内容提要:从电缆温升理论计算和电缆散热环境的角度,分析船舶部分舱室电缆局部过热现象,指出的原因,提出纠正措施。
关键词:舰船 电缆 过热原因分析 纠正措施
一般情况下,电缆导体外都有护套(内衬垫和隔热层)、铠装等数层,敷设在托架上,处于温度一定的外界媒质中。
电缆内部,工作时因漏电引起的损耗,包括电缆导体引起的导体损耗、电缆绝缘介质层引起的介质损耗、护套损耗及铠装损耗等都导致电缆发热升温。
通过托架敷设在电缆通道的电缆,表面温度高于周围媒质时,以对流和辐射方式与通道的空气交换热量,同时以传导方式与电缆托架交换热量。
若电缆内部的热量不能有效地传递给周围媒质,致使一段或几段电缆表皮最高温度长期超过70℃,就是电缆局部过热。尤其是老旧船舶，电缆本身也因老化而绝缘降低,舱室隔热层和电缆穿过结构开口处的橡皮套老化、剥落,电缆更容易过热。
局部过热可能引发断电甚至火警,威胁船舶安全。
1故障现象
某船,高温海区航行时,机电系统各设备工作正常,各电缆实际工作电流为恒定直流5OA,部分舱室电缆局部过热。用红外热像仪测量，艏部储藏舱内的电缆表皮温度达85℃，艉部空调器舱内的电缆表皮温度达88℃。
局部过热的电缆，型号为JEPJ85/SC的舰船用单芯铠装电缆,芯线(导体)规格1×8,长期工作允许温度85℃,考虑电缆绝缘层、护套和铠装等温度降,环境温度45℃时允许连续工作电流59A，电缆表皮的长期最高允许温度不超过70℃。
2过热原因分析
2.1电缆温升计算
引起电缆工作时发热的有导体损耗、介质损耗、护套损耗和铠装损耗。如果知道各种损耗和各部分的热阻,便可以利用电缆等效热路计算各部分的温升。
规格1×8的JEPJ80/SC型电缆,是单芯铠装电缆, 其等效热路图如图1所示。
图中:
Wc、Wd、Ws和Wα分别是电缆每厘米长度每相的导体损耗、介质损耗、护套损耗和铠装损耗,单位W/cm；
Tl、T2、T3和T4,分别是每厘米长度电缆的导体热阻、护套热阻、铠装热阻和外部热阻,单位℃·cm/W。
设电缆表面温度θs,环境温度θα,则敷设在空气中的单芯电缆的表面温度与环境温度的温差Δθs:
Δθs=θs-θα
据热欧姆定律,有:
Δθs=（WC+Wd+WS+Wα）×T4 （1）
鉴于工作电流为直流,泄漏电流极小,介质损耗Wd、护套损耗WS和铠装损耗Wα,可以忽略不计,电缆中的损耗可等效看作只有导体直流电阻引起的导体损耗WC；再考虑舰船上电缆成束敷设,增加温度修正系数K,式(1)演化为:
Δθs=K×WC×T4 （2）
电缆的导体损耗WC:
WC=I2R20[1+α20(θS-20)](1+YS+Yp)T4
式中,趋表效应因数YS和临近效应因数Yp，都是电流频率的函数,直流可忽略不计,则
WC=I2R20[1+α20(θS-20)]T4 （3）
R20，20℃导体的直流电阻,由电线电缆手册查得是2.3×10-5Ω/cm；
α20，20℃导体电阻的温度系数,由电线电缆手册查 得是3.93×10-31/℃；
De，电缆外径,该船是1.4cm；
h,电缆表面散热系数,由电线电缆手册查得是4.2×10-4W/(cm2·℃5/4)；则
假定环境温度45℃,工作电流直流5OA,代人式(3),则
WC=I2R20[1+α20θS-20]T4=502
K和WC代人式(2),则允许的电缆表面的温升ΔθS=K×WC×T4=1.2×502×0.007=21.4℃
