本站小編為你精心準備了船舶電站電力系統應用研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1深潛水工作母船中壓電力系統特點

中/高壓電力系統最本質特點是大容量、高電壓、低電流，相關技術都是圍繞該特點展開的。由P=槡3UIcosθ可知，在保證輸出功率一定情況下，電壓與電流成反比，因此在船舶上提高電氣設備工作電壓，可達到減小工作電流目的，而通常情況下電氣設備體積只與電流有關，即發熱和散熱問題，與電壓關系不大，提高電氣設備工作電壓需要提高電氣設備絕緣等級，而提高電氣設備絕緣值在目前技術水平下比較容易實現，且穩定可靠，體積和成本基本沒有變化，因此提高船舶電壓可以實現減小船舶電力系統的電流，該方法對于大容量船舶電站特別有利，因此大功率電站為減小電流，一般會采用中高壓電力系統。深潛水工作母船電站容量達到15440kW，采用6600V電力系統，最大電氣設備是尾部電力推進系統，單套電力推進系統功率達到3500kW，因為采用中壓，電流并不大，從中壓配電板到尾部推進系統只需3根3×95中壓電纜就可以滿足推進系統額定電流載流量，這充分反映了船舶中壓電力系統優越性。2臺側推和1臺可伸縮式推進器功率分別為2000kW和1500kW，因為采用中壓，從中壓配電板到側推和可伸縮式推進器只需2根中壓3×50電纜。從上述推進系統電纜選擇可見，因為該船采用6600V中壓電力系統，極大地減小了推進系統電流，因此減少電纜的使用量，也節省了現場施工量和時間，同時也降低了電網和電力設備的電流熱損耗，有效地減小了電力設備體積。目前船舶上中/高壓電力系統通常采用6.6kV和11kV兩種電制，一般電站容量達到12MW以上，采用6.6kV電制，電站容量達到20MW以上考慮采用11kV電制。

2中/高壓電力系統相關技術

2.1采用高阻接地系統

一般低壓船舶電站容量不大，通常采用三相絕緣制，此時電網單相發生故障時，因為對地是絕緣的，故障相不能形成回路，不會產生很大的短路電流，電網得以免受破壞，這就是三相絕緣的優點。三相絕緣制適用于低壓小容量電站。但是船舶電站容量太大，此時電網對地分布電容增加，發生單相短路故障時，雖不會產生短路電流，但是電網短路相電容電流較大，容易產生間歇性電弧，向電網電容反復充放電，由于對地電容中能量不能釋放，造成電壓升高，從而產生弧光接地過電壓或諧振過電壓，其值可達很高倍數額定電壓，對設備絕緣造成威脅，波及整個電網，使那些絕緣薄弱環節相繼發生絕緣擊穿。為避免上述情況，目前船舶上大容量電站通常采取高阻接地，如圖2所示。如發生電弧接地，電弧點反復燃熄滅，大地通過接地點向故障相充電，形成振蕩過程，若使電荷在從電弧熄滅到重燃期間(半個工頻周期)通過中性點電阻器泄漏掉，過電壓就能降低，避免電弧振蕩。此時故障相與接地電阻、分布電容組成一階電路，線路對地電容向RN放電遵循e－t/T規律，設置合適的R值，保證在半個周期內，大部分電荷可以通過電阻泄漏掉，不產生振蕩過電壓，因此在船舶中壓電力系統接入電阻后，可限制接地電流值，使達到接地電弧自行熄滅，保護裝置可不跳閘。這種高阻值接地方式比較適合于規模不大電力系統，接地故障電流不大于10A，3～10kV中壓電力系統，高阻接地通常運用在大容量船舶電力系統中［2］。除三相絕緣系統、高阻接地外，還有直接接地系統和經過消弧線圈接地。直接接地系統發生故障時將會導致電網故障相斷電，影響船舶電網供電;消弧線圈接地方式一般適用于接地故障電流較大電網，船舶電網接地電流一般在10A左右，因此也不采用。常用電站接地方式比較見表2。深潛水工作母船電站容量達到15440kW，采用高阻接地方式。

