船舶電站電力系統(tǒng)應(yīng)用研究范文

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1深潛水工作母船中壓電力系統(tǒng)特點(diǎn)

中/高壓電力系統(tǒng)最本質(zhì)特點(diǎn)是大容量、高電壓、低電流，相關(guān)技術(shù)都是圍繞該特點(diǎn)展開的。由P=槡3UIcosθ可知，在保證輸出功率一定情況下，電壓與電流成反比，因此在船舶上提高電氣設(shè)備工作電壓，可達(dá)到減小工作電流目的，而通常情況下電氣設(shè)備體積只與電流有關(guān)，即發(fā)熱和散熱問題，與電壓關(guān)系不大，提高電氣設(shè)備工作電壓需要提高電氣設(shè)備絕緣等級，而提高電氣設(shè)備絕緣值在目前技術(shù)水平下比較容易實(shí)現(xiàn)，且穩(wěn)定可靠，體積和成本基本沒有變化，因此提高船舶電壓可以實(shí)現(xiàn)減小船舶電力系統(tǒng)的電流，該方法對于大容量船舶電站特別有利，因此大功率電站為減小電流，一般會采用中高壓電力系統(tǒng)。深潛水工作母船電站容量達(dá)到15440kW，采用6600V電力系統(tǒng)，最大電氣設(shè)備是尾部電力推進(jìn)系統(tǒng)，單套電力推進(jìn)系統(tǒng)功率達(dá)到3500kW，因?yàn)椴捎弥袎海娏鞑⒉淮螅瑥闹袎号潆姲宓轿膊客七M(jìn)系統(tǒng)只需3根3×95中壓電纜就可以滿足推進(jìn)系統(tǒng)額定電流載流量，這充分反映了船舶中壓電力系統(tǒng)優(yōu)越性。2臺側(cè)推和1臺可伸縮式推進(jìn)器功率分別為2000kW和1500kW，因?yàn)椴捎弥袎海瑥闹袎号潆姲宓絺?cè)推和可伸縮式推進(jìn)器只需2根中壓3×50電纜。從上述推進(jìn)系統(tǒng)電纜選擇可見，因?yàn)樵摯捎?600V中壓電力系統(tǒng)，極大地減小了推進(jìn)系統(tǒng)電流，因此減少電纜的使用量，也節(jié)省了現(xiàn)場施工量和時間，同時也降低了電網(wǎng)和電力設(shè)備的電流熱損耗，有效地減小了電力設(shè)備體積。目前船舶上中/高壓電力系統(tǒng)通常采用6.6kV和11kV兩種電制，一般電站容量達(dá)到12MW以上，采用6.6kV電制，電站容量達(dá)到20MW以上考慮采用11kV電制。

2中/高壓電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

2.1采用高阻接地系統(tǒng)

一般低壓船舶電站容量不大，通常采用三相絕緣制，此時電網(wǎng)單相發(fā)生故障時，因?yàn)閷Φ厥墙^緣的，故障相不能形成回路，不會產(chǎn)生很大的短路電流，電網(wǎng)得以免受破壞，這就是三相絕緣的優(yōu)點(diǎn)。三相絕緣制適用于低壓小容量電站。但是船舶電站容量太大，此時電網(wǎng)對地分布電容增加，發(fā)生單相短路故障時，雖不會產(chǎn)生短路電流，但是電網(wǎng)短路相電容電流較大，容易產(chǎn)生間歇性電弧，向電網(wǎng)電容反復(fù)充放電，由于對地電容中能量不能釋放，造成電壓升高，從而產(chǎn)生弧光接地過電壓或諧振過電壓，其值可達(dá)很高倍數(shù)額定電壓，對設(shè)備絕緣造成威脅，波及整個電網(wǎng)，使那些絕緣薄弱環(huán)節(jié)相繼發(fā)生絕緣擊穿。為避免上述情況，目前船舶上大容量電站通常采取高阻接地，如圖2所示。如發(fā)生電弧接地，電弧點(diǎn)反復(fù)燃熄滅，大地通過接地點(diǎn)向故障相充電，形成振蕩過程，若使電荷在從電弧熄滅到重燃期間(半個工頻周期)通過中性點(diǎn)電阻器泄漏掉，過電壓就能降低，避免電弧振蕩。此時故障相與接地電阻、分布電容組成一階電路，線路對地電容向RN放電遵循e－t/T規(guī)律，設(shè)置合適的R值，保證在半個周期內(nèi)，大部分電荷可以通過電阻泄漏掉，不產(chǎn)生振蕩過電壓，因此在船舶中壓電力系統(tǒng)接入電阻后，可限制接地電流值，使達(dá)到接地電弧自行熄滅，保護(hù)裝置可不跳閘。這種高阻值接地方式比較適合于規(guī)模不大電力系統(tǒng)，接地故障電流不大于10A，3～10kV中壓電力系統(tǒng)，高阻接地通常運(yùn)用在大容量船舶電力系統(tǒng)中［2］。除三相絕緣系統(tǒng)、高阻接地外，還有直接接地系統(tǒng)和經(jīng)過消弧線圈接地。直接接地系統(tǒng)發(fā)生故障時將會導(dǎo)致電網(wǎng)故障相斷電，影響船舶電網(wǎng)供電;消弧線圈接地方式一般適用于接地故障電流較大電網(wǎng)，船舶電網(wǎng)接地電流一般在10A左右，因此也不采用。常用電站接地方式比較見表2。深潛水工作母船電站容量達(dá)到15440kW，采用高阻接地方式。

