大功率電力系統(tǒng)船舶的方案設(shè)計書

1、大功率電力系統(tǒng)船舶的設(shè)計徐丹錚繆燕華吳斐文關(guān)鍵詞：大功率電力系統(tǒng)；中壓電力系統(tǒng)；船舶設(shè)計摘要：本文針對具有大功率電力系統(tǒng)的船舶，提出了一些富有新意的船舶電氣設(shè)計思想和設(shè)計原則。諸如怎樣進行多工況的電力負(fù)荷計算；如何按短路容量選擇系統(tǒng)電壓等級；為何中壓電力系統(tǒng)采用中性點高阻接地系統(tǒng)；發(fā)電機組如何實現(xiàn)冗余；怎樣控制系統(tǒng)諧波電壓和電壓跌落指標(biāo)等。最后，介紹了中壓電力系統(tǒng)主要設(shè)備特有的性能或結(jié)構(gòu)，包括發(fā)電機、中壓配電板、中性點接地電阻箱、中壓電纜等。雖然，本文以大型海洋工程船，特別是起重船為主要例子作為依托，但這些設(shè)計思想和原則應(yīng)具有普遍意義，可引伸應(yīng)用于具有大功率電力系統(tǒng)的其他船舶的開發(fā)研究和工程設(shè)

2、計中去。2009年 7 月1.概述以大型海洋工程船為代表的具有大功率電力系統(tǒng)的一系列船舶的出現(xiàn)，正在創(chuàng)造著許多富有新意的船舶電氣設(shè)計思想。自從4000t 起重 /打撈工程船設(shè)計建造運行以來，對于具有大功率中壓電力系統(tǒng)的一些船舶設(shè)計理念，正在陸續(xù)不斷地體現(xiàn)在一些新穎的船舶設(shè)計中。正如筆者在接受中國船舶報記者采訪中所說的“我國自主成功開發(fā)船舶中壓電力系統(tǒng)具有十分積極的意義。, 使我國在船舶總體設(shè)計領(lǐng)域能為國內(nèi)企業(yè)提供更多、更好、更便捷的船電配套解決方案。 , 為我國造船界進一步開發(fā)高技術(shù)、高附加值船舶和海工裝備奠定了基礎(chǔ)”（見 2009.4.15 第 27 期第 6 版）。大功率電力系統(tǒng)， 目前常

3、稱為中壓電力系統(tǒng)，與常規(guī)船舶的低壓電力系統(tǒng)有著天壤之別。“中壓”按照國際電工委員會 （IEC ）標(biāo)準(zhǔn)而言，是指 1kV15kV 。約十余年前，最高電壓還在11kV ；若干年后，是否再會升高，筆者抱著看好的態(tài)度。畢竟，在陸用上中壓概念可以到52kV 。大功率是一個沒有上限的概念。 然而，電器設(shè)備包括電機、 變壓器、開關(guān)、電纜等在某個電壓等級范疇內(nèi)的容量是有限的，這是由其技術(shù)經(jīng)濟性能所決定的。當(dāng)容量超過了這個限度后，就只能靠電壓等級的升高來擴大容量。目前，常用的電壓等級為 6kV ，3kV 已基本不用了，而在研制 28000t 起重船（半潛式）時，已升級到 11kV 了。本文所要討論的是，在面臨大

4、功率電力系統(tǒng)時，船舶設(shè)計應(yīng)具有的原則。這些，可能在低壓電力系統(tǒng)中是沒有的，或者無論在質(zhì)和量的方面有較大的不同。雖然，船級社的規(guī)范中都有一節(jié)“高壓電力系統(tǒng)”的要求，但它主要局限于對設(shè)備本身的要求，而對船舶設(shè)計中的各種具體問題較少涉及，這就是本文研究的初衷。2. 大功率電力系統(tǒng)負(fù)荷分析及計算2.1.負(fù)荷類型2.1.1.工作機械負(fù)荷在各種海洋工程船上有著各種不同的工作機械，表1 列出了大型起重船的2相關(guān)參數(shù)。表 1大型起重船工作機械負(fù)荷參數(shù)船型工作機械主要參數(shù)驅(qū)動形式4000t起重 /打 起重機主鉤 4 850kW，交流變頻調(diào)速撈船（華天龍）副鉤 4 850kW，變幅 2 850kW，回轉(zhuǎn) 8 40