2.2變壓器差動保護

為保證電力系統穩定性，一般對重要設備進行差動保護，船舶規范要求大于1500kVA設備采用差動進行保護。在船舶低壓電力系統中，變壓器容量小，不采用差動保護，而中高壓船舶電力系統船舶電站容量大，變壓器容量大，通常大于1500kVA，需要采用變壓器差動保護。變壓器差動保護原理基于基爾霍夫電流定律，把變壓器看成是一個節點，正常時流進和流出變壓器電流相等，差動電流等于0。圖3為雙繞組單相變壓器縱差保護原理圖，當設備出現故障時，差動電流大于0，當差動電流大于差動保護裝置整定值時，差動將動作，被保護設備各側斷路器跳開，故障變壓器斷開電源而受到保護。圖中把變壓器看成一個節點，在正常運行或外部短路時，流入差動繼電器KD電流為ir=iⅠ+iⅡ，考慮變壓器原副邊變比，理想情況下iⅠ=0，但變壓器內部故障時，流過差動繼電器KD電流ir=iⅠ+iⅡ≠0，當該電流大于設定值時，繼電器KD動作，實現差動保護。實際上存在誤差因素，流過繼電器存在不平衡電流，但該不平衡電流比較小，不會引起差動保護動作。為防止差動保護誤動作，選擇變壓器正常工作時，2個二次電流相等，所以令:船舶電站為三相電源，變壓器原副邊均需3個電流互感器，根據變壓器三相線圈星三角接法采取相位補償，實現變壓器的差動保護。在船舶電力系統中，除了變壓器差動保護外，為保證電力系統穩定，也有發電機差動保護、母線排差動保護，采何種保護，除滿足規范外，可根據船舶電站選擇。深潛水工作母船電站容量大，對2臺3500kVA主變壓器和4臺發電機采用了差動保護。

2.3船舶中壓電力系統諧波

中/高壓船舶電站一般容量大，電氣設備多，電力系統復雜，如果采用電力推進系統和其他大型電氣設備，將會產生明顯的諧波而帶來危害，需要采用措施減少諧波。通常電力系統諧波主要是晶閘管逆變、整流元件等產生，深潛水工作母船電力推進系統是船舶電網諧波產生主要來源，采取控制電力推進系統諧波措施，經過整流電壓諧波分析，變頻器整流脈沖數m越多，產生的諧波幅值越低，因此一般通過提高變頻器整理脈沖m數量減小電網的諧波含量［3］。

2.3.1采用虛擬24脈沖整流深潛水工作母船通過2套12脈沖電力推進系統組成虛擬24脈沖整流變頻，減小諧波。實現方法:將其中1套電力推進系統電源移相15°，使2套經過12脈沖整流得到的直流波形的紋波相互錯開15°，疊加后得到24脈沖的直流波形，原理如圖4所示，假設第2臺變壓器原邊超前第1臺原邊15°，則線電流也比第1臺超前15°(15°移相可以通過變壓器原邊延邊三角形接法實現變壓器移相)，則iA″超前iA''''15°，對于iA''''則有:從上式可知，電網中諧波含量很少，虛擬24脈沖整流方式提高了船舶電網品質。根據目前船舶電力推進系統配置，通過2套12脈沖整流變壓器實現虛擬24脈沖整流，是一種效果好，成本較低的諧波控制方式，因此在船舶上經常使用。如再減小諧波，可采取更高波次整流，如48脈沖整流，采用2套24脈沖電力推進系統組成虛擬48脈沖整流，此時每套電力推進系統需要2臺變壓器，如圖5所示，不僅增加成本，也給現場布置和施工帶來難度，目前48脈沖整流電力推進運用很少，只在部分鋪管船方案設計中出現過。近年來出現36脈沖、54脈沖、72脈沖變頻整流，這類變頻器由1臺主變壓器和幾臺副變壓器組成，每個副變壓器偏移一定角度，組成一定脈沖整流，為安裝方便，主副變壓器集成為1臺變壓器，諧波控制效果也很好，是一種比較有潛力的變頻器，相信以后會逐步在船舶上使用。

2.3.2深潛水工作母船中壓電力系統諧波推進器是船舶電網諧波的主要來源，深潛水工作母船配備了5臺推進器，其中:1)2臺主電力推進系統，單臺電力推進功率達到3500kW，采用12脈沖變頻控制，2臺電力推進系統組成虛擬24脈沖變頻整流;2)1臺可伸縮推進器，功率為1500kW，采用12脈沖變頻控制;3)2臺側推，功率為2000kW，采用軟啟動。深潛水工作母船2臺主推進系統采用虛擬24脈沖變頻推進系統，減小電站諧波;側推采用軟啟動，啟動完成后切換到全壓運行，對電站影響不大;可伸縮推進器采用12脈沖變頻控制，功率不大，對電站影響有限。為控制諧波，對深潛水工作母船電站進行計算，先對主發電機、推進變壓器、變頻器等效成數學模型再進行計算，電站諧波量理論值和實際實驗值見表3。從表中可看出，電站諧波理論值和實際值有一定差距，經分析實際船舶電網中存在電容，將諧波放大，因此在進行理論計算時，需要考慮電網中放大因素，保證電網諧波理論值更加接近實際值。

2.4大容量變壓器預充磁

中/高壓電力系統因電站容量大，通常會使用大容量船用變壓器，大容量變壓器空載合閘會產生很大的沖擊電流，變壓器合閘時電流一般能達到其自身額定值的4～6倍，沖擊電流將導致變壓器保護裝置產生誤動作，影響整個船用電網穩定性和供電連續性。為限制大容量變壓器空載合閘產生空載合閘沖擊電流，在合閘之前需要對變壓器副邊進行預充磁。

