某电池动力客船主干电缆路径设计

周忠亮 陈以君 刘旦花

摘    要：本文基于电池动力系统特点、用电设备配置、规范标准要求、船型情况等进行分析，以某纯电池动力客船为例，介绍电池动力船舶的主干电缆路径设计思路及方法。

关键词：电池动力船舶;主干电缆;直流电源;电磁兼容

中图分类号：U665.12                              文献标识码：A

Main Cable Routing Design for Battery Powered Ship

ZHOU Zhongliang， CHEN Yijun， LIU Danhua

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Based on the analysis of battery power system characteristics， electrical equipment configuration， rules and standard requirements and ship types， this paper takes a battery powered passenger ship as an example to introduce the main cable path design ideas and solutions of battery powered ship.

Key words： Battery powered ship; Main cable routing; DC power supply; Electromagnetic compatibility

1     前言

船舶主干电缆是指主要设备之间连接的电缆，即是从主电源至主配电板，再从主配电板至各设备控制箱或分配电箱的电缆，包括电力电缆和通讯电缆。

主干电缆路径图，是用于表达连续贯通全船各层甲板、各个主要舱室将设备连接起来，显示贯穿件位置、设备进线方式、不同电缆敷设要求、电缆保护措施等的图纸，是后续生产设计的依据。主干电缆路径设计的合理性，是保证电力和信号安全高效传输的基础，不同船舶对主干电缆路径的设计有不同的要求。

近年来，新能源船舶快速发展，涌现出纯电池动力、氢燃料电池动力、混合动力等船舶。新能源船舶采用了大量新技术、新设备，出现了中压直流电源电缆、交流电源电缆、变频电缆、低压电源电缆、模拟信号电缆、数字信号电缆、光纤电缆等。如何控制各电缆之间的电磁兼容性，保证信号传输的稳定性以及系统布置的合理性，成为重要的研究课题。

2     主干电缆路径设计基本思路

在设计主干电缆路径时，不仅要遵循规范、设计准则要求，同时要考虑线路走向、安装工艺以及成本的合理性，基本思路如下：

（1）准备好相关设计图纸，包括：总布置图、防火控制图、绝缘布置图、机械设备布置图、电气设备布置图、结构图等，弄清舱室分隔、防火舱壁、主竖区、意向电缆路径的空间位置;

（2）对机电设备进行分类，罗列双套及以上的设备（包括主电源、变压器、传令钟、操舵装置等）和应急状态下仍需供电或控制的设备;

（3）整理机电设备进线方式、电缆类别，评估主干电缆需要宽度、高度，标记对信号要求严格的电缆;

（4）主干电缆应尽量避免穿过船体强力结构件，不可避免时应与结构专业协商并增加补强措施;

（5）主干电缆尽量减少穿过防火区和水密隔舱，不可避免时应采用贯穿件和防火堵料密封;

（6）双套设备的供电和控制电缆、不同电压等级的电力电缆、对信号要求严格的电缆均应分开敷设，并尽可能远离;

（7）主干电缆应避免穿过潮湿、高热区域，禁止穿过厨房、冷库、防爆舱室以及油舱、水舱;

（8）经过露天区域的电缆、进入机械处所或防爆区的末端电缆，均应采取保护措施;

（9）主干电缆的走向，应考虑到通过用电设备集中区域以及兼顾左右舷用电设备;

（10）主干电缆通道应尽量平直，缩短电缆长度;

（11）主干电缆通道应有足够的安装和维修空间，降低施工难度;

（12）保持与各专业之间的沟通协调。

3     某电池动力船舶主干电缆路径设计

本文以某纯电池动力客船为例，介绍其主干电缆路径设计：

（1）该船采用锂电池组作为主动力（全船共六组锂电池组，左右舷各三组，总电量约3 000 kWh），双推进电机双舵桨，尾部推进，首驾驶;

（2）主船体为双体结构，上建为两层，客舱采用了全通透的玻璃形式;机电设备舱室主要设置在船舶中部及尾部，駕驶室设在主甲板;

（3）机电气设备主要有锂电池组、直流配电柜、交流配电板、隔离变压器、交流推进电机、全回转舵桨装置、充电柜、驾控台、监视台、空调机组等;

（4）重要机电设备在左右片体对称布置，直流配电板布置在主甲板右舷;

