船舶电站电力系统应用研究范文

1深潜水工作母船中压电力系统特点

中/高压电力系统最本质特点是大容量、高电压、低电流，相关技术都是围绕该特点展开的。由P=槡3UIcosθ可知，在保证输出功率一定情况下，电压与电流成反比，因此在船舶上提高电气设备工作电压，可达到减小工作电流目的，而通常情况下电气设备体积只与电流有关，即发热和散热问题，与电压关系不大，提高电气设备工作电压需要提高电气设备绝缘等级，而提高电气设备绝缘值在目前技术水平下比较容易实现，且稳定可靠，体积和成本基本没有变化，因此提高船舶电压可以实现减小船舶电力系统的电流，该方法对于大容量船舶电站特别有利，因此大功率电站为减小电流，一般会采用中高压电力系统。深潜水工作母船电站容量达到15440kW，采用6600V电力系统，最大电气设备是尾部电力推进系统，单套电力推进系统功率达到3500kW，因为采用中压，电流并不大，从中压配电板到尾部推进系统只需3根3×95中压电缆就可以满足推进系统额定电流载流量，这充分反映了船舶中压电力系统优越性。2台侧推和1台可伸缩式推进器功率分别为2000kW和1500kW，因为采用中压，从中压配电板到侧推和可伸缩式推进器只需2根中压3×50电缆。从上述推进系统电缆选择可见，因为该船采用6600V中压电力系统，极大地减小了推进系统电流，因此减少电缆的使用量，也节省了现场施工量和时间，同时也降低了电网和电力设备的电流热损耗，有效地减小了电力设备体积。目前船舶上中/高压电力系统通常采用6.6kV和11kV两种电制，一般电站容量达到12MW以上，采用6.6kV电制，电站容量达到20MW以上考虑采用11kV电制。

2中/高压电力系统相关技术

2.1采用高阻接地系统

一般低压船舶电站容量不大，通常采用三相绝缘制，此时电网单相发生故障时，因为对地是绝缘的，故障相不能形成回路，不会产生很大的短路电流，电网得以免受破坏，这就是三相绝缘的优点。三相绝缘制适用于低压小容量电站。但是船舶电站容量太大，此时电网对地分布电容增加，发生单相短路故障时，虽不会产生短路电流，但是电网短路相电容电流较大，容易产生间歇性电弧，向电网电容反复充放电，由于对地电容中能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达很高倍数额定电压，对设备绝缘造成威胁，波及整个电网，使那些绝缘薄弱环节相继发生绝缘击穿。为避免上述情况，目前船舶上大容量电站通常采取高阻接地，如图2所示。如发生电弧接地，电弧点反复燃熄灭，大地通过接地点向故障相充电，形成振荡过程，若使电荷在从电弧熄灭到重燃期间(半个工频周期)通过中性点电阻器泄漏掉，过电压就能降低，避免电弧振荡。此时故障相与接地电阻、分布电容组成一阶电路，线路对地电容向RN放电遵循e－t/T规律，设置合适的R值，保证在半个周期内，大部分电荷可以通过电阻泄漏掉，不产生振荡过电压，因此在船舶中压电力系统接入电阻后，可限制接地电流值，使达到接地电弧自行熄灭，保护装置可不跳闸。这种高阻值接地方式比较适合于规模不大电力系统，接地故障电流不大于10A，3～10kV中压电力系统，高阻接地通常运用在大容量船舶电力系统中［2］。除三相绝缘系统、高阻接地外，还有直接接地系统和经过消弧线圈接地。直接接地系统发生故障时将会导致电网故障相断电，影响船舶电网供电;消弧线圈接地方式一般适用于接地故障电流较大电网，船舶电网接地电流一般在10A左右，因此也不采用。常用电站接地方式比较见表2。深潜水工作母船电站容量达到15440kW，采用高阻接地方式。

