本文介紹了船舶交流高壓電力系統(tǒng)設(shè)計中幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級的選擇、中性點高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計算、大容量變壓器預(yù)防起動沖擊電流的措施等。

　　1前言

　　通常對于電站容量不大的船舶，大多采用交流低壓電力系統(tǒng)。但隨著船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的船舶采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，特別是一些特種用途的船舶，如起重船、鋪管船、半潛船、豪華郵輪等，因其電站的容量非常大，采用交流低壓電力系統(tǒng)已不能滿足使用需求，必須采用交流高壓電力系統(tǒng)。本文探討船舶交流高壓電力系統(tǒng)設(shè)計中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級的選擇、中性點高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計算、大容量變壓器預(yù)防起動沖擊電流的措施等。

　　2電壓等級的選擇

　　船舶及海洋工程的交流電力系統(tǒng)，分為低壓和高壓兩種：交流低壓電力系統(tǒng)是指工作于額定頻率為50Hz或60Hz、導(dǎo)體間最高電壓不超過1kV的交流系統(tǒng)。常用的有690V/440V/380V/220V/110V等;交流高壓電力系統(tǒng)是指額定電壓(線電壓)大于1kV但不超過15kV、額定頻率為50Hz或60Hz的交流系統(tǒng)。常用的有6kV/6.6kV//10kV/11kV等。

　　2.1交流低壓電力系統(tǒng)

　　交流低壓電力系統(tǒng)是船舶上最常用的電力系統(tǒng)，其設(shè)備及電纜的選用、安裝、試驗以及維護都比較簡單，因此當(dāng)船舶電站容量較小時，一般都選用交流低壓電力系統(tǒng)。

　　2.2交流高壓電力系統(tǒng)

　　隨著船舶電站的容量增加，電氣設(shè)備和電纜的體積、重量都會變得更加龐大，輸電損耗也會增加，對船上非常狹小的空間來說就不太適用了;另外，電氣設(shè)備包括電機、變壓器、保護開關(guān)、匯流排、電纜等在某個電壓等級范圍內(nèi)的容量是有限的，當(dāng)電力系統(tǒng)的容量接近或超過了這個限度后，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性就會變差，因此只能靠升高電壓等級來擴大容量。

　　2.3電壓等級的選擇

　　電力系統(tǒng)電壓等級是根據(jù)電力系統(tǒng)短路容量確定的，某個電壓等級下電力系統(tǒng)最大短路容量又是由該電壓等級下斷路器的分?jǐn)嗄芰�決定的。目前，690V交流低壓斷路器的額定電流最大為6300A、分?jǐn)嗄芰ψ畲鬄?00kA、短路容量最大為119MVA;交流高壓電力系統(tǒng)的最大短路容量(MVA)，見表1。電力系統(tǒng)電壓等級選擇時，首先應(yīng)根據(jù)電力負(fù)荷計算書確定發(fā)電機組功率和數(shù)量;然后估算電力系統(tǒng)的短路容量;再根據(jù)電力系統(tǒng)的短路容量確定電壓等級，選擇符合分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲骱拖鄳?yīng)配電板。電力系統(tǒng)的短路容量，按如下方法估算：(1)因變頻器特性不會饋送短路電流，因此帶變頻器的線路，如推進(jìn)電機等短路電流為零;(2)根據(jù)英國勞氏規(guī)范，電力系統(tǒng)短路電流按發(fā)電機額定電流的10倍+其它電動機額定電流的3倍計算;如果有發(fā)電機的X”參數(shù)，發(fā)電機饋送短路電流按發(fā)電機額定電流/X”計算更為準(zhǔn)確;其它電動機的負(fù)荷大小，按電網(wǎng)負(fù)荷減去帶變頻器線路的負(fù)荷后的60%計算;峰值短路電流為對稱短路電流的2.5倍。根據(jù)計算所得短路電流，用來校核斷路器的分?jǐn)嗄芰�、峰值短路電流用來校核斷路器的接通能力。根�?jù)參考文獻(xiàn)[4]，電站容量與電壓等級的對應(yīng)關(guān)系，見表2所列。