2.2變壓器差動保護(hù)

為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般對重要設(shè)備進(jìn)行差動保護(hù)，船舶規(guī)范要求大于1500kVA設(shè)備采用差動進(jìn)行保護(hù)。在船舶低壓電力系統(tǒng)中，變壓器容量小，不采用差動保護(hù)，而中高壓船舶電力系統(tǒng)船舶電站容量大，變壓器容量大，通常大于1500kVA，需要采用變壓器差動保護(hù)。變壓器差動保護(hù)原理基于基爾霍夫電流定律，把變壓器看成是一個節(jié)點(diǎn)，正常時流進(jìn)和流出變壓器電流相等，差動電流等于0。圖3為雙繞組單相變壓器縱差保護(hù)原理圖，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，差動電流大于0，當(dāng)差動電流大于差動保護(hù)裝置整定值時，差動將動作，被保護(hù)設(shè)備各側(cè)斷路器跳開，故障變壓器斷開電源而受到保護(hù)。圖中把變壓器看成一個節(jié)點(diǎn)，在正常運(yùn)行或外部短路時，流入差動繼電器KD電流為ir=iⅠ+iⅡ，考慮變壓器原副邊變比，理想情況下iⅠ=0，但變壓器內(nèi)部故障時，流過差動繼電器KD電流ir=iⅠ+iⅡ≠0，當(dāng)該電流大于設(shè)定值時，繼電器KD動作，實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)。實(shí)際上存在誤差因素，流過繼電器存在不平衡電流，但該不平衡電流比較小，不會引起差動保護(hù)動作。為防止差動保護(hù)誤動作，選擇變壓器正常工作時，2個二次電流相等，所以令:船舶電站為三相電源，變壓器原副邊均需3個電流互感器，根據(jù)變壓器三相線圈星三角接法采取相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)變壓器的差動保護(hù)。在船舶電力系統(tǒng)中，除了變壓器差動保護(hù)外，為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定，也有發(fā)電機(jī)差動保護(hù)、母線排差動保護(hù)，采何種保護(hù)，除滿足規(guī)范外，可根據(jù)船舶電站選擇。深潛水工作母船電站容量大，對2臺3500kVA主變壓器和4臺發(fā)電機(jī)采用了差動保護(hù)。

2.3船舶中壓電力系統(tǒng)諧波

中/高壓船舶電站一般容量大，電氣設(shè)備多，電力系統(tǒng)復(fù)雜，如果采用電力推進(jìn)系統(tǒng)和其他大型電氣設(shè)備，將會產(chǎn)生明顯的諧波而帶來危害，需要采用措施減少諧波。通常電力系統(tǒng)諧波主要是晶閘管逆變、整流元件等產(chǎn)生，深潛水工作母船電力推進(jìn)系統(tǒng)是船舶電網(wǎng)諧波產(chǎn)生主要來源，采取控制電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波措施，經(jīng)過整流電壓諧波分析，變頻器整流脈沖數(shù)m越多，產(chǎn)生的諧波幅值越低，因此一般通過提高變頻器整理脈沖m數(shù)量減小電網(wǎng)的諧波含量［3］。

