船舶高压电力系统设计研究

　　通常对于电站容量不大的船舶，大多采用交流低压电力系统。但随着船舶电力推进技术的发展，越来越多的船舶采用综合电力推进系统，特别是一些特种用途的船舶，如起重船、铺管船、半潜船、豪华邮轮等，因其电站的容量非常大，采用交流低压电力系统已不能满足使用需求，必须采用交流高压电力系统。本文探讨船舶交流高压电力系统设计中的几个关键技术问题，包括交流高压电力系统电压等级的选择、中性点高阻接地的变压器和接地电阻参数的计算、大容量变压器预防起动冲击电流的措施等。

　　2电压等级的选择

　　船舶及海洋工程的交流电力系统，分为低压和高压两种：交流低压电力系统是指工作于额定频率为50Hz或60Hz、导体间最高电压不超过1kV的交流系统。常用的有690V/440V/380V/220V/110V等;交流高压电力系统是指额定电压(线电压)大于1kV但不超过15kV、额定频率为50Hz或60Hz的交流系统。常用的有6kV/6.6kV//10kV/11kV等。

　　2.1交流低压电力系统

　　交流低压电力系统是船舶上最常用的电力系统，其设备及电缆的选用、安装、试验以及维护都比较简单，因此当船舶电站容量较小时，一般都选用交流低压电力系统。

　　2.2交流高压电力系统

　　随着船舶电站的容量增加，电气设备和电缆的体积、重量都会变得更加庞大，输电损耗也会增加，对船上非常狭小的空间来说就不太适用了;另外，电气设备包括电机、变压器、保护开关、汇流排、电缆等在某个电压等级范围内的容量是有限的，当电力系统的容量接近或超过了这个限度后，电力系统的安全性和可靠性就会变差，因此只能靠升高电压等级来扩大容量。

　　2.3电压等级的选择

　　电力系统电压等级是根据电力系统短路容量确定的，某个电压等级下电力系统最大短路容量又是由该电压等级下断路器的分断能力决定的。目前，690V交流低压断路器的额定电流最大为6300A、分断能力最大为100kA、短路容量最大为119MVA;交流高压电力系统的最大短路容量(MVA)，见表1。电力系统电压等级选择时，首先应根据电力负荷计算书确定发电机组功率和数量;然后估算电力系统的短路容量;再根据电力系统的短路容量确定电压等级，选择符合分断能力的断路器和相应配电板。电力系统的短路容量，按如下方法估算：(1)因变频器特性不会馈送短路电流，因此带变频器的线路，如推进电机等短路电流为零;(2)根据英国劳氏规范，电力系统短路电流按发电机额定电流的10倍+其它电动机额定电流的3倍计算;如果有发电机的X”参数，发电机馈送短路电流按发电机额定电流/X”计算更为准确;其它电动机的负荷大小，按电网负荷减去带变频器线路的负荷后的60%计算;峰值短路电流为对称短路电流的2.5倍。根据计算所得短路电流，用来校核断路器的分断能力、峰值短路电流用来校核断路器的接通能力。根据参考文献[4]，电站容量与电压等级的对应关系，见表2所列。

　　3中性点高阻接地变压器和接地电阻参数计算

　　电力系统中性点接地有多种方式：中性点直接接地;中性点经低电阻接地;中性点不接地;中性点经高电阻接地;中性点经消弧线圈接地等。

　　3.1交流低压电力系统

　　船舶交流低压电力系统，通常采用中性点不接地方式。

　　3.2交流高压电力系统

　　船舶交流高压电力系统，绝大多数采用中性点经高电阻接地方式，其主要理由如下：(1)当电力网的电压较高、电缆较长时，电容电流会比较大，尤其是交联聚乙烯绝缘的电缆，当发生单相接地故障时，不接地系统的电弧不能自动熄灭，可能引发火灾;(2)高压电力设备的绝缘水平比低压的低，当运行中产生的过电压超过设备的耐受电压标准时，设备的安全运行性能将受到破坏，不接地系统的操作过电压要高于高电阻接地系统。对于交流高压电力系统来说，中性点经高阻接地的初衷就是限制接地故障电流，因此通过高阻接地装置的接地电阻性电流原则上应等于或稍大于系统的接地电容电流。正确确定系统电容电流的最好办法是在最大运行方式下实测。在设计时需要考虑的接地电容电流主要是高压发电机、高压电动机和高压电缆的电容电流，先分别计算每一个高压发电机、每一个高压电动机和每一根高压电缆的接地电容电流，再将上述接地电容电流累加得出系统的接地电容电流。交流高压电力系统中性点高电阻接地方式，通常有下列三种：(1)系统中性点利用高压发电机的中性点，电阻器直接接入高压发电机的中性点，每台发电机都需配置。采用此种方式，对电阻器要求耐压高、阻值大、电流小。电阻的阻值，按下式计算：(1)式中：RN——直接接入的电阻器阻值(kΩ);Ue——电力系统母线的额定电压(kV);IR——接地电阻性电流，取1.1倍接地电容电流(A)。(2)系统中性点利用发电机的中性点，然后通过一个接地用单相降压变压器的一次侧线圈进行接地，电阻器接到单相降压变压器的二次侧，每台发电机都需配置，如图1所示。图电阻的阻值，按下式计算：RN——系统中性点的等效电阻(kΩ);nφ——单相降压变压器的变比;UR2——单相降压变压器的二次电压，取220V;IR2——电阻器中流过的电流(A);S2φ——单相降压变压器的容量(kVA)。(3)采用模拟系统中性点的方式，这个中性点由一台专用的三相接地变压器或者三台单相接地变压器来模拟。接地变压器是从配电板汇流排获得供电，其原边为星形接线，中性点引出一根单芯电缆直接接地，副边为开口三角形接线，连接接地电阻，每段汇流排均需配置，如图2所示。