　　3中性點高阻接地變壓器和接地電阻參數(shù)計算

　　電力系統(tǒng)中性點接地有多種方式：中性點直接接地;中性點經(jīng)低電阻接地;中性點不接地;中性點經(jīng)高電阻接地;中性點經(jīng)消弧線圈接地等。

　　3.1交流低壓電力系統(tǒng)

　　船舶交流低壓電力系統(tǒng)，通常采用中性點不接地方式。

　　3.2交流高壓電力系統(tǒng)

　　船舶交流高壓電力系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用中性點經(jīng)高電阻接地方式，其主要理由如下：(1)當(dāng)電力網(wǎng)的電壓較高、電纜較長時，電容電流會比較大，尤其是交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，不接地系統(tǒng)的電弧不能自動熄滅，可能引發(fā)火災(zāi);(2)高壓電力設(shè)備的絕緣水平比低壓的低，當(dāng)運行中產(chǎn)生的過電壓超過設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)備的安全運行性能將受到破壞，不接地系統(tǒng)的操作過電壓要高于高電阻接地系統(tǒng)。對于交流高壓電力系統(tǒng)來說，中性點經(jīng)高阻接地的初衷就是限制接地故障電流，因此通過高阻接地裝置的接地電阻性電流原則上應(yīng)等于或稍大于系統(tǒng)的接地電容電流。正確確定系統(tǒng)電容電流的最好辦法是在最大運行方式下實測。在設(shè)計時需要考慮的接地電容電流主要是高壓發(fā)電機、高壓電動機和高壓電纜的電容電流，先分別計算每一個高壓發(fā)電機、每一個高壓電動機和每一根高壓電纜的接地電容電流，再將上述接地電容電流累加得出系統(tǒng)的接地電容電流。交流高壓電力系統(tǒng)中性點高電阻接地方式，通常有下列三種：(1)系統(tǒng)中性點利用高壓發(fā)電機的中性點，電阻器直接接入高壓發(fā)電機的中性點，每臺發(fā)電機都需配置。采用此種方式，對電阻器要求耐壓高、阻值大、電流小。電阻的阻值，按下式計算：(1)式中：RN——直接接入的電阻器阻值(kΩ);Ue——電力系統(tǒng)母線的額定電壓(kV);IR——接地電阻性電流，取1.1倍接地電容電流(A)。(2)系統(tǒng)中性點利用發(fā)電機的中性點，然后通過一個接地用單相降壓變壓器的一次側(cè)線圈進(jìn)行接地，電阻器接到單相降壓變壓器的二次側(cè)，每臺發(fā)電機都需配置，如圖1所示。圖電阻的阻值，按下式計算：RN——系統(tǒng)中性點的等效電阻(kΩ);nφ——單相降壓變壓器的變比;UR2——單相降壓變壓器的二次電壓，取220V;IR2——電阻器中流過的電流(A);S2φ——單相降壓變壓器的容量(kVA)。(3)采用模擬系統(tǒng)中性點的方式，這個中性點由一臺專用的三相接地變壓器或者三臺單相接地變壓器來模擬。接地變壓器是從配電板匯流排獲得供電，其原邊為星形接線，中性點引出一根單芯電纜直接接地，副邊為開口三角形接線，連接接地電阻，每段匯流排均需配置，如圖2所示。