2.3.1采用虛擬24脈沖整流深潛水工作母船通過2套12脈沖電力推進(jìn)系統(tǒng)組成虛擬24脈沖整流變頻，減小諧波。實(shí)現(xiàn)方法:將其中1套電力推進(jìn)系統(tǒng)電源移相15°，使2套經(jīng)過12脈沖整流得到的直流波形的紋波相互錯開15°，疊加后得到24脈沖的直流波形，原理如圖4所示，假設(shè)第2臺變壓器原邊超前第1臺原邊15°，則線電流也比第1臺超前15°(15°移相可以通過變壓器原邊延邊三角形接法實(shí)現(xiàn)變壓器移相)，則iA″超前iA''''15°，對于iA''''則有:從上式可知，電網(wǎng)中諧波含量很少，虛擬24脈沖整流方式提高了船舶電網(wǎng)品質(zhì)。根據(jù)目前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)配置，通過2套12脈沖整流變壓器實(shí)現(xiàn)虛擬24脈沖整流，是一種效果好，成本較低的諧波控制方式，因此在船舶上經(jīng)常使用。如再減小諧波，可采取更高波次整流，如48脈沖整流，采用2套24脈沖電力推進(jìn)系統(tǒng)組成虛擬48脈沖整流，此時每套電力推進(jìn)系統(tǒng)需要2臺變壓器，如圖5所示，不僅增加成本，也給現(xiàn)場布置和施工帶來難度，目前48脈沖整流電力推進(jìn)運(yùn)用很少，只在部分鋪管船方案設(shè)計中出現(xiàn)過。近年來出現(xiàn)36脈沖、54脈沖、72脈沖變頻整流，這類變頻器由1臺主變壓器和幾臺副變壓器組成，每個副變壓器偏移一定角度，組成一定脈沖整流，為安裝方便，主副變壓器集成為1臺變壓器，諧波控制效果也很好，是一種比較有潛力的變頻器，相信以后會逐步在船舶上使用。

2.3.2深潛水工作母船中壓電力系統(tǒng)諧波推進(jìn)器是船舶電網(wǎng)諧波的主要來源，深潛水工作母船配備了5臺推進(jìn)器，其中:1)2臺主電力推進(jìn)系統(tǒng)，單臺電力推進(jìn)功率達(dá)到3500kW，采用12脈沖變頻控制，2臺電力推進(jìn)系統(tǒng)組成虛擬24脈沖變頻整流;2)1臺可伸縮推進(jìn)器，功率為1500kW，采用12脈沖變頻控制;3)2臺側(cè)推，功率為2000kW，采用軟啟動。深潛水工作母船2臺主推進(jìn)系統(tǒng)采用虛擬24脈沖變頻推進(jìn)系統(tǒng)，減小電站諧波;側(cè)推采用軟啟動，啟動完成后切換到全壓運(yùn)行，對電站影響不大;可伸縮推進(jìn)器采用12脈沖變頻控制，功率不大，對電站影響有限。為控制諧波，對深潛水工作母船電站進(jìn)行計算，先對主發(fā)電機(jī)、推進(jìn)變壓器、變頻器等效成數(shù)學(xué)模型再進(jìn)行計算，電站諧波量理論值和實(shí)際實(shí)驗(yàn)值見表3。從表中可看出，電站諧波理論值和實(shí)際值有一定差距，經(jīng)分析實(shí)際船舶電網(wǎng)中存在電容，將諧波放大，因此在進(jìn)行理論計算時，需要考慮電網(wǎng)中放大因素，保證電網(wǎng)諧波理論值更加接近實(shí)際值。

2.4大容量變壓器預(yù)充磁

中/高壓電力系統(tǒng)因電站容量大，通常會使用大容量船用變壓器，大容量變壓器空載合閘會產(chǎn)生很大的沖擊電流，變壓器合閘時電流一般能達(dá)到其自身額定值的4～6倍，沖擊電流將導(dǎo)致變壓器保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動作，影響整個船用電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電連續(xù)性。為限制大容量變壓器空載合閘產(chǎn)生空載合閘沖擊電流，在合閘之前需要對變壓器副邊進(jìn)行預(yù)充磁。

