船舶电气设计中电缆设计的研究
时间：2020-12-18 20:06:50 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]船舶电气设计过程中，电缆设计是核心。按部就班的设计只是理想状态，实际设计过程中不断返工会造成电缆设计发生很多不可控错误。为了预测船舶电缆的老化状况，首先对船舶电缆进行建模，分析船舶电缆的老化过程，得出阻抗和电弧电流的变化规律，然后利用卡尔曼滤波算法对电缆老化过程中的阻抗值进行预测，依据预测的阻抗值和当前阻抗值的残差来检测电缆工作状态，通过对AutoCAD、AM12、EXCEL软件二次开发可以自动实现对电缆路径和电缆长度的核查，提高设计准确率。
[关键词]船舶；电气设计；电缆设计；措施
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0056-01
1导言
船舶电缆布线设计和电缆清册的生成是船舶设计中的一个非常重要的环节，常规船舶中电缆规格有上百种，应用场合不一，使得电缆布线设计时间长，难度大，耗费人力多。船舶电缆与陆上电缆有显著不同，陆上电缆是通过高架线路进行铺设的，而船舶电缆通过电缆托架进行铺设，电缆与电缆托架之间会构成电容器，在海洋环境下，电缆绝缘层易被腐蚀老化，同时伴有短弧。
2电缆设计的基本概述
在任何设计模式下，船舶电气的电缆设计结果最终都通过EXCEL表格来体现，使用EXCEL表格虽然有投入人员少、速度快、操控性强及修改便捷等优点，但也存在很多不足之处。在所有输入信息一成不变的情况下按部就班地设计相对容易，对于正常设计时经常遇到的电缆编号重复、手工填写电缆外径、整理电缆长度、统计节点容量等问题，在很多相关的研究中都有解决方案，但如何在不断修改的情况下还保证电缆设计的准确性却很难做到。
电缆设计的主要基础元素是设备、节点和电缆，这三个元素中自带很多信息，任何一个信息的变化都会引起电缆册的变化，所以，要想做好电缆设计的过程控制，必须研究清楚电缆设计的主要问题点及其解决办法。
3船舶电缆老化过程中阻抗和电弧电流有效值变化规律
3.1船舶电缆老化过程
船舶电缆是均匀传输线路，船舶电缆模型下图所示。其中：电感L2表示每单位长度电缆具有的电感；R表示每单位长度电缆具有的电阻；C2表示每单位长度电缆具有的电容；C1表示由于电缆老化使电缆与电缆托架之间构成电容器的电容；arc为电缆老化过程中产生的短路电弧；AC是交流电源；L1集中反映交流电流在通过除老化电缆之外的其余电缆线时产生的磁场效应。电缆老化表现为：绝缘层逐渐被腐蚀，绝缘性越来越差，C1的电介质相对介电常数εr变小，根据C=εrS/（4πkd）（其中：C表示电容量；εr表示相对介电常数；S表示电容器两极板正对面积；d表示两极板的距离；k表示静电常数；π表示圆周率。）可知，C1的电容值也会逐渐变小；当电缆的绝缘层被腐蚀处于临界状态时，C2两端将会产生短路电弧，并且随着绝缘性越来越差，短路电弧的电导率Gs0将逐渐增大。
3.2阻抗和电弧电流有效值数据采集
在仿真实验中首先搭建船舶电缆模型，通过减小模型中电缆与电缆托架构成的电容器的值，增大短路电弧电导的值，模拟电缆的老化过程，采集电缆老化过程中阻抗值和电弧电流有效值，并且观察它们的变化规律。
4船舶电气设计中电缆设计要点
4.1软件功能设计
电缆清册是现场施工的依据，它包括图号、工程号、电缆规格、电缆编号、电缆长度、起始点和终止点等信息，现场人员根据这些信息进行电缆拉放。根据三维模型信息和电缆清册信息就可以开发电缆布线软件。
首先在三维设计软件中提取托架和设备的位置信息，将这些信息存储在SQLServer数据库中，通过电缆布线软件来管理这些信息，然后根据位置信息，采用经典的Dijkstra算法和托架限制条件计算出设备间的最优路径，最终可按照电缆采购需求和现场施工需求统计电缆总长度和不同区域的电缆长度，生成电缆清册。
