內容提要:從電纜溫升理論計算和電纜散熱環境的角度,分析船舶部分艙室電纜局部過熱現象,指出的原因,提出糾正措施。
關鍵詞:艦船 電纜 過熱原因分析 糾正措施
一般情況下,電纜導體外都有護套(內襯墊和隔熱層)、鎧裝等數層,敷設在托架上,處于溫度一定的外界媒質中。
電纜內部,工作時因漏電引起的損耗,包括電纜導體引起的導體損耗、電纜絕緣介質層引起的介質損耗、護套損耗及鎧裝損耗等都導致電纜發熱升溫。
通過托架敷設在電纜通道的電纜,表面溫度高于周圍媒質時,以對流和輻射方式與通道的空氣交換熱量,同時以傳導方式與電纜托架交換熱量。
若電纜內部的熱量不能有效地傳遞給周圍媒質,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構開口處的橡皮套老化、剝落,電纜更容易過熱。
局部過熱可能引發斷電甚至火警,威脅船舶安全。
1故障現象
某船,高溫海區航行時,機電系統各設備工作正常,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，艏部儲藏艙內的電纜表皮溫度達85℃，艉部空調器艙內的電纜表皮溫度達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(導體)規格1×8,長期工作允許溫度85℃,考慮電纜絕緣層、護套和鎧裝等溫度降,環境溫度45℃時允許連續工作電流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
引起電纜工作時發熱的有導體損耗、介質損耗、護套損耗和鎧裝損耗。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體損耗、介質損耗、護套損耗和鎧裝損耗,單位W/cm；
Tl、T2、T3和T4,分別是每厘米長度電纜的導體熱阻、護套熱阻、鎧裝熱阻和外部熱阻,單位℃·cm/W。
設電纜表面溫度θs,環境溫度θα,則敷設在空氣中的單芯電纜的表面溫度與環境溫度的溫差Δθs:
Δθs=θs-θα
據熱歐姆定律,有:
Δθs=（WC+Wd+WS+Wα）×T4 （1）
鑒于工作電流為直流,泄漏電流極小,介質損耗Wd、護套損耗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體直流電阻引起的導體損耗WC；再考慮艦船上電纜成束敷設,增加溫度修正系數K,式(1)演化為:
Δθs=K×WC×T4 （2）
電纜的導體損耗WC:
WC=I2R20[1+α20(θS-20)](1+YS+Yp)T4
式中,趨表效應因數YS和臨近效應因數Yp，都是電流頻率的函數,直流可忽略不計,則
WC=I2R20[1+α20(θS-20)]T4 （3）
R20，20℃導體的直流電阻,由電線電纜手冊查得是2.3×10-5Ω/cm；
α20，20℃導體電阻的溫度系數,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,由電線電纜手冊查得是4.2×10-4W/(cm2·℃5/4)；則
假定環境溫度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。
·若環境溫度高于45℃,或通風不暢,電纜表皮溫度易超過70℃而局部過熱。
2.2電纜散熱環境
電纜通過電纜托架敷設在電纜通道,且其表面溫度高于周圍媒質時,電纜以對流和輻射方式與通道的空氣交換熱量,同時以傳導方式與電纜托架交換熱量。所以:
·環境溫度越高,電纜溫度也越高；
·外部熱阻越大,電纜向周圍媒質散熱就越困難,電纜的溫升就越高。
隔熱層未敷設或者敷設不完全(例如電纜穿過橫梁處、電纜布設兩舷靠近甲板和外板處等),導致電纜容易過熱:
·外界熱源進入,電纜所處環境溫度整體升高；
·電纜局部接觸甲板、外板、橫梁等外界熱源,散熱條件差。
(1)環境溫度
該船電纜發熱現場,都是露天甲板下受環境溫度影響明顯的艙室。某日環境溫度測試,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境溫度超過電纜設計溫度(45℃)的部位,電纜長時間工作(發熱)就可能局部過熱。
此外,該船電纜發熱現場的隔熱層,都敷設不完整(因施工困難)。
(2)散熱條件
從現場看,電纜過熱部位,通風條件都不好,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；
·保證電纜與隔熱層之間的適當空間,以利于電纜散熱；
·改善電纜的散熱條件,盡可能加強通風,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:
·減少系統損耗(即熱量的產生),滿足系統要求的情況下,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,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；
·電纜穿過結構的開口處,包敷橡皮套以隔熱；
·過熱嚴重且條件允許的部位,加裝通風頭,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行溫度試驗,結果顯示,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,客觀原因是環境條件惡劣,主觀原因是對自然規律認識不足。
防止類似問題再次發生:
(1)重視應用環境的研究,充分認識環境條件。
(2)設計
·充分考慮環境因素,適當選擇電纜電流占空比；
·適當加厚環境惡劣艙室的隔熱層；或
·加裝通風裝置。
(3)施工
·確保隔熱層敷設完整；
·合理選用電纜敷設工藝,確保電纜與隔熱層之間有至少20mm的間距。
(4)船舶運行
·維護隔熱層,保持其完整有效；
·保持通風裝置有效；和
·監控電纜溫度和有關艙室溫度,及時發現和處理異常,等。
參考文獻
1電線電纜手冊.機械工業出版社,1978
作者：何佳 王謹 來源：航海技術