2.2变压器差动保护

为保证电力系统稳定性，一般对重要设备进行差动保护，船舶规范要求大于1500kVA设备采用差动进行保护。在船舶低压电力系统中，变压器容量小，不采用差动保护，而中高压船舶电力系统船舶电站容量大，变压器容量大，通常大于1500kVA，需要采用变压器差动保护。变压器差动保护原理基于基尔霍夫电流定律，把变压器看成是一个节点，正常时流进和流出变压器电流相等，差动电流等于0。图3为双绕组单相变压器纵差保护原理图，当设备出现故障时，差动电流大于0，当差动电流大于差动保护装置整定值时，差动将动作，被保护设备各侧断路器跳开，故障变压器断开电源而受到保护。图中把变压器看成一个节点，在正常运行或外部短路时，流入差动继电器KD电流为ir=iⅠ+iⅡ，考虑变压器原副边变比，理想情况下iⅠ=0，但变压器内部故障时，流过差动继电器KD电流ir=iⅠ+iⅡ≠0，当该电流大于设定值时，继电器KD动作，实现差动保护。实际上存在误差因素，流过继电器存在不平衡电流，但该不平衡电流比较小，不会引起差动保护动作。为防止差动保护误动作，选择变压器正常工作时，2个二次电流相等，所以令:船舶电站为三相电源，变压器原副边均需3个电流互感器，根据变压器三相线圈星三角接法采取相位补偿，实现变压器的差动保护。在船舶电力系统中，除了变压器差动保护外，为保证电力系统稳定，也有发电机差动保护、母线排差动保护，采何种保护，除满足规范外，可根据船舶电站选择。深潜水工作母船电站容量大，对2台3500kVA主变压器和4台发电机采用了差动保护。

2.3船舶中压电力系统谐波

中/高压船舶电站一般容量大，电气设备多，电力系统复杂，如果采用电力推进系统和其他大型电气设备，将会产生明显的谐波而带来危害，需要采用措施减少谐波。通常电力系统谐波主要是晶闸管逆变、整流元件等产生，深潜水工作母船电力推进系统是船舶电网谐波产生主要来源，采取控制电力推进系统谐波措施，经过整流电压谐波分析，变频器整流脉冲数m越多，产生的谐波幅值越低，因此一般通过提高变频器整理脉冲m数量减小电网的谐波含量［3］。

2.3.1采用虚拟24脉冲整流深潜水工作母船通过2套12脉冲电力推进系统组成虚拟24脉冲整流变频，减小谐波。实现方法:将其中1套电力推进系统电源移相15°，使2套经过12脉冲整流得到的直流波形的纹波相互错开15°，叠加后得到24脉冲的直流波形，原理如图4所示，假设第2台变压器原边超前第1台原边15°，则线电流也比第1台超前15°(15°移相可以通过变压器原边延边三角形接法实现变压器移相)，则iA″超前iA''''15°，对于iA''''则有:从上式可知，电网中谐波含量很少，虚拟24脉冲整流方式提高了船舶电网品质。根据目前船舶电力推进系统配置，通过2套12脉冲整流变压器实现虚拟24脉冲整流，是一种效果好，成本较低的谐波控制方式，因此在船舶上经常使用。如再减小谐波，可采取更高波次整流，如48脉冲整流，采用2套24脉冲电力推进系统组成虚拟48脉冲整流，此时每套电力推进系统需要2台变压器，如图5所示，不仅增加成本，也给现场布置和施工带来难度，目前48脉冲整流电力推进运用很少，只在部分铺管船方案设计中出现过。近年来出现36脉冲、54脉冲、72脉冲变频整流，这类变频器由1台主变压器和几台副变压器组成，每个副变压器偏移一定角度，组成一定脉冲整流，为安装方便，主副变压器集成为1台变压器，谐波控制效果也很好，是一种比较有潜力的变频器，相信以后会逐步在船舶上使用。