电缆布线软件按功能区分为系统管理、工程初始化、电缆设计、报表输出和电缆管理五部分。系统管理包括用户设置、切换工程和退出系统三部分。工程初始化包括节点信息录入、甲板代号、区域代号、电缆规格和电缆清册导入。工程初始化是整个系统的基础部分，是进行电缆计算的先决条件。电缆设计包括基本信息和线路信息两部分，是整个系统的核心部分。报表输出包括电缆册报表、节点报表和电缆汇总，是整个软件的输出部分，输出内容以供现场施工时使用。电缆管理包括修改用量登记和电缆用量报表，是对整个项目电缆使用情况的统计，为后续项目提供参考。
4.2电缆路径的构成
对于了解电缆路径的构成，需要提到一个概念是电缆节点。电缆节点概念的提出，主要是为了解决电缆在不同设备之间形成通路时没有可以量化的媒介的问题，生产设计全船主干托架和分支托架建模比例达到一定程度后，在托架上对应建立电缆节点，节点的设置要保证其所经过的电缆路径以及节点对应的托架容量得到准确体现。
电缆册设计的过程是根据主干电缆和支路的走向编制节点并量取每段节点间的长度，然后根据电缆经过的路径填写所经过的所有节点，加上首尾长度统计每一根电缆的最终长度。电缆的路径构成一般包括：起始设备到第一个节点的电缆长度，中间节点明细清单，终止设备到最后一个节点的电缆长度。电缆设计过程中，由于各种原因，会有一些输入信息变化，从而在不同程度上影响电缆路径和长度。
5解决方法
经过对影响电缆路径和长度因素的各种情况分析可以看出，最终影响电缆路径和长度的几个参数是：设备到节点的连接关系，设备到节点的长度信息，节点间的连接关系，节点间的长度信息，电缆总长信息。
怎么获得这些信息并利用这些信息对电缆路径和长度进行核对？须通过对三维建模软件AM12的深入研究，可以设法将设备到节点的连接关系及长度，节点间的连接关系及长度从AM12模型中提取出来，同时通过对EXCEL电缆册中电缆路径进行拆解分析处理，这样就能判断出电缆路径中是否存在错误，同时按照正确的路径重新核算一遍电缆长度。
5.1提取设备到节点的连接关系及长度
在利用AM12软件进行生产设计设备建模过程中，将每个设备电缆出线的各种可能通过连接附近的节点体现出来，在进行设备节点连接时，设备到节点的关联信息存储在AM12数据库中，与此同时，对应这些设备节点连接关系，应根据不同设备实际情况，将设备到节点的理论间距也填写进数据库。数据的命名规则为：/EN_设备代号_节点代号。可以从AM12中提取这些信息，存储到EXCEL表中。
5.2提取节点间的连接关系及长度
与设备到节点的连接关系和长度类似，节点到节点也有一个连接关系，在各个区域生产设计人员完成节点连接之后，这些节点连接关系都存储在AM12数据库中。与设备到节点连接的长度由设计人员输入不同，节点之间的连接是AM12模型中实际存在的与真實路径完全一致的连接关系，节点之间的间距可以直接通过三维空间内X、Y、Z的绝对值求和获得，通过提取每两个节点间的连接关系，以及两个节点的X、Y、Z坐标值，这样就可以通过计算获得节点间的距离。
5.3路径长度的分解
电缆路径长度分解开来包括：起始设备到第一个节点的连接关系以及对应的长度，每两个中间节点间的连接关系以及对应的长度，终止设备到最后一个节点的连接关系以及对应的长度。
结语：对于电缆设计的过程控制，通过对AutoCAD、AM12、EXCEL软件的充分研究，对电缆册设计需要的各种关键信息进行采集处理，有效控制电缆册设计过程中由于外界因素影响返工修改造成的不确定错误，大幅缩短了电缆设计的时间，提高了工作效率和设计准确率。
参考文献
[1]王鹤荀.船舶电缆绝缘老化规律及快速检测方法研究[D].大连海事大学，2014.