2.4.1變壓器空載合閘電流分析變壓器簡化等效電路見圖6，變壓器空載合閘從該式可知空載啟動與額定運(yùn)行時差異是因?yàn)榇嬖贑，從定性分析，空載啟動除了磁通平滑正弦變化外，還增加一個突變值C，使變壓器空載合閘磁通由周期分量Imsin(ωt+θ)和非周期分量Imsinθ兩部分組成。當(dāng)變壓器空載合閘時電壓初始相角θ=90°時，合閘磁通表達(dá)式為:I=Imm，此時變壓器空載合閘磁通最大能達(dá)到額定磁通2倍，實(shí)際考慮到變壓器剩磁，這個數(shù)將在2倍以上。由圖7可看出，變壓器額定工作狀態(tài)均在膝點(diǎn)附近A點(diǎn)，此時鐵芯已接近飽和，如磁通達(dá)到2倍以上，此時變壓器工作在B點(diǎn)，將導(dǎo)致變壓器高度飽和，勵磁電流很大，此時產(chǎn)生勵磁電流為額定勵磁電流80～100倍，盡管有功電流不大，但合成空載電流仍達(dá)到變壓器額定電流4～6倍，引起沖擊電流。從上面公式推導(dǎo)中可知，變壓器合閘沖擊電流與合閘時電網(wǎng)的值有關(guān)，并在0°～360°變化，因此變壓器合閘沖擊電流值存在一定的隨機(jī)性。但船舶使用三相變壓器，每相相差120°，一般三相電源中總有一相電流接近0或者等于0，總有一相合閘電流較大，因此大容量變壓器需要采取預(yù)充磁方式減小變壓器空載合閘電流。預(yù)充磁變壓器的連接方式如圖8所示，一般其容量為主變壓器1%，變比相當(dāng)。進(jìn)行預(yù)充磁時，主變壓器為預(yù)充磁變壓器的負(fù)載，相對于變壓器正常工作狀態(tài)，預(yù)充磁變壓器工作一段時間之后，主變壓器內(nèi)部通過預(yù)充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁通，此時變壓器主開關(guān)合上時，由于內(nèi)部磁通已穩(wěn)定，不會造成系統(tǒng)磁通突變，無沖擊電流，啟動完成后，取消預(yù)勵磁，主變壓器正常運(yùn)行。需要注意的是，變壓器采用預(yù)勵磁時，需要考慮預(yù)勵磁電源，一般船舶低壓電源是通過變壓器提供，在設(shè)計預(yù)勵磁時需要考慮。

2.4.2深潛水工作母船大容量變壓器調(diào)試根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單臺變壓器達(dá)到發(fā)電機(jī)容量1/2時需要考慮加裝預(yù)勵磁變壓器，深潛水工作母船配置4臺大容量變壓器:2臺3500kVA變壓器和2臺2000kVA變壓器，這些變壓器應(yīng)采用預(yù)勵磁啟動，但實(shí)際進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計時，只有3500kVA變壓器采用預(yù)勵磁啟動，2000kVA變壓器沒有采用預(yù)勵磁，結(jié)果調(diào)試時2000kVA變壓器，因?yàn)榭蛰d啟動電流大，中壓配電板上真空斷路器發(fā)生不能合閘的情況，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，10次合閘7次成功，3次失敗，滿足實(shí)際使用，2000kVA變壓器合閘存在一定的隨機(jī)性，根據(jù)前面分析，正好說明:變壓器合閘沖擊電流與合閘時電網(wǎng)值有關(guān)，當(dāng)三相某相接近90°時，變壓器合閘沖擊電流大，導(dǎo)致真空斷路器不能合閘，三相與90°相差較大，真空斷路器能合閘，因此電力系統(tǒng)設(shè)計時，大容量變壓器必須采用預(yù)勵磁啟動。