2.3.2深潜水工作母船中压电力系统谐波推进器是船舶电网谐波的主要来源，深潜水工作母船配备了5台推进器，其中:1)2台主电力推进系统，单台电力推进功率达到3500kW，采用12脉冲变频控制，2台电力推进系统组成虚拟24脉冲变频整流;2)1台可伸缩推进器，功率为1500kW，采用12脉冲变频控制;3)2台侧推，功率为2000kW，采用软启动。深潜水工作母船2台主推进系统采用虚拟24脉冲变频推进系统，减小电站谐波;侧推采用软启动，启动完成后切换到全压运行，对电站影响不大;可伸缩推进器采用12脉冲变频控制，功率不大，对电站影响有限。为控制谐波，对深潜水工作母船电站进行计算，先对主发电机、推进变压器、变频器等效成数学模型再进行计算，电站谐波量理论值和实际实验值见表3。从表中可看出，电站谐波理论值和实际值有一定差距，经分析实际船舶电网中存在电容，将谐波放大，因此在进行理论计算时，需要考虑电网中放大因素，保证电网谐波理论值更加接近实际值。

2.4大容量变压器预充磁

中/高压电力系统因电站容量大，通常会使用大容量船用变压器，大容量变压器空载合闸会产生很大的冲击电流，变压器合闸时电流一般能达到其自身额定值的4～6倍，冲击电流将导致变压器保护装置产生误动作，影响整个船用电网稳定性和供电连续性。为限制大容量变压器空载合闸产生空载合闸冲击电流，在合闸之前需要对变压器副边进行预充磁。

2.4.1变压器空载合闸电流分析变压器简化等效电路见图6，变压器空载合闸从该式可知空载启动与额定运行时差异是因为存在C，从定性分析，空载启动除了磁通平滑正弦变化外，还增加一个突变值C，使变压器空载合闸磁通由周期分量Imsin(ωt+θ)和非周期分量Imsinθ两部分组成。当变压器空载合闸时电压初始相角θ=90°时，合闸磁通表达式为:I=Imm，此时变压器空载合闸磁通最大能达到额定磁通2倍，实际考虑到变压器剩磁，这个数将在2倍以上。由图7可看出，变压器额定工作状态均在膝点附近A点，此时铁芯已接近饱和，如磁通达到2倍以上，此时变压器工作在B点，将导致变压器高度饱和，励磁电流很大，此时产生励磁电流为额定励磁电流80～100倍，尽管有功电流不大，但合成空载电流仍达到变压器额定电流4～6倍，引起冲击电流。从上面公式推导中可知，变压器合闸冲击电流与合闸时电网的值有关，并在0°～360°变化，因此变压器合闸冲击电流值存在一定的随机性。但船舶使用三相变压器，每相相差120°，一般三相电源中总有一相电流接近0或者等于0，总有一相合闸电流较大，因此大容量变压器需要采取预充磁方式减小变压器空载合闸电流。预充磁变压器的连接方式如图8所示，一般其容量为主变压器1%，变比相当。进行预充磁时，主变压器为预充磁变压器的负载，相对于变压器正常工作状态，预充磁变压器工作一段时间之后，主变压器内部通过预充磁建立稳态的交变磁通，此时变压器主开关合上时，由于内部磁通已稳定，不会造成系统磁通突变，无冲击电流，启动完成后，取消预励磁，主变压器正常运行。需要注意的是，变压器采用预励磁时，需要考虑预励磁电源，一般船舶低压电源是通过变压器提供，在设计预励磁时需要考虑。

2.4.2深潜水工作母船大容量变压器调试根据经验，单台变压器达到发电机容量1/2时需要考虑加装预励磁变压器，深潜水工作母船配置4台大容量变压器:2台3500kVA变压器和2台2000kVA变压器，这些变压器应采用预励磁启动，但实际进行电力系统设计时，只有3500kVA变压器采用预励磁启动，2000kVA变压器没有采用预励磁，结果调试时2000kVA变压器，因为空载启动电流大，中压配电板上真空断路器发生不能合闸的情况，经现场调试，10次合闸7次成功，3次失败，满足实际使用，2000kVA变压器合闸存在一定的随机性，根据前面分析，正好说明:变压器合闸冲击电流与合闸时电网值有关，当三相某相接近90°时，变压器合闸冲击电流大，导致真空断路器不能合闸，三相与90°相差较大，真空断路器能合闸，因此电力系统设计时，大容量变压器必须采用预励磁启动。

