內(nèi)容提要:從電纜溫升理論計算和電纜散熱環(huán)境的角度,分析船舶部分艙室電纜局部過熱現(xiàn)象,指出的原因,提出糾正措施。
關(guān)鍵詞:艦船 電纜 過熱原因分析 糾正措施
一般情況下,電纜導(dǎo)體外都有護(hù)套(內(nèi)襯墊和隔熱層)、鎧裝等數(shù)層,敷設(shè)在托架上,處于溫度一定的外界媒質(zhì)中。
電纜內(nèi)部,工作時因漏電引起的損耗,包括電纜導(dǎo)體引起的導(dǎo)體損耗、電纜絕緣介質(zhì)層引起的介質(zhì)損耗、護(hù)套損耗及鎧裝損耗等都導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫。
通過托架敷設(shè)在電纜通道的電纜,表面溫度高于周圍媒質(zhì)時,以對流和輻射方式與通道的空氣交換熱量,同時以傳導(dǎo)方式與電纜托架交換熱量。
若電纜內(nèi)部的熱量不能有效地傳遞給周圍媒質(zhì),致使一段或幾段電纜表皮最高溫度長期超過70℃,就是電纜局部過熱。尤其是老舊船舶，電纜本身也因老化而絕緣降低,艙室隔熱層和電纜穿過結(jié)構(gòu)開口處的橡皮套老化、剝落,電纜更容易過熱。
局部過熱可能引發(fā)斷電甚至火警,威脅船舶安全。
1故障現(xiàn)象
某船,高溫海區(qū)航行時,機(jī)電系統(tǒng)各設(shè)備工作正常,各電纜實際工作電流為恒定直流5OA,部分艙室電纜局部過熱。用紅外熱像儀測量，艏部儲藏艙內(nèi)的電纜表皮溫度達(dá)85℃，艉部空調(diào)器艙內(nèi)的電纜表皮溫度達(dá)88℃。
局部過熱的電纜，型號為JEPJ85/SC的艦船用單芯鎧裝電纜,芯線(導(dǎo)體)規(guī)格1×8,長期工作允許溫度85℃,考慮電纜絕緣層、護(hù)套和鎧裝等溫度降,環(huán)境溫度45℃時允許連續(xù)工作電流59A，電纜表皮的長期最高允許溫度不超過70℃。
2過熱原因分析
2.1電纜溫升計算
引起電纜工作時發(fā)熱的有導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、護(hù)套損耗和鎧裝損耗。如果知道各種損耗和各部分的熱阻,便可以利用電纜等效熱路計算各部分的溫升。
規(guī)格1×8的JEPJ80/SC型電纜,是單芯鎧裝電纜, 其等效熱路圖如圖1所示。
圖中:
Wc、Wd、Ws和Wα分別是電纜每厘米長度每相的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、護(hù)套損耗和鎧裝損耗,單位W/cm；
Tl、T2、T3和T4,分別是每厘米長度電纜的導(dǎo)體熱阻、護(hù)套熱阻、鎧裝熱阻和外部熱阻,單位℃·cm/W。
設(shè)電纜表面溫度θs,環(huán)境溫度θα,則敷設(shè)在空氣中的單芯電纜的表面溫度與環(huán)境溫度的溫差Δθs:
Δθs=θs-θα
據(jù)熱歐姆定律,有:
Δθs=（WC+Wd+WS+Wα）×T4 （1）
鑒于工作電流為直流,泄漏電流極小,介質(zhì)損耗Wd、護(hù)套損耗WS和鎧裝損耗Wα,可以忽略不計,電纜中的損耗可等效看作只有導(dǎo)體直流電阻引起的導(dǎo)體損耗WC；再考慮艦船上電纜成束敷設(shè),增加溫度修正系數(shù)K,式(1)演化為:
Δθs=K×WC×T4 （2）
電纜的導(dǎo)體損耗WC:
WC=I2R20[1+α20(θS-20)](1+YS+Yp)T4
式中,趨表效應(yīng)因數(shù)YS和臨近效應(yīng)因數(shù)Yp，都是電流頻率的函數(shù),直流可忽略不計,則
WC=I2R20[1+α20(θS-20)]T4 （3）
R20，20℃導(dǎo)體的直流電阻,由電線電纜手冊查得是2.3×10-5Ω/cm；
α20，20℃導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù),由電線電纜手冊查 得是3.93×10-31/℃；
De，電纜外徑,該船是1.4cm；
h,電纜表面散熱系數(shù),由電線電纜手冊查得是4.2×10-4W/(cm2·℃5/4)；則
假定環(huán)境溫度45℃,工作電流直流5OA,代人式(3),則