5、0kW 等起重/起重機主鉤 4 1600kW，交流變頻調(diào)速2 8000t副鉤 2 1600kW，鋪管船變幅 2 2100kW，鋪管系統(tǒng)回轉(zhuǎn)12550kW等/每臺交流變頻調(diào)速張緊器 31500kW，收/放絞車14500kW等27500t 起重 /起重機不詳交流變頻調(diào)速鋪管船（HMC ） 鋪管系統(tǒng)不詳交流變頻調(diào)速1200t起重 /鋪 起重機主鉤 2 600kW，交流變頻調(diào)速管船（海洋石副鉤 2 600kW，油“ 202”）變幅 2 500kW，回轉(zhuǎn) 6 165kW鋪管系統(tǒng)小鉤 2 400kW 等交流變頻調(diào)速張緊器 2640kW，收/放絞車2630kW等4400t起重 /鋪 起重機主鉤 4 850k

6、W，交流變頻調(diào)速管船（伊朗）副鉤 2 850kW，變幅 2 850kW，回轉(zhuǎn) 8 280kW 等鋪管系統(tǒng)張緊器 6320kW，交流變頻調(diào)速收/放絞車3445kW，托管架1400kW，理管系統(tǒng)2600kW+380kW等同時使用總功率 4900kW17800kW7000kW17200kW11800kW2200kW2034kW3900kW2500kW每種船型都有其特有的機械，可根據(jù)具體船型分析， 例如，鉆井船的鉆機、泥槳泵等，鋪管船的張緊器、收/放絞車、電焊機、理管機等，打撈船的高壓水泵、空壓機等，物探船的空壓機、電纜絞車等，布纜船的履帶機、埋設(shè)犁等，挖泥船的泥泵等。3對于某些非自航船舶 （上述 1

7、200t 起重 /鋪管船）和航速較低電推自航船 （上述 4000t 起重 /打撈船）而言，其工作機械負(fù)荷是船舶電站的主要負(fù)荷。2.1.2.船舶運動負(fù)荷為了配合工作機械的作業(yè)，船舶需進行定位、移位、升沉等運動。包括各種推進器（主推進器、可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳及隧道式側(cè)向推進器），定位錨絞車、壓載泵、升降機械等。表2 列出了大型起重船的相關(guān)參數(shù)。表 2大型起重船船舶運動負(fù)荷參數(shù)船型設(shè)備主要參數(shù)驅(qū)動形式4000t起重 /打 推進器主推 2 1500kW，電動軟起動撈船（華天龍）側(cè)推 12000kW 均壓載泵為調(diào)距槳電動軟起動4220kW定位錨絞車12400kW交流變頻調(diào)速起重/推進器主推 4 5500kW

8、，交流變頻調(diào)速2 8000t可伸縮 83200kW，鋪管船壓載泵側(cè)推 2 2500kW電動軟起動41300kW定位錨絞車121000kW交流變頻調(diào)速起重/推進器可伸縮 105500kW交流變頻調(diào)速2 7500t鋪管船（HMC ） 壓載泵總功率 7000kW不詳定位錨絞車1200t起重 /鋪 壓載泵490kW電動軟起動管船（海洋石定位錨絞車121000kW交流變頻調(diào)速油“ 202”）4400t起重 /鋪 推進器主推 2 5500kW，交流變頻調(diào)速管船（伊朗）可伸縮 42200kW，壓載泵側(cè)推 2 1935kW電動軟起動4320kW定位錨絞車10450kW交流變頻調(diào)速同時使用總功率 3000kW8

9、80kW3000kW35000kW5200kW7800kW46200kW5600kW360kW7800kW16300kW1280kW3200kW大型船舶運動阻力很大，尤其在有動力定位要求時，其推進器功率有質(zhì)的飛躍。如上述 4000t 起重 / 打撈船與 4400t 起重 /鋪管船尺度很近似，前者僅要求低速移位航行要求，后者為DP2 動力定位要求，其推進器用電功率則差別有5 倍多，具有非常重要的特征意義。而定位錨絞車的電功率則基本相似，從受力負(fù)荷分析能很容易理解。42.2.負(fù)荷工作狀況大型海洋工程船有著多功能化的趨勢。如 2.1.節(jié)所列船型，起重船不是兼作打撈船就是兼作鋪管船，而不論其是否自航或

10、動力定位的運動功能。因此，在進行船舶負(fù)荷計算前，首先要確定電站具有幾種工作狀況。然后才能對每一種工作狀態(tài)進行負(fù)荷計算。在低壓電力系統(tǒng)中，通常具有標(biāo)準(zhǔn)的相同的電站工況，如航行、機動（進出港） 、裝卸貨、停泊及應(yīng)急。首先，大功率電力系統(tǒng)船舶應(yīng)按船舶不同的功能類型分別進行負(fù)荷工作狀態(tài)的分析，確定在某種工作狀態(tài)中哪幾種工作機械需同時工作，依次列出完整的工作狀況數(shù)量。例如：起重工況、打撈工況、鋪管工況等。其次，每種工況中可能有多種船舶運動方式的配合。因此，還要在這工況中細(xì)分幾種不同的船舶運動條件。例如： DP 起重工況、錨定位起重工況、 DP 鋪管工況、錨定位鋪管工況等。再次，對于 DP-2/DP-3