而电缆表面温度
θS=θα+ΔθS=45+21.4=66.4℃
由此得知,对于该型电缆,长期恒定电流5OA显然太大:
·电缆环境温度小于45℃时,电缆虽然不会过热,但表皮温度接近允许值70℃,余量显然太小。
·若环境温度高于45℃,或通风不畅,电缆表皮温度易超过70℃而局部过热。
2.2电缆散热环境
电缆通过电缆托架敷设在电缆通道,且其表面温度高于周围媒质时,电缆以对流和辐射方式与通道的空气交换热量,同时以传导方式与电缆托架交换热量。所以:
·环境温度越高,电缆温度也越高；
·外部热阻越大,电缆向周围媒质散热就越困难,电缆的温升就越高。
隔热层未敷设或者敷设不完全(例如电缆穿过横梁处、电缆布设两舷靠近甲板和外板处等),导致电缆容易过热:
·外界热源进入,电缆所处环境温度整体升高；
·电缆局部接触甲板、外板、横梁等外界热源,散热条件差。
(1)环境温度
该船电缆发热现场,都是露天甲板下受环境温度影响明显的舱室。某日环境温度测试,电缆不通电情况下,室外最高气温35℃,甲板表面温度72℃:
·艏部储藏舱中心空气温度34℃,舷边电缆局部空气温度最高47℃,电缆表皮温度最高48℃；
·艉部空调器舱中心空气温度32℃,舷边电缆局部空气温度最高45℃,电缆表皮温度最高46℃。
也就是说,这两个舱室都存在电缆使用环境温度超过电缆设计温度(45℃)的部位,电缆长时间工作(发热)就可能局部过热。
此外,该船电缆发热现场的隔热层,都敷设不完整(因施工困难)。
(2)散热条件
从现场看,电缆过热部位,通风条件都不好,散热不良。
3纠正措施
从以上分析得知,电缆局部过热的主要原因,是:
·电流占空比(即电缆的通电电流/电缆可载流量)过大；
·隔热层漏敷将外界热源引向电缆；以及
·通风不良。
基于上述分析,消除电缆局部过热的措施,是:
·隔热层不完整处,重新敷设；
·保证电缆与隔热层之间的适当空间,以利于电缆散热；
·改善电缆的散热条件,尽可能加强通风,加快电缆散热；
·尽可能降低电缆的工作电流,减少电缆损耗。
按上述思路,该船采取的措施,是:
·减少系统损耗(即热量的产生),满足系统要求的情况下,工作电流(恒定直流)从50A降为4OA；
·拆除电缆过热部位的托架隔热层不完整处重新敷设,并保证电缆与隔热层之间至少有2Omm的间距,然后装上电缆托架；
·电缆穿过结构的开口处,包敷橡皮套以隔热；
·过热严重且条件允许的部位,加装通风头,加快散热。
采取上述措施后最终解决了电缆局部过热问题。6月中旬天气炎热时进行温度试验,结果显示,所有的测量点,电缆表皮温度都低于60℃；原来过热处的温度普遍下降约15℃,有的甚至下降到30℃。
4防范措施
电缆局部过热,客观原因是环境条件恶劣,主观原因是对自然规律认识不足。
防止类似问题再次发生:
(1)重视应用环境的研究,充分认识环境条件。
(2)设计
·充分考虑环境因素,适当选择电缆电流占空比；
·适当加厚环境恶劣舱室的隔热层；或
·加装通风装置。
(3)施工
·确保隔热层敷设完整；
·合理选用电缆敷设工艺,确保电缆与隔热层之间有至少20mm的间距。
(4)船舶运行
·维护隔热层,保持其完整有效；
·保持通风装置有效；和
·监控电缆温度和有关舱室温度,及时发现和处理异常,等。
参考文献
1电线电缆手册.机械工业出版社,1978
作者：何佳 王谨 来源：航海技术