WC=I2R20[1+α20θS-20]T4=502
K和WC代人式(2),則允許的電纜表面的溫升ΔθS=K×WC×T4=1.2×502×0.007=21.4℃
而電纜表面溫度
θS=θα+ΔθS=45+21.4=66.4℃
由此得知,對于該型電纜,長期恒定電流5OA顯然太大:
·電纜環(huán)境溫度小于45℃時,電纜雖然不會過熱,但表皮溫度接近允許值70℃,余量顯然太小。
·若環(huán)境溫度高于45℃,或通風(fēng)不暢,電纜表皮溫度易超過70℃而局部過熱。
2.2電纜散熱環(huán)境
電纜通過電纜托架敷設(shè)在電纜通道,且其表面溫度高于周圍媒質(zhì)時,電纜以對流和輻射方式與通道的空氣交換熱量,同時以傳導(dǎo)方式與電纜托架交換熱量。所以:
·環(huán)境溫度越高,電纜溫度也越高；
·外部熱阻越大,電纜向周圍媒質(zhì)散熱就越困難,電纜的溫升就越高。
隔熱層未敷設(shè)或者敷設(shè)不完全(例如電纜穿過橫梁處、電纜布設(shè)兩舷靠近甲板和外板處等),導(dǎo)致電纜容易過熱:
·外界熱源進(jìn)入,電纜所處環(huán)境溫度整體升高；
·電纜局部接觸甲板、外板、橫梁等外界熱源,散熱條件差。
(1)環(huán)境溫度
該船電纜發(fā)熱現(xiàn)場,都是露天甲板下受環(huán)境溫度影響明顯的艙室。某日環(huán)境溫度測試,電纜不通電情況下,室外最高氣溫35℃,甲板表面溫度72℃:
·艏部儲藏艙中心空氣溫度34℃,舷邊電纜局部空氣溫度最高47℃,電纜表皮溫度最高48℃；
·艉部空調(diào)器艙中心空氣溫度32℃,舷邊電纜局部空氣溫度最高45℃,電纜表皮溫度最高46℃。
也就是說,這兩個艙室都存在電纜使用環(huán)境溫度超過電纜設(shè)計溫度(45℃)的部位,電纜長時間工作(發(fā)熱)就可能局部過熱。
此外,該船電纜發(fā)熱現(xiàn)場的隔熱層,都敷設(shè)不完整(因施工困難)。
(2)散熱條件
從現(xiàn)場看,電纜過熱部位,通風(fēng)條件都不好,散熱不良。
3糾正措施
從以上分析得知,電纜局部過熱的主要原因,是:
·電流占空比(即電纜的通電電流/電纜可載流量)過大；
·隔熱層漏敷將外界熱源引向電纜；以及
·通風(fēng)不良。
基于上述分析,消除電纜局部過熱的措施,是:
·隔熱層不完整處,重新敷設(shè)；
·保證電纜與隔熱層之間的適當(dāng)空間,以利于電纜散熱；
·改善電纜的散熱條件,盡可能加強(qiáng)通風(fēng),加快電纜散熱；
·盡可能降低電纜的工作電流,減少電纜損耗。
按上述思路,該船采取的措施,是:
·減少系統(tǒng)損耗(即熱量的產(chǎn)生),滿足系統(tǒng)要求的情況下,工作電流(恒定直流)從50A降為4OA；
·拆除電纜過熱部位的托架隔熱層不完整處重新敷設(shè),并保證電纜與隔熱層之間至少有2Omm的間距,然后裝上電纜托架；
·電纜穿過結(jié)構(gòu)的開口處,包敷橡皮套以隔熱；
·過熱嚴(yán)重且條件允許的部位,加裝通風(fēng)頭,加快散熱。
采取上述措施后最終解決了電纜局部過熱問題。6月中旬天氣炎熱時進(jìn)行溫度試驗,結(jié)果顯示,所有的測量點,電纜表皮溫度都低于60℃；原來過熱處的溫度普遍下降約15℃,有的甚至下降到30℃。
4防范措施
電纜局部過熱,客觀原因是環(huán)境條件惡劣,主觀原因是對自然規(guī)律認(rèn)識不足。
防止類似問題再次發(fā)生:
(1)重視應(yīng)用環(huán)境的研究,充分認(rèn)識環(huán)境條件。
(2)設(shè)計
·充分考慮環(huán)境因素,適當(dāng)選擇電纜電流占空比；
·適當(dāng)加厚環(huán)境惡劣艙室的隔熱層；或
·加裝通風(fēng)裝置。
(3)施工
·確保隔熱層敷設(shè)完整；
·合理選用電纜敷設(shè)工藝,確保電纜與隔熱層之間有至少20mm的間距。
(4)船舶運(yùn)行
·維護(hù)隔熱層,保持其完整有效；
·保持通風(fēng)裝置有效；和
·監(jiān)控電纜溫度和有關(guān)艙室溫度,及時發(fā)現(xiàn)和處理異常,等。
參考文獻(xiàn)
1電線電纜手冊.機(jī)械工業(yè)出版社,1978
作者：何佳 王謹(jǐn) 來源：航海技術(shù)