11、的船舶，應(yīng)保證在各種單故障情況下，能使用獨立的匯流排分段進行工作，因此，應(yīng)對每個獨立匯流排的負(fù)荷分析做好預(yù)案，以防止由于推進器過大負(fù)荷造成發(fā)電機過載而使匯流排斷電。其應(yīng)對措施就是合理調(diào)整轉(zhuǎn)換其他用電負(fù)荷，使功率管理系統(tǒng)能按此預(yù)案進行控制。2.3.負(fù)荷計算大功率電力系統(tǒng)的總負(fù)荷是相當(dāng)大的，電力負(fù)荷計算應(yīng)按 2.2.節(jié)的原則列出各種工況分別計算。對于 DP-2/DP-3 的船舶，應(yīng)將最大單故障工況列入計算表內(nèi)。在做方案設(shè)計或基本設(shè)計時，工作機械及船舶運動負(fù)荷基本已經(jīng)決定，但船舶日用負(fù)荷此時一般還不能確定，但因其絕對值通常也不小，所以應(yīng)估算列入。一種是參考同類船的資料；另一種可將日用負(fù)荷粗分成幾類，

12、按類型估算后累加得出，準(zhǔn)確性更高。粗分類有：機艙輔機、推進器輔機、起重機輔機、空調(diào)、艙室風(fēng)機、廚房設(shè)備、共用設(shè)備、照明等。負(fù)荷計算及發(fā)電機組功率和數(shù)量選擇的原則基本同低壓電力系統(tǒng)一樣。既要保證在各種工況下的負(fù)荷率合理，也要使備用發(fā)電機組的功率和數(shù)量合理。原則上發(fā)電機組單機功率盡可能大些，負(fù)荷率也可比低壓電力系統(tǒng)有所提高，5一般 95%也可接受。當(dāng)初定發(fā)電機組功率和數(shù)量后，應(yīng)估算電網(wǎng)的短路容量，使配電板的電壓和斷路器分?jǐn)嗄芰Φ倪x型能符合該短路容量的限額要求。目前，中壓配電板主要常用兩個電壓等級系列，即 7.2kV 和 12kV 。前者用于 6.6kV 電網(wǎng)，后者可用于 11kV 電網(wǎng)。兩個系列區(qū)

13、別不大，都可采用。但若采用11kV 時短路容量已接近限額，就應(yīng)分析比較是提高電壓到15kV 而采用 17.5kV 配電板系列，還是將統(tǒng)一電網(wǎng)分成兩個 11kV 電網(wǎng)以降低短路容量而能寬松地采用12kV 系列。后一種方式已在不少工程實際中被采用。因為提高電壓等級會帶來電機、變壓器、電纜也相應(yīng)提高電壓等級的選用，對經(jīng)濟性影響較大，應(yīng)慎重考慮。如已確定了采用兩個獨立電網(wǎng)分區(qū)供電后，則應(yīng)對每個獨立電網(wǎng)進行負(fù)荷計算。在電網(wǎng)分區(qū)或配電板分段較多的情況中，如2.2.節(jié)所述應(yīng)對單故障的每個獨立匯流排作負(fù)荷分析，這時可能是相當(dāng)繁瑣的計算工作，可以采用獨立形式的計算表格進行，最后將其中最大單故障工況的結(jié)果列入總的

14、電力負(fù)荷計算書中即可。電力負(fù)荷計算書中最后應(yīng)將由日用變壓器供電的負(fù)荷和鋪管變壓器供電的負(fù)荷也各有一個獨立的總負(fù)荷，并分別計算其各自的平均負(fù)荷率和平均功率因數(shù)。按上述負(fù)荷計算原則， 2.1.節(jié)的 5 種船型配置的電站參數(shù)見表3 所列。表 3 大型起重船電站參數(shù)總功負(fù)荷率 /%船型電站參數(shù)DP正常 DP最大故障率/kW起重鋪管起重鋪管4000t 起重 / 打42850kW 6.3kV無1140082撈船（華天龍）50Hz 0.85p.f.2 8000t 起重 /126769kW 6.6kVDP38122886.38096.982.5鋪管船60Hz 0.8 p.f.2 7500t 起重 /12727

15、5kWDP3873008784104101鋪管船（HMC ）1200t 起重 / 鋪42865kW 6.3kV管船（海洋石油50Hz 0.8 p.f.無114608992“202”）4400t 起重 / 鋪74345kW 6. 6kVDP25124091.874.691.883.86管船（伊朗）60Hz0.9 p.f.3. 大功率電力系統(tǒng)性能分析及對策3.1. 參數(shù)大功率電力系統(tǒng)的參數(shù)主要指容量和電壓，在 2.3.節(jié)中已提到了兩者之間的關(guān)系。表 4 為具有不同電壓等級和不同分?jǐn)嗄芰r的短路容量。表 4中壓電網(wǎng)短路容量 /MVA斷路器分?jǐn)嗄芰?kV6.6kV11kV13.8kV15kVIcu/

