构成直角三角形。线路的电压降通过式（8）计算［5］。

式中：Vdrop为线路的电压降，V；

I为负载电流，A；

L为电缆长度，km；

R为额定最大工作温度下导体交流电阻，Ω/km；

X为电缆的电抗，Ω/km；

cosθ为负载功率因数（cos2θ+sin2θ=1）

根据相关船级社的规范要求，当电缆在正常工作条件下承载最大电流时，从主配电板或应急配电板的汇流排到任何安装点的电压降，应不超过额定电压的6%，这在电缆选型时需特别注意［6］。

4 结 论

舰船400 Hz电力系统使配套电缆的电阻、电抗发生改变，从而造成阻抗增大，成为除负载功率因素外另一个影响线路电压降的主要因素。本文就此进行归纳分析，供相关人员参考。

［1］ 朱炜，李辉辉.舰船综合电力推进技术的发展现状研究［J］.船舶，2013（3）：64-68.

［2］ IEC 60228. Conductors of Insulated Cables ［S］ . 2004.

［3］ 王春江.电线电缆手册.第1册［M］.第2版.北京:机械工业出版社，2001.

［4］ BICC Cables Ltd. Electric Cables Handbook［M］. 3rd edition. London：Wiley-Blackwell，1997.

［5］ JIS C 3410. Cables and Flexible Cords for Electrical Equipment of Ships［S］. 2010.

［6］ 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

On cable of 400 Hz power system for Naval ships

LI Yong-jiang
(Jiangsu Yuanyang Cable Co., Ltd., Yangzhou 225129, China)

More and more 400 Hz power system are designed and used on Naval ships. As AC 400 Hz power system is gradually designed and applied on Naval ships, this paper detailedly introduces the influence of 400 Hz power system on the electrical parameters including the conductor resistance, reactance and impedance of the matching power cable, and on the voltage drop of the power network. It also discusses the factors needed to be considered in cable selection, such as cable configuration design, material and laying application.

400Hz system; electrical parameter; cable configuration; voltage drop

U665.1

A

1001-9855（2014）02-0077-03

2013-08-23；

2013-09-10

李永江（1982-），男，高级工程师，研究方向：舰船和海洋工程用电缆设计开发。