（5）直流配电柜、交流配电板、驾控台、监视台采用常规的底部进线方式;

（6）采用直流组网的电力推进系统，电缆类别有直流750 V电源电缆、交流380 V电源电缆、变频电缆、低压电源电缆、控制信号电缆、网络通信电缆等;

（7）锂电池输出直流电，电流根据负载变化存在波动性，系统使用载流量大的单芯电缆;

（8）根据规范要求，与锂电池组无关的设备不能放置在锂电池舱里。

3.1   主干电缆整体布置

主干电缆路径布置方案为：主甲板以下的左右片体各设一条主干通道，主干通道不贯穿锂电池舱，左右舷电缆需连接起来;上建左右舷各设一条主干通道，左右舷的电缆通道需连接起来，如图1、图2所示。

全船主干电缆路径的布置与常规双体船体的差异，主要在于主甲板以下主干电缆通道不连贯，首尾各需要设置连接上一层的电缆通道。

根据舱室布置及结构特点，该船的主要设备集中在尾部，因此主干电缆路径设计的重点和难点为尾部区域、船首驾控台区域、上建上下贯通部分。

3.2   尾部区域主干电缆布置

尾部区域主要为动力电缆。主动力电源为非传统交流电源，而是锂电池直流电源;另外，锂电池组功率较大，主电源电缆采用大电流单芯电缆，且需要区分正负极;动力锂电池集中分布在舱底左右两个片体，直流配电柜放置在其中一个片体的上层甲板。

（1）根据直流电缆安装标准要求，直流电缆与交流电缆近距离敷设时，应尽可能避免与交流电缆长距离平行敷设;

电气系统中的干扰信号，主要是由频率的不同产生的。在直流系统中，产生直流电的整流设备以及直流电转换成交流电的逆变设备，均会产生大量高次谐波，从而干扰周围的模拟信号和数字信号。该船整流及逆变装置均集中在直流配电柜内，因此进入直流配电柜的不同类型电缆需分开进入，即从不同的贯穿件进入;锂电池组的通讯信号对电磁兼容性要求较高，为确保信号传输的稳定性以及系统工作的可靠性，通信电缆与直流电缆考虑分开敷设。

（2）根据上述设计思路，尾部區域的直流电缆、变频电缆、交流及控制电缆需分开敷设。如何设置路径连接两个片体的电缆通道，以及减少电缆彼此之间的干扰是设计的难点。有两种连接方案：

方案一，在上建（即主甲板）设置连通路径，因左舷区域为卫生间通道难以布置，右舷的配电间空间小，而且大量电缆集中在右舷会造成重心偏右;

方案二，在主甲板以下设电缆连接桥，但由于电缆较大，需设置多个连接桥 。

该船设计选择了方案二，在主甲板下左右片体设置四条连接桥，用于连接不同类型的电缆，每个连接桥体积相对较小，独立用于敷设电缆，如图3所示：粗实线表示交流电缆及屏蔽电缆;粗虚线表示变频电缆;粗点划线表示直流电缆;双细虚线表示连接桥。同样，横向平行敷设的不同类型电缆尽可能远离，以保证信号传输的稳定性以及系统工作的可靠性。

（3）主甲板船尾左右舷各设置了一个充电柜，两个充电柜互相连接，任意一个均能对全船锂电池进行充电。充电柜至直流配电柜之间，采用16根1x70 mm2的单芯电缆，为提高电磁兼容性，充电电缆与其他电缆分开敷设。为此，设一专用连接桥将左右片体的直流充电电缆连通，再接至直流配电柜，从而实现对动力电池的充电功能。

（4）由于本船左右两舷锂电池组主电源电缆各使用18根1x70 mm2的单芯电缆，推进电机各使用3根3x70 mm2变频电缆，通往左右舷的交流电流较少，信号电缆较多。通过优化电缆选型来减少施工工作量，即交流电缆选用带铜编织铠装的型号（可起到一定屏蔽作用），信号控制电缆采用带屏蔽型号的电缆，尽可能将屏蔽电缆与交流电缆分开绑扎，以减少信号干扰。