16、kA2513028647659865031.51643606007538194020845776295610395026057295311951299表 4 中的電網(wǎng)短路容量是指電網(wǎng)中該電壓等級的斷路器能分?jǐn)嘣撎幍亩搪冯娏鞯哪芰?。而短路電流的大小除了與電網(wǎng)容量（額定值）有關(guān)外，還與發(fā)電機的參數(shù)（如X d 等），電纜長度以及電網(wǎng)中負(fù)載的控制方式都有關(guān)。按照短路電流的計算方法，電網(wǎng)負(fù)載向短路點饋送的短路電流一般以電網(wǎng)發(fā)電機總?cè)萘康?0.6 倍計入，也是一個不小的數(shù)值。但由于控制方式不同，如以當(dāng)前已較普遍使用的交流變頻控制而言，對于具有不可控整流器的變頻裝置就不會饋送出短路電流，與不使用變頻控制的有

17、較大的差別。表 5 列出了一些船舶的電站組成及短路電流值，可見即使電站容量相差不多，短路電流值也可能有較大的差別。綜合來看，大致可得出電站額定容量與電壓等級的極限范圍可見表 6 所列。表 5某些大功率電力系統(tǒng)船舶的電站參數(shù)及短路電流船型電站 / kW電壓 /Iac/Iac/Ssc/kVX dkAIan/kAIanMVA4000t起重 / 打撈船428506.30.1612.41.2310.1135.3（華天龍）4400t起重 / 鋪管船43456.60.16218.82.986.3214.9（伊朗）73000m 半潛式鉆井5530110.14319.52.916.7371.5船8半潛多功110

18、.13923.353.995.9444.92000t6769297能海工船1200t 起重 / 鋪管船（海洋石油 “202”）3000t 起重打撈船單體鉆井船（ ULSTEIN ）428656.30.15210.61.318.1115.744320+26.60.129516.52.396.9188.62195(0.145)553011不詳19.32.188.9367.76表 6電站額定容量與電壓等級的極限范圍電站額定容量 / kW電壓等級 / kV8000100000.6960000800006.68.66252)2)33.53.71188.918/258.9/1.6(2.52.5U12.33

19、.227U0+2)1066.93.76256.3*15.77/2.5U23/304.2U02.427.53*21011.53.4630/354.51/4.51/2U+330/424.2U02.425.36.3*31517.53.2640/453.95/3.95/40/453.952U+340/554.2U02.424.45.4/4.4注： 1.表中斜線下的數(shù)據(jù)一般指該類設(shè)備的內(nèi)絕緣和外絕緣干狀態(tài)之耐受電壓。2. 過壓倍數(shù) =標(biāo)準(zhǔn)試驗電壓 / 最高工作電壓（相電壓） 。3.*1 ：IEC 為 20，*2 ：IEC 為 28，*3 ：IEC 為 35。3.3. 冗余大功率電力系統(tǒng)的冗余很重要，與常

20、規(guī)船舶低壓電力系統(tǒng)不可同比。從發(fā)電機方面而言，由于功率巨大，數(shù)量不少，除了具有備用的觀念之外，根據(jù)供電工況較復(fù)雜的特點，在供電靈活性方面應(yīng)有更多的研究。其中，除了包括可轉(zhuǎn)換供電的措施外，不同功率的大小機組合理配置或與停泊發(fā)電機的組合供電配置也是不少大功率電力系統(tǒng)船舶的合理的設(shè)計思想。停泊發(fā)電機采用中壓還是低壓也可因船而異，而有不同的選型。這些都具有冗余的概念。對中壓配電板而言，除了規(guī)范規(guī)定的至少分成2 個獨立的分段之外，多個分段也是常見的，特別在具有動力定位要求時更是如此。由于中壓配電板尺寸較大，即使只有2 個分段，也可拆成2 個獨立安裝的配電板，既有利于布置，也含有冗余的意義。對于動力定位D

21、P3 等級要求，也不能局限于有兩處A-60分割的配電板布置，三處、四處乃至更多處所的配電板布置也是常見的。對饋電而言，無論是工作機械還是船舶運動設(shè)備，一般均需考慮冗余，即有 2 路供電。由于中壓斷路器饋電能力最小為630A ，即其饋電功率可達7200kVA （6.6kV 時），實際上用電設(shè)備的功率大多數(shù)遠(yuǎn)小于此值，而用電設(shè)備的數(shù)量相對較多，均需冗余饋電則使饋電單元數(shù)量劇增，配電板尺寸龐大到無法接受的地步。 因此，一個饋電單元供2 個用電設(shè)備應(yīng)是一種合理經(jīng)濟的方案，而 2 個饋電單元互相構(gòu)成轉(zhuǎn)換饋電的冗余，可節(jié)省2 個饋電單元。但這需要得到配電板制造商的支持才能實現(xiàn)（目前已有此種需要）。3.4.