3中/高壓電纜終端接線工藝

中/高壓電力系統(tǒng)除在設(shè)計中采取相應(yīng)方法，同時也要考慮相應(yīng)中壓工藝，保證電力系統(tǒng)可靠性，因此中/高壓電力工藝成為船舶建造的研究對象，中/高壓電纜終端安裝工藝在船舶涉及范圍較大，關(guān)系船舶電網(wǎng)安全，成為中/高壓船舶設(shè)計和建造中重要內(nèi)容。中/高壓電纜因?yàn)檩斔偷碾妷焊撸瑸楦纳齐娎|導(dǎo)體電極表面電場分布和絕緣表面耐電強(qiáng)度，在金屬導(dǎo)體和絕緣外層安裝了一層擠包半導(dǎo)電屏蔽層。導(dǎo)體帶電時，導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間將形成徑向分布的電場，電纜的電場只有從導(dǎo)線沿半徑向屏蔽層的電力線，沒有芯線軸向的電場(電力線)，且電場分布是均勻的。但在制做電纜接頭時，需要剝?nèi)テ帘螌樱瑢⒏淖冸娎|原有電氣結(jié)構(gòu)，原電場分布發(fā)生改變，產(chǎn)生對絕緣極為不利切向電場(沿導(dǎo)線軸向的電力線)。微準(zhǔn)確計算電纜斷口處電場，可以根據(jù)電纜端部及其表面等效電路進(jìn)行計算，等效電氣圖如圖9所示，Yv為單位長度電纜絕緣層的體積導(dǎo)納，Ys為單位長度電纜絕緣層表面導(dǎo)納，在交流電壓下，絕緣層表面任一點(diǎn)的電壓和電流有關(guān)系如下經(jīng)一系列推導(dǎo)，可得電纜端部電場最大，屏蔽層斷口處最容易發(fā)生放電部位，此時電纜端部電場分布如圖10所示，電場集中易發(fā)生電暈，產(chǎn)生熱量破壞電纜絕緣，加速電纜絕緣老化，縮短電纜壽命，嚴(yán)重會發(fā)生短路，引起事故。為克服中/高壓電纜端部發(fā)生電暈，保證電纜絕緣可靠性，需要對中/高壓電纜端部采取相應(yīng)措施。根據(jù)目前船舶實(shí)際施工條件和材料，可以采用應(yīng)力管改善中高壓電纜終端電場分布，緩和電應(yīng)力的作用。應(yīng)力管材質(zhì)構(gòu)成是由多種高分子材料共混或共聚而成，基材是極性高分子，再加入高介電常數(shù)的填料。應(yīng)力控制材料介電常數(shù)都大于20，體積電阻率為108～1012Ω•cm。安裝應(yīng)力管后可以改善電纜端部電場分布，分散電纜端部電場，安裝應(yīng)力管后電場分布如圖11所示，此時電場在電纜端部均勻分布，較好地解決電場集中問題。根據(jù)上述方法編制深潛水工作母船中/高壓電纜終端接線工藝，現(xiàn)場按照該方法施工，經(jīng)檢測高壓電纜絕緣值很大，絕大部分處于47000～69000MΩ，趨向于無窮大，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求6600V電氣絕緣值7.6MΩ，且漏電流很小，約為15μA。測試數(shù)據(jù)說明該工藝效果極好，滿足規(guī)范要求。

4中/高壓電力系統(tǒng)在其他船型上的應(yīng)用

因?yàn)榇爸?高壓電力系統(tǒng)高電壓、大容量、低電流特點(diǎn)，滿足未來大容量船舶電站要求，比較適合大容量船舶，主要適用工程船和海洋平臺:工程船對操作性要求比較高，采用DP2或者DP3定位，大部分采用電力推進(jìn)，電站容量一般比較大，目前普遍采用中高電力系統(tǒng)，如DCV5000鋪管船采用DP3定位，除起重、鋪管設(shè)備外，配置8臺電力推進(jìn)器，電站容量很大，采用11kV電站;海洋平臺系統(tǒng)多，因?yàn)楣こ套鳂I(yè)，帶有較大系統(tǒng)或者設(shè)備，導(dǎo)致電站容量比較大，一般采用中高壓電力系統(tǒng);散貨船、客滾船，因?yàn)楹叫薪?jīng)濟(jì)性，一般采用柴油機(jī)推進(jìn)，且船舶系統(tǒng)和設(shè)備不多，電站容量不大，一般采用低壓電站;冷藏集裝箱船，因?yàn)楹叫薪?jīng)濟(jì)性，一般采用柴油機(jī)推進(jìn)，船舶主要系統(tǒng)為冷藏集裝箱設(shè)備，而每個冷藏集裝箱功率通常只有11kW，如果考慮同時工作系數(shù)，1000個冷藏集裝箱需要的功率也只有約4000kW，因此這些電站容量一般不大，一般不采用中/高壓電力系統(tǒng)。

5結(jié)語

船舶中/高壓電力系統(tǒng)能夠得到發(fā)展，是因?yàn)槠渥陨硖攸c(diǎn)符合了未來大型船舶發(fā)展的需要，采用中/高壓電力系統(tǒng)將是未來船舶電站的發(fā)展趨勢，相信在以后的船舶設(shè)計和建造過程中，將會遇到越來越多中/高壓電站船舶。全面把握中壓電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和工藝，需要進(jìn)行大量的學(xué)習(xí)和研究。

作者：郭寧路澤文張敏汪秉文單位：武昌船舶重工有限責(zé)任公司