本文介紹了船舶交流高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇、中性點(diǎn)高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計(jì)算、大容量變壓器預(yù)防起動(dòng)沖擊電流的措施等。

　　1前言

　　通常對(duì)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(lái)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(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇、中性點(diǎn)高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計(jì)算、大容量變壓器預(yù)防起動(dòng)沖擊電流的措施等。

　　2電壓等級(jí)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(guò)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(guò)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(yàn)以及維護(hù)都比較簡(jiǎn)單，因此當(dāng)船舶電站容量較小時(shí)，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(huì)變得更加龐大，輸電損耗也會(huì)增加，對(duì)船上非常狹小的空間來(lái)說(shuō)就不太適用了;另外，電氣設(shè)備包括電機(jī)、變壓器、保護(hù)開(kāi)關(guān)、匯流排、電纜等在某個(gè)電壓等級(jí)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(guò)了這個(gè)限度后，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性就會(huì)變差，因此只能靠升高電壓等級(jí)來(lái)擴(kuò)大容量。

　　2.3電壓等級(jí)的選擇

　　電力系統(tǒng)電壓等級(jí)是根據(jù)電力系統(tǒng)短路容量確定的，某個(gè)電壓等級(jí)下電力系統(tǒng)最大短路容量又是由該電壓等級(jí)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(jiàn)表1。電力系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)確定發(fā)電機(jī)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(jí)，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(huì)饋送短路電流，因此帶變頻器的線路，如推進(jìn)電機(jī)等短路電流為零;(2)根據(jù)英國(guó)勞氏規(guī)范，電力系統(tǒng)短路電流按發(fā)電機(jī)額定電流的10倍+其它電動(dòng)機(jī)額定電流的3倍計(jì)算;如果有發(fā)電機(jī)的X”參數(shù)，發(fā)電機(jī)饋送短路電流按發(fā)電機(jī)額定電流/X”計(jì)算更為準(zhǔn)確;其它電動(dòng)機(jī)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(jì)算;峰值短路電流為對(duì)稱(chēng)短路電流的2.5倍。根據(jù)計(jì)算所得短路電流，用來(lái)校核斷路器的分?jǐn)嗄芰�、峰值短路電流用�?lái)校核斷路器的接通能力。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，電站容量與電壓等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表2所列。

　　3中性點(diǎn)高阻接地變壓器和接地電阻參數(shù)計(jì)算

　　電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地有多種方式：中性點(diǎn)直接接地;中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地;中性點(diǎn)不接地;中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地;中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)時(shí)，電容電流會(huì)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(shí)，不接地系統(tǒng)的電弧不能自動(dòng)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(yùn)行中產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，設(shè)備的安全運(yùn)行性能將受到破壞，不接地系統(tǒng)的操作過(guò)電壓要高于高電阻接地系統(tǒng)。對(duì)于交流高壓電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的初衷就是限制接地故障電流，因此通過(guò)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(yùn)行方式下實(shí)測(cè)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的接地電容電流主要是高壓發(fā)電機(jī)、高壓電動(dòng)機(jī)和高壓電纜的電容電流，先分別計(jì)算每一個(gè)高壓發(fā)電機(jī)、每一個(gè)高壓電動(dòng)機(jī)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(diǎn)高電阻接地方式，通常有下列三種：(1)系統(tǒng)中性點(diǎn)利用高壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，電阻器直接接入高壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都需配置。采用此種方式，對(duì)電阻器要求耐壓高、阻值大、電流小。電阻的阻值，按下式計(jì)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(diǎn)利用發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，然后通過(guò)一個(gè)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(tái)發(fā)電機(jī)都需配置，如圖1所示。圖電阻的阻值，按下式計(jì)算：RN——系統(tǒng)中性點(diǎn)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(guò)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(diǎn)的方式，這個(gè)中性點(diǎn)由一臺(tái)專(zhuān)用的三相接地變壓器或者三臺(tái)單相接地變壓器來(lái)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(diǎn)引出一根單芯電纜直接接地，副邊為開(kāi)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(dòng)沖擊電流的措施

　　變壓器的起動(dòng)類(lèi)似于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(dòng)沖擊電流將會(huì)引起非常大的電壓瞬時(shí)跌落，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(dòng)以減少?zèng)_擊電流。預(yù)充磁啟動(dòng)方式的原理是：在大容量變壓器主開(kāi)關(guān)合閘前，先采取措拖在變壓器內(nèi)部通過(guò)預(yù)充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁場(chǎng)，當(dāng)其主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，由于內(nèi)部磁通的穩(wěn)定，不會(huì)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(dòng)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(jí)繞組先通過(guò)起動(dòng)電阻接通高壓配電板母線進(jìn)行預(yù)充磁，經(jīng)延時(shí)后再合閘大容量變壓器主斷路器并切除起動(dòng)電阻，完成起動(dòng)過(guò)程;另一種是為大容量變壓器設(shè)一個(gè)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(shí)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(huì)對(duì)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(jī)組+1臺(tái)空調(diào)冷卻水泵+1臺(tái)空調(diào)循環(huán)水泵+4套四面出風(fēng)卡式風(fēng)機(jī)管盤(pán)+1套落地式防爆風(fēng)機(jī)盤(pán)管。其中：雙模塊式冷水機(jī)組、空調(diào)冷卻水泵和空調(diào)循環(huán)水泵布置于機(jī)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(jī)管盤(pán)，在彈藥艙前部布置1臺(tái)落地式防爆風(fēng)機(jī)盤(pán)管(見(jiàn)圖6)。其中，風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)室外機(jī)組重心高，可能影響整體美觀，但是管路少、重量輕、施工較簡(jiǎn)單、制冷效率高、相對(duì)投資成本低;而水冷式空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)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(duì)高速艇總體性能有較大影響，且施工量大。通過(guò)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(shí)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(jī)變頻運(yùn)行，可最大限度降低能耗。建造完畢后，在試驗(yàn)過(guò)程中全艇的空調(diào)制冷效果達(dá)到設(shè)計(jì)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(hù)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(jì)者在設(shè)計(jì)階段應(yīng)及時(shí)與船東、建造廠溝通，針對(duì)船舶的自身特點(diǎn)確定適合的方案，避免在建造過(guò)程中或建造完成后產(chǎn)生重大修改。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[6]船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法[M].北京：國(guó)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(jì)條件和計(jì)算基本[M].北京:中國(guó)船舶工業(yè)總公司.

　　《船舶高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》來(lái)源：《廣東造船》，作者：趙凱 楊玉嬌 危成亮

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