（5）直流电源采用了大量的单芯电缆，如何减少电缆体积、降低施工难度、设计的路径能否满足电缆弯曲半径要求，也是主干电缆路径需要考虑的问题。该船通过分析比较各类电缆特点，选择了载流量高、电缆直径细、性价比高的新型CJPJ系列柔性电缆，其体积、重量均比常规单芯电缆小，电缆转弯容易，在主干路径上的弯曲半径也能满足规范要求。

3.3   驾控台区域主干电缆布置

该船的驾控台布置在主甲板，由于双体船这一特殊性，使得驾控台底部正下方处于水面上方，即处于悬空状态。如果驾控台采用传统的底部进线方式，则需要在船体底下增加电缆连接桥，电缆从两舷进入连接桥，再在连接桥中间位置往上穿过主甲板进入驾控台。此连接桥长度约5 m，标准要求电缆每300 mm需要进行绑扎或者固定，因此连接桥内部的电缆拉放、绑扎/固定以及甲板贯穿件的密封等施工困难;由于船首连接桥受水流冲击较多，驾控台底部贯穿件相当于在船体底板开孔安装，其密封性、防腐蚀的要求更高，工艺水平难以实现。若需满足施工空间需求，连接桥内部净空高度至少600 mm以上，整个连接桥体积庞大，将增加船舶航行阻力，影响船舶性能，因此采用连接桥方式不可行。

该船采用驾控台两侧下部进线的方式，驾控台两侧地板设计成抬高的型式，以满足两侧电缆敷设要求：两侧电缆通道从主甲板天花沿驾驶室两侧舱壁往下延伸至主甲板地板，然后从贴近地板处穿过舱壁进入驾驶室，再沿地板敷设至驾控台;驾控台两侧采用花铁板或者其他材料覆盖在主干通道上方，形成一个台阶，起装饰作用，同时保护电缆避免机械损伤，如图4所示：

3.4   上建部分主干电缆布置

（1）该船主甲板尾部的舱室布置情况：左舷区域为卫生间，右舷区域为配电间、备餐间，中部为人行通道。驾控台至两台舵桨及推进电机的控制电缆，应分开并尽可能远离敷设;为兼顾左右舷设备，上建甲板亦需分成左右舷两条主干通道;该船尾部的舱室布置使得主干电缆路径布置较为困难，左舷电缆路径避开楼梯并与下一层电缆通道连通，只有左舷卫生间可布置，但由于卫生间属于一般潮湿处所，与基本设计要求有一定的冲突。为达到主干电缆分开及远离敷设的要求，该船选择在卫生间内布置电缆通道，同时采取防水装饰板包裹等措施对电缆进行防潮处理，如图5所示。

（2）基于旅客的观光需求，主甲板客舱区以及二层甲板的结构型式为全通透玻璃。船中及船首，上下两层除了结构骨材外，两舷没有舱室钢壁;从主甲板通往二层甲板的主干电缆路径若沿玻璃窗往上走，则会影响客舱的整体美观，同时不利于电缆的固定，施工工艺复杂。经过优化菜梯间的开门方向和装修方案，让出通道空间，电缆通道在主甲板天花沿菜梯间外侧舱壁往上通至二层甲板天花，从而将两层主干电缆通道连通;二层甲板菜梯间外侧电缆通道位置利用可拆卸的装修板包围起来，满足美观效果和维修需求;二层甲板及以上没有要求必须分开敷设的电缆，因此设一个上下贯通的电缆通道可满足规范要求。

4    结束语

主干电缆路径是船舶详细设计的重要图纸，可以指导电气系统设计和生产设计。故主干电缆路径设计要求设计人员掌握规范标准、熟悉船舶相关设计图纸、了解机电设备供电及控制特点，进行全局考虑，兼顾全船用电设备，将电缆网络尽可能清晰简洁地表达。主干电缆路径的合理设计，一定程度上减少电缆的长度，降低施工难度，节约成本，同时保障了用电设备的工作需求，使电气系统的安全性、可靠性更高。

参考文献

[1] 贾立玖. 常规运输船主干电缆路径设计分析[J]. 船舶设计通讯，2013（2）.

[2] 卢时俊. 浅析船舶电缆设计的流程及现场施工过程中存在问题的解决措施.科技创新与应用，2015，27.

[3] 船舶主干电缆设绘要求[S]. CB/T4451-2016.

[4] 中国船级社（CCS）纯电池动力船舶检验指南[S]. 2019.