22、 電能質(zhì)量指標(biāo)3.4.1. 諧波電壓11從表 1 及表 2 可知，目前大功率電力系統(tǒng)的用電負(fù)荷中，無論是工作機械還是船舶運動設(shè)備絕大多數(shù)采用了交流變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。眾所周知，交流變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)是目前交流調(diào)速系統(tǒng)中技術(shù)經(jīng)濟性能最好的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣闊，經(jīng)濟節(jié)能的優(yōu)點，采用簡單可靠便宜的交流鼠籠電動機，系統(tǒng)無觸點免維護運行可靠性高，廣泛適用于各種負(fù)載特性的大中小型功率等級的和各種運行性能要求的電動機械。由于它采用了電力電子器件，其非線性特性勢必會產(chǎn)生各種諧波電流，對電源電壓造成諧波干擾，使正弦性電源電壓產(chǎn)生失真，惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)。目前，普遍采用電網(wǎng)總諧波電壓THD 這個指標(biāo)來評價電

23、網(wǎng)的電能質(zhì)量指標(biāo)。過去，無論IEC 標(biāo)準(zhǔn)或是船級社入級規(guī)范都以THD 5%作為檢驗要求，這也是標(biāo)準(zhǔn)電氣設(shè)備無論是電機或電器都能普遍承受的要求。諧波電壓對電氣設(shè)備的影響主要是附加發(fā)熱及振動或工作不正常。大功率電力系統(tǒng)船舶很大部分（約 60%70%）是采用電力推進， 電力推進絕大多數(shù)采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，而且電力推進功率約占電力系統(tǒng)容量的80%左右。在這種高功率比值用電負(fù)荷是能惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的情況下，可想而知其電網(wǎng)的THD 值可能達到非常高的程度?；趯嶋H情況，許多船級社都允許在電力推進匯流排上的THD 5%，甚至達到10%，我國 CCS規(guī)范 2009 年修改通報中也規(guī)定了8%的要求。同時，

24、規(guī)范都附帶以下要求， 即在此 THD值下，各種電氣設(shè)備都應(yīng)能正常運行。而低壓日用電網(wǎng)匯流排上的THD 仍為 5%。THD值的大小與很多因素有關(guān)，主要有：變頻器整流環(huán)節(jié)的脈動數(shù)的大小。脈動數(shù) 6 是三相整流的基值，會產(chǎn)生較大幅值的5 次、 7 次諧波電流；通過移相變壓器輸入兩組矢量組不同的三相電壓可得到脈動數(shù)12 的三相整流，通過并聯(lián)或串聯(lián)連接，其各自的5 次、 7 次諧波電流能大部分互相抵消，移相變壓器的輸入電路中5 次、 7 次諧波電流幅值被降低到很小程度；更高的24、36、48脈動設(shè)計的變頻器由于諧波電流小而被稱為“完美無諧波”變頻器。另外，電源內(nèi)阻抗 X的大小也影響較大，它是在諧波電流作

25、用下形成諧波電壓的基礎(chǔ)， d越小越好。據(jù)此理論，實用上可轉(zhuǎn)換成這樣一個概念，即變頻器功率與電源功率的比值，該比值越小，諧波電壓也越低。當(dāng)然，不同的變頻器脈動數(shù)對同一電源比值也會有不同的結(jié)果。目前，對于常規(guī)的之間的電源X d 在 0.140.1612而言， 6 脈動變頻器的功率比值約在2030%，可滿足 THD5%。再有，采用無源濾波器也是一種能降低THD 的有效手段。在早期應(yīng)用年代，某些船舶為了能徹底隔離諧波的干擾，曾采用過用電動發(fā)電機組的方式構(gòu)建日用負(fù)荷電網(wǎng)的技術(shù)措施，現(xiàn)在似乎已較少看到這種方式。3.4.2. 電壓跌落中壓電力系統(tǒng)有一個很注目的特征，即中壓配電板饋電開關(guān)的出口往往是一臺變壓器