3中/高压电缆终端接线工艺

中/高压电力系统除在设计中采取相应方法，同时也要考虑相应中压工艺，保证电力系统可靠性，因此中/高压电力工艺成为船舶建造的研究对象，中/高压电缆终端安装工艺在船舶涉及范围较大，关系船舶电网安全，成为中/高压船舶设计和建造中重要内容。中/高压电缆因为输送的电压高，为改善电缆导体电极表面电场分布和绝缘表面耐电强度，在金属导体和绝缘外层安装了一层挤包半导电屏蔽层。导体带电时，导电线芯与屏蔽层之间将形成径向分布的电场，电缆的电场只有从导线沿半径向屏蔽层的电力线，没有芯线轴向的电场(电力线)，且电场分布是均匀的。但在制做电缆接头时，需要剥去屏蔽层，将改变电缆原有电气结构，原电场分布发生改变，产生对绝缘极为不利切向电场(沿导线轴向的电力线)。微准确计算电缆断口处电场，可以根据电缆端部及其表面等效电路进行计算，等效电气图如图9所示，Yv为单位长度电缆绝缘层的体积导纳，Ys为单位长度电缆绝缘层表面导纳，在交流电压下，绝缘层表面任一点的电压和电流有关系如下经一系列推导，可得电缆端部电场最大，屏蔽层断口处最容易发生放电部位，此时电缆端部电场分布如图10所示，电场集中易发生电晕，产生热量破坏电缆绝缘，加速电缆绝缘老化，缩短电缆寿命，严重会发生短路，引起事故。为克服中/高压电缆端部发生电晕，保证电缆绝缘可靠性，需要对中/高压电缆端部采取相应措施。根据目前船舶实际施工条件和材料，可以采用应力管改善中高压电缆终端电场分布，缓和电应力的作用。应力管材质构成是由多种高分子材料共混或共聚而成，基材是极性高分子，再加入高介电常数的填料。应力控制材料介电常数都大于20，体积电阻率为108～1012Ω•cm。安装应力管后可以改善电缆端部电场分布，分散电缆端部电场，安装应力管后电场分布如图11所示，此时电场在电缆端部均匀分布，较好地解决电场集中问题。根据上述方法编制深潜水工作母船中/高压电缆终端接线工艺，现场按照该方法施工，经检测高压电缆绝缘值很大，绝大部分处于47000～69000MΩ，趋向于无穷大，远大于规范要求6600V电气绝缘值7.6MΩ，且漏电流很小，约为15μA。测试数据说明该工艺效果极好，满足规范要求。

4中/高压电力系统在其他船型上的应用

因为船舶中/高压电力系统高电压、大容量、低电流特点，满足未来大容量船舶电站要求，比较适合大容量船舶，主要适用工程船和海洋平台:工程船对操作性要求比较高，采用DP2或者DP3定位，大部分采用电力推进，电站容量一般比较大，目前普遍采用中高电力系统，如DCV5000铺管船采用DP3定位，除起重、铺管设备外，配置8台电力推进器，电站容量很大，采用11kV电站;海洋平台系统多，因为工程作业，带有较大系统或者设备，导致电站容量比较大，一般采用中高压电力系统;散货船、客滚船，因为航行经济性，一般采用柴油机推进，且船舶系统和设备不多，电站容量不大，一般采用低压电站;冷藏集装箱船，因为航行经济性，一般采用柴油机推进，船舶主要系统为冷藏集装箱设备，而每个冷藏集装箱功率通常只有11kW，如果考虑同时工作系数，1000个冷藏集装箱需要的功率也只有约4000kW，因此这些电站容量一般不大，一般不采用中/高压电力系统。

5结语

船舶中/高压电力系统能够得到发展，是因为其自身特点符合了未来大型船舶发展的需要，采用中/高压电力系统将是未来船舶电站的发展趋势，相信在以后的船舶设计和建造过程中，将会遇到越来越多中/高压电站船舶。全面把握中压电力系统相关技术和工艺，需要进行大量的学习和研究。

作者：郭宁路泽文张敏汪秉文单位：武昌船舶重工有限责任公司