　　4大容量变压器预防启动冲击电流的措施

　　变压器的起动类似于电动机的启动，在启动过程中会产生很大的冲击电流，其非周期分量可达十几倍额定电流。在船舶交流高压电力系统中，高压变压器的容量一般都非常大，因此其启动冲击电流将会引起非常大的电压瞬时跌落，甚至导致发电机跳闸。为了防止这种现象发生，大容量变压器往往采用预充磁方式启动以减少冲击电流。预充磁启动方式的原理是：在大容量变压器主开关合闸前，先采取措拖在变压器内部通过预充磁建立稳态的交变磁场，当其主开关合闸时，由于内部磁通的稳定，不会造成系统磁通的突变，冲击电流随之消失。大容量变压器预充磁启动通常有两种方式：一种是大容量变压器的主断路器先不合闸，其初级绕组先通过起动电阻接通高压配电板母线进行预充磁，经延时后再合闸大容量变压器主断路器并切除起动电阻，完成起动过程;另一种是为大容量变压器设一个等电压变比的小容量变压器即预充磁变压器，其连接方式如图3所示，在投入大容量变压器之前先投入预充磁变压器为大容量变压器预充磁，经延时后再投入大容量变压器并切除预充磁变压器。因预充磁变压器容量很小，其合闸冲击电流即使倍数大但电流基数小，不会对交流高压电力系统产生什么影响。根据参考文献[5]，一般预充磁变压器的容量可按大容量变压器容量的1%选择。1套双模块式冷水机组+1台空调冷却水泵+1台空调循环水泵+4套四面出风卡式风机管盘+1套落地式防爆风机盘管。其中：双模块式冷水机组、空调冷却水泵和空调循环水泵布置于机舱前部，在驾驶室、接待室、工作室等舱室的天花板上各布置2套四面出风卡式风机管盘，在弹药舱前部布置1台落地式防爆风机盘管(见图6)。其中，风冷式空调系统空调室外机组重心高，可能影响整体美观，但是管路少、重量轻、施工较简单、制冷效率高、相对投资成本低;而水冷式空调系统冷水机组重心低、外观影响小，但其冷却水和冷媒水的管路多，管路内充满液体重量较重，对高速艇总体性能有较大影响，且施工量大。通过综合分析论证，最终确定本型艇的空调采用风冷式空调系统型式：实艇配置了1套总制冷/热量为48.6kW的风冷型变频空调系统，用于调节空调舱室的空气温度;空调室外机变频运行，可最大限度降低能耗。建造完毕后，在试验过程中全艇的空调制冷效果达到设计指标，满足使用要求。

　　5小结

　　空调系统的选型，需要考虑用户使用要求、船舶布置可行性、船舶性能影响、成本控制等多种因素。设计者在设计阶段应及时与船东、建造厂沟通，针对船舶的自身特点确定适合的方案，避免在建造过程中或建造完成后产生重大修改。

　　参考文献

　　[1]中国船级社.水面舰艇入级规范[M].北京：2011.

　　[2]轮机工程手册[M].北京：人民交通出版社.

　　[3]暖通空调[M].北京：中国建筑出版社.[4]船舶设计实用手册(轮机分册)[M].北京：国防工业出版社.

　　[5]采暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国有色金属工业总公司.

　　[6]船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法[M].北京：国家技术监督局.

　　[7]船舶驾驶室的空气调节与通风设计条件和计算基本[M].北京:中国船舶工业总公司.

　　《船舶高压电力系统设计研究》来源：《广东造船》，作者：赵凯杨玉娇危成亮