26、，無論是向船舶工作機械也好，或是船舶推進器、壓載泵等設(shè)備，乃至向日用負(fù)荷饋電，都需通過變壓器。這些變壓器有的功率相當(dāng)大，超過單臺發(fā)電機容量的也司空見慣。當(dāng)饋電開關(guān)合閘時，變壓器空載合閘沖擊電流要比電動機起動電流大得多， 其第一周波沖擊電流不亞于一個短路電流或大于 15 倍額定電流。這個電流將會引起較大的電壓瞬時跌落或者導(dǎo)致過電流保護動作而跳閘，這種后果顯然是不應(yīng)該發(fā)生而需要防止。低壓電力系統(tǒng)的經(jīng)驗是直接起動電動機功率應(yīng)小于電網(wǎng)功率的 40%左右。中壓電力系統(tǒng)似乎應(yīng)更小一些為宜，除了上述變壓器沖擊電流比電動機啟動電流更大的原因外，中壓電網(wǎng)與低壓電網(wǎng)的較大差別還在于起動時電網(wǎng)靜態(tài)負(fù)荷可能很小，甚至

27、為零，這會是最壞的起動條件。因此，這個在低壓電力系統(tǒng)中已基本不成為問題的問題，在中壓電力系統(tǒng)中反而比較突出，必須對大變壓器的合閘起動做電壓跌落計算。為了防止產(chǎn)生較大的電壓跌落，有必要對大變壓器作合閘前的預(yù)充磁運行。預(yù)充磁的方式是先通以一個較小的電流，使變壓器產(chǎn)生一個磁場，經(jīng)幾秒鐘延時后再合閘主電路，此時在磁場的作用下可大大降低沖擊電流，合閘后再將預(yù)充磁電路斷電后完成變壓器起動。預(yù)充磁有兩種方式，中壓供電經(jīng)電阻降壓預(yù)充磁和低壓供電經(jīng)變壓器預(yù)充磁。前者是從變壓器高壓側(cè)進行，從同一電源供電，所以相位相序絕對相同，預(yù)充磁電路與主電路短時并聯(lián)無任何問題。后者是從變壓器低壓側(cè)進行，非同一電源供電，所以除必

28、須保證相序一致外，在變壓器高壓側(cè)開關(guān)合閘時可能相位不一致仍會有沖擊，必要時需加同步裝置。3.5.功率管理13大功率電力系統(tǒng)必需具有功率管理的功能。對于復(fù)雜和冗余的發(fā)電以及大功率的工作機械負(fù)荷和船舶運動負(fù)荷及其復(fù)雜變化的工況轉(zhuǎn)換，為了防止過載和失電這種嚴(yán)重危及船舶安全的控制是至關(guān)重要的。除了常規(guī)功率管理所具有的發(fā)電機組的起動、同步、卸載、負(fù)荷平衡、停車等功能外，還要對大功率電力系統(tǒng)特有的多段匯流排的聯(lián)絡(luò)開關(guān)進行有效控制，對電力推進系統(tǒng)要有計算在線儲備功率的功能還要有限制功率的控制。因此，功率管理涉及兩大塊領(lǐng)域，一是配電板控制，二是負(fù)荷控制。包括頻率控制，發(fā)電機負(fù)荷分配，隨負(fù)荷變動而起動和停止，重

29、載起動閉鎖，失電重新起動，用電負(fù)荷的控制及限制， DP 失電防止，反饋功率保護及各個斷路器的控制及保護等。此外，功率管理也對柴油機進行控制， 包括自動起動和停車， 柴油機的預(yù)潤滑，柴油機（冷卻水）的預(yù)熱，柴油機的報警和檢測。4. 大功率電力系統(tǒng)設(shè)備分析與布置4.1. 發(fā)電機發(fā)電機目前基本全為交流無刷勵磁恒壓同步發(fā)電機，由柴油機驅(qū)動。其容量按電力負(fù)荷計算書結(jié)果靠擋選型；電壓按短路容量的合適的分?jǐn)嗄芰λ鶎?yīng)的電壓決定；轉(zhuǎn)速按柴油機合理選型所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速決定；頻率則按船東要求而定，大型海洋工程船隨著業(yè)務(wù)市場的國際化，即使是國內(nèi)船東也有采用60Hz的趨向。發(fā)電機主要參數(shù)中唯一未定的就是功率因數(shù)。由于大功

30、率電力系統(tǒng)的主要用電設(shè)備絕大多數(shù)均為交流變頻驅(qū)動，且全為交直交電壓源型變頻器，其特征之一就是輸入電源的功率因數(shù)極高，一般在0.950.97 之間。因此，電網(wǎng)的總功率因數(shù)必然很高，發(fā)電機的功率因數(shù)選擇不必拘泥于常規(guī)的0.8 ,如表 3中有 0.85 、0.9 均可，則發(fā)電機的容量KVA 可小一些，國外也有不少這種情況。關(guān)于發(fā)電機的X d 的大小在 3.1.節(jié)和 3.4.1.節(jié)中已有分析，在這兩個問題中X d 起著相反的作用，所以應(yīng)權(quán)衡綜合影響而定。由于中壓的分?jǐn)嗄芰^大，所以短路電流大易滿足，看來以諧波影響為主考慮是可行的。14大功率發(fā)電機均應(yīng)設(shè)有差動保護電路以及AVR 的自動滅磁電路。發(fā)電機的