　　4大容量變壓器預(yù)防啟動沖擊電流的措施

　　變壓器的起動類似于電動機的啟動，在啟動過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，其非周期分量可達(dá)十幾倍額定電流。在船舶交流高壓電力系統(tǒng)中，高壓變壓器的容量一般都非常大，因此其啟動沖擊電流將會引起非常大的電壓瞬時跌落，甚至導(dǎo)致發(fā)電機跳閘。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，大容量變壓器往往采用預(yù)充磁方式啟動以減少沖擊電流。預(yù)充磁啟動方式的原理是：在大容量變壓器主開關(guān)合閘前，先采取措拖在變壓器內(nèi)部通過預(yù)充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁場，當(dāng)其主開關(guān)合閘時，由于內(nèi)部磁通的穩(wěn)定，不會造成系統(tǒng)磁通的突變，沖擊電流隨之消失。大容量變壓器預(yù)充磁啟動通常有兩種方式：一種是大容量變壓器的主斷路器先不合閘，其初級繞組先通過起動電阻接通高壓配電板母線進(jìn)行預(yù)充磁，經(jīng)延時后再合閘大容量變壓器主斷路器并切除起動電阻，完成起動過程;另一種是為大容量變壓器設(shè)一個等電壓變比的小容量變壓器即預(yù)充磁變壓器，其連接方式如圖3所示，在投入大容量變壓器之前先投入預(yù)充磁變壓器為大容量變壓器預(yù)充磁，經(jīng)延時后再投入大容量變壓器并切除預(yù)充磁變壓器。因預(yù)充磁變壓器容量很小，其合閘沖擊電流即使倍數(shù)大但電流基數(shù)小，不會對交流高壓電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，一般預(yù)充磁變壓器的容量可按大容量變壓器容量的1%選擇。1套雙模塊式冷水機組+1臺空調(diào)冷卻水泵+1臺空調(diào)循環(huán)水泵+4套四面出風(fēng)卡式風(fēng)機管盤+1套落地式防爆風(fēng)機盤管。其中：雙模塊式冷水機組、空調(diào)冷卻水泵和空調(diào)循環(huán)水泵布置于機艙前部，在駕駛室、接待室、工作室等艙室的天花板上各布置2套四面出風(fēng)卡式風(fēng)機管盤，在彈藥艙前部布置1臺落地式防爆風(fēng)機盤管(見圖6)。其中，風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)室外機組重心高，可能影響整體美觀，但是管路少、重量輕、施工較簡單、制冷效率高、相對投資成本低;而水冷式空調(diào)系統(tǒng)冷水機組重心低、外觀影響小，但其冷卻水和冷媒水的管路多，管路內(nèi)充滿液體重量較重，對高速艇總體性能有較大影響，且施工量大。通過綜合分析論證，最終確定本型艇的空調(diào)采用風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)型式：實艇配置了1套總制冷/熱量為48.6kW的風(fēng)冷型變頻空調(diào)系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)空調(diào)艙室的空氣溫度;空調(diào)室外機變頻運行，可最大限度降低能耗。建造完畢后，在試驗過程中全艇的空調(diào)制冷效果達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，滿足使用要求。

　　5小結(jié)

　　空調(diào)系統(tǒng)的選型，需要考慮用戶使用要求、船舶布置可行性、船舶性能影響、成本控制等多種因素。設(shè)計者在設(shè)計階段應(yīng)及時與船東、建造廠溝通，針對船舶的自身特點確定適合的方案，避免在建造過程中或建造完成后產(chǎn)生重大修改。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]中國船級社.水面艦艇入級規(guī)范[M].北京：2011.

　　[2]輪機工程手冊[M].北京：人民交通出版社.

　　[3]暖通空調(diào)[M].北京：中國建筑出版社.[4]船舶設(shè)計實用手冊(輪機分冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社.

　　[5]采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國有色金屬工業(yè)總公司.

　　[6]船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計參數(shù)和計算方法[M].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局.

　　[7]船舶駕駛室的空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計條件和計算基本[M].北京:中國船舶工業(yè)總公司.

　　《船舶高壓電力系統(tǒng)設(shè)計研究》來源：《廣東造船》，作者：趙凱 楊玉嬌 危成亮

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