31、冷卻形式一般均為空氣淡水冷卻，自帶熱交換器，由船上提供中央冷卻系統(tǒng)的淡水。發(fā)電機自身帶風(fēng)扇進行內(nèi)部封閉空氣循環(huán)，熱空氣通過淡水盤管變冷空氣再冷卻發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子繞組。因此，發(fā)電機的防護等級至少是 IP54 或 IP55。大型發(fā)電機如采用滑動軸承時，滑油壓力循環(huán)一般可由柴油機的滑油系統(tǒng)供應(yīng)，不需另設(shè)油泵。發(fā)電機的定子繞組應(yīng)設(shè)2 套埋入式溫度傳感器，一般為Pt100 熱元件進行測溫，一用一備。另外，冷、熱空間及兩個軸承也都需設(shè)Pt100 熱元件。熱交換器還應(yīng)設(shè)漏水檢測傳感器。發(fā)電機的選型有兩種途徑，一種由電力系統(tǒng)集成供應(yīng)（包括發(fā)電機、配電板、變壓器、變頻器、電動機等） ，另一種由柴油機集成供應(yīng)。

32、前者對發(fā)電機性能參數(shù)應(yīng)已考慮在內(nèi)，但提供的發(fā)電機外形及安裝尺寸可能不符合柴油機公共底座的要求而被要求修改。后者應(yīng)對發(fā)電機性能參數(shù)提出最低限度要求，并對柴油機集成供應(yīng)的發(fā)電機參數(shù)進行認(rèn)可，一般其外形及安裝尺寸已被柴油機公共底座認(rèn)可。4.2. 中壓配電板中壓配電板是戶內(nèi)型可抽出金屬全封閉式結(jié)構(gòu)開關(guān)設(shè)備，由被分割成獨立的真空斷路器小室、母線小室、電纜小室和低壓室組成，一般均為空氣絕緣。中壓配電板不像低壓配電板， 它一屏只能裝一臺斷路器， 饋電給一個用戶，所以比較好計數(shù)。也可采用熔斷器接觸器饋電，該屏尺寸一般為斷路器屏的一半。斷路器通常采用真空型，也可采用 SF6 型。接觸器全為真空型，適用于頻繁操作

33、場合，采用熔斷器作為短路保護。斷路器不帶保護裝置，另配多功能保護裝置進行保護。斷路器和接觸器均為電動合閘和分閘操作，斷路器還有手動儲能裝置。中壓配電板對安全性要求特別高，絕對不能讓人輕易接觸到高電壓部件，這是靠部件的結(jié)構(gòu)本身及相互的聯(lián)鎖來保證的， 行業(yè)中習(xí)慣稱為 “五防” 功能，主要指：防止帶負(fù)荷分（合）隔離開關(guān)；15防止操作人員誤入帶電間隔；防止帶電掛接地線；防止帶地線合隔離開關(guān)；防止誤分（合）斷路器。中壓配電板采用分艙隔離結(jié)構(gòu)形式。 斷路器或接觸器均安裝在一個手車上，手車為可抽出式實現(xiàn)隔離 / 試驗 / 運行位置的選擇，另配有搬運車可將手車搬離配電板，配電板母線室頂部裝有泄壓板，當(dāng)內(nèi)部故障

34、電弧發(fā)生時，所產(chǎn)生的氣壓打開泄壓板，使高溫?zé)釟饣蚪饘倭Ｗ优湃胄箟和ǖ纼?nèi)，以確保附近運行人員的安全。電纜小室通常裝有接地開關(guān)，用于電纜接地并與門的開啟聯(lián)鎖。中壓配電板與低壓配電板一樣，應(yīng)至少分成2 個獨立分段，通過1 個斷路器分隔開，每 1 分段至少有 1 臺發(fā)電機供電。如果2 個分段組成 1 組配電板，分段斷路器的下端不能在同一屏內(nèi)引上到另一分段的母排上，需在這個斷路器旁設(shè)置一個提升屏完成連接，該提升屏內(nèi)只有一條銅排。如果2 個分段組成 2組獨立的配電板，則連接需用電纜完成，提升屏中也需設(shè)置斷路器，即電纜兩端都有斷路器。當(dāng) 2 段甚至多段配電板即使仍為1 組配電板，在構(gòu)成環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，需要采

35、用橫向保護，包括橫向單相接地保護，所以兩邊均需采用電纜連接并通過各自分段的零序電流互感器，這是一種比較特殊的連接方式。中壓斷路器的額定電流最小為630A（ABB）或 1250A（SIMENES），所以饋電能力極大，相應(yīng)為 7200KVA（6.6kV）或 14289KVA(6.6 kV) 。實際上絕大多數(shù)負(fù)載的功率都沒有這樣大，顯得利用率不足，而中壓配電板寬度尺寸取決于饋電分路數(shù)就比較大。如果采用熔斷器接觸器饋電，其最大額定電流為400A，即饋電能力也有 4572KVA（6.6 kV ）足夠大多數(shù)負(fù)載的功率需求，而其配電屏的寬度只有斷路器屏的一半，所以中壓配電板總寬度可減不少，值得在實踐中推廣。

36、 4000 t 起重 /打撈船就采用了 8 屏接觸器屏，總尺寸寬比全用斷路器屏減小 2600mm，才正好符合了中壓配電板室的尺寸要求。中壓配電板內(nèi)的多功能保護繼電器以及斷路器等元器件的控制電壓絕大多數(shù)均采用直流， 電壓為 24V 和 110V 較多，必須采用 UPS 供電，并至少有 2 套。中壓配電板的防護等級均為IP4X ，其第 2 位數(shù)字應(yīng)視為需符合規(guī)范要求的16與其安裝場所相適應(yīng)的要求，對于干燥的控制室規(guī)定為0 即為 IP40?？墒?，規(guī)范中又另外規(guī)定至少為IP32，這對第 2 位數(shù)字是矛盾的，即可能需要IP42。目前中壓配電板結(jié)構(gòu)均不帶板前照明燈（如低壓配電板那樣），為了達到IP42 就

37、加了一塊凸出的頂板，伸出板前較多（為了達到15o 防滴要求），這樣會把控制室內(nèi)的照明擋住， 使配電板面板光線很暗， 影響操作。 有的用戶對此很不滿，把這塊面板拆除了使用。所以，該防護問題還沒得到合理的協(xié)調(diào)。4.3. 中性點接地方式及接地電阻箱這是中壓電力系統(tǒng)中性點高電阻接地系統(tǒng)特有的設(shè)備。中壓電力系統(tǒng)通常采用發(fā)電機中性點接地或配電板匯流排接地變壓器接地兩種方式。兩種方式都需要接地電阻箱，前者是高壓電阻箱，后者是低壓電阻箱。發(fā)電機中性點接地方式是從發(fā)電機的接線端子箱中的中性點引出一根單芯電纜至一臺獨立的接地電阻箱，每臺發(fā)電機都需配置。正常情況下，即使發(fā)電機電壓為 3 kV ，其中性點對地電壓亦為

38、3等于 1.732 kV 1 kV ，所以電阻3箱屬于高壓設(shè)備。按規(guī)范要求，電阻箱內(nèi)應(yīng)配有隔離開關(guān)，以便于在切斷中性點接地連接后進行維修和測量絕緣電阻。按保護要求，電阻箱內(nèi)還應(yīng)配有電流互感器以測量接地電流。目前，發(fā)電機中性點接地電阻箱都可由中壓配電板供應(yīng)商成套供應(yīng)，可是在幾年前 4000t 起重 /打撈船設(shè)計時，中壓配電板供應(yīng)商都不能成套供應(yīng)，所以我們參考了一些資料進行了計算，并且將計算結(jié)果的電阻值及電流要求以及電阻箱的結(jié)構(gòu)、防護等要求委托上海電阻廠制造解決的，以后，又協(xié)助30 萬噸FPSO 項目提供了計算并向國外某電氣公司提供了制造廠信息。據(jù)了解4000t起重 /打撈船的接地電阻參數(shù)和后來國

39、外某電氣公司提供的電阻箱參數(shù)完全一樣，說明我們具有完全正確的自主知識技術(shù)。接地電阻的計算主要是計算所有中壓電纜的對地電容電流，一種方法是按電纜的對地電容值所決定的容抗來計算，另一種方法是有關(guān)手冊給出的不同電纜截面規(guī)格的電容電流值累加后得出。目前，普遍認(rèn)為電容電流10A，可以采用不接地系統(tǒng)或高阻接地系統(tǒng)。采用接地系統(tǒng)時， 應(yīng)使接地故障電流達到10A，17此值為電容電流與接地電阻電流之和，由此可以得出電阻電流值，按此值就可算出電阻值。電阻功率一般滿足于短時10s 發(fā)熱需要選擇。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。變壓器原邊電壓與中壓電力系統(tǒng)電壓相同，副邊電壓一般為220V，三相串聯(lián)后輸出660V。變壓器容量為接地電阻功率的3 倍。4.4. 中壓電