2.4.1變壓器空載合閘電流分析變壓器簡化等效電路見圖6，變壓器空載合閘從該式可知空載啟動與額定運行時差異是因為存在C，從定性分析，空載啟動除了磁通平滑正弦變化外，還增加一個突變值C，使變壓器空載合閘磁通由周期分量Imsin(ωt+θ)和非周期分量Imsinθ兩部分組成。當變壓器空載合閘時電壓初始相角θ=90°時，合閘磁通表達式為:I=Imm，此時變壓器空載合閘磁通最大能達到額定磁通2倍，實際考慮到變壓器剩磁，這個數將在2倍以上。由圖7可看出，變壓器額定工作狀態均在膝點附近A點，此時鐵芯已接近飽和，如磁通達到2倍以上，此時變壓器工作在B點，將導致變壓器高度飽和，勵磁電流很大，此時產生勵磁電流為額定勵磁電流80～100倍，盡管有功電流不大，但合成空載電流仍達到變壓器額定電流4～6倍，引起沖擊電流。從上面公式推導中可知，變壓器合閘沖擊電流與合閘時電網的值有關，并在0°～360°變化，因此變壓器合閘沖擊電流值存在一定的隨機性。但船舶使用三相變壓器，每相相差120°，一般三相電源中總有一相電流接近0或者等于0，總有一相合閘電流較大，因此大容量變壓器需要采取預充磁方式減小變壓器空載合閘電流。預充磁變壓器的連接方式如圖8所示，一般其容量為主變壓器1%，變比相當。進行預充磁時，主變壓器為預充磁變壓器的負載，相對于變壓器正常工作狀態，預充磁變壓器工作一段時間之后，主變壓器內部通過預充磁建立穩態的交變磁通，此時變壓器主開關合上時，由于內部磁通已穩定，不會造成系統磁通突變，無沖擊電流，啟動完成后，取消預勵磁，主變壓器正常運行。需要注意的是，變壓器采用預勵磁時，需要考慮預勵磁電源，一般船舶低壓電源是通過變壓器提供，在設計預勵磁時需要考慮。

2.4.2深潛水工作母船大容量變壓器調試根據經驗，單臺變壓器達到發電機容量1/2時需要考慮加裝預勵磁變壓器，深潛水工作母船配置4臺大容量變壓器:2臺3500kVA變壓器和2臺2000kVA變壓器，這些變壓器應采用預勵磁啟動，但實際進行電力系統設計時，只有3500kVA變壓器采用預勵磁啟動，2000kVA變壓器沒有采用預勵磁，結果調試時2000kVA變壓器，因為空載啟動電流大，中壓配電板上真空斷路器發生不能合閘的情況，經現場調試，10次合閘7次成功，3次失敗，滿足實際使用，2000kVA變壓器合閘存在一定的隨機性，根據前面分析，正好說明:變壓器合閘沖擊電流與合閘時電網值有關，當三相某相接近90°時，變壓器合閘沖擊電流大，導致真空斷路器不能合閘，三相與90°相差較大，真空斷路器能合閘，因此電力系統設計時，大容量變壓器必須采用預勵磁啟動。

3中/高壓電纜終端接線工藝

中/高壓電力系統除在設計中采取相應方法，同時也要考慮相應中壓工藝，保證電力系統可靠性，因此中/高壓電力工藝成為船舶建造的研究對象，中/高壓電纜終端安裝工藝在船舶涉及范圍較大，關系船舶電網安全，成為中/高壓船舶設計和建造中重要內容。中/高壓電纜因為輸送的電壓高，為改善電纜導體電極表面電場分布和絕緣表面耐電強度，在金屬導體和絕緣外層安裝了一層擠包半導電屏蔽層。導體帶電時，導電線芯與屏蔽層之間將形成徑向分布的電場，電纜的電場只有從導線沿半徑向屏蔽層的電力線，沒有芯線軸向的電場(電力線)，且電場分布是均勻的。但在制做電纜接頭時，需要剝去屏蔽層，將改變電纜原有電氣結構，原電場分布發生改變，產生對絕緣極為不利切向電場(沿導線軸向的電力線)。微準確計算電纜斷口處電場，可以根據電纜端部及其表面等效電路進行計算，等效電氣圖如圖9所示，Yv為單位長度電纜絕緣層的體積導納，Ys為單位長度電纜絕緣層表面導納，在交流電壓下，絕緣層表面任一點的電壓和電流有關系如下經一系列推導，可得電纜端部電場最大，屏蔽層斷口處最容易發生放電部位，此時電纜端部電場分布如圖10所示，電場集中易發生電暈，產生熱量破壞電纜絕緣，加速電纜絕緣老化，縮短電纜壽命，嚴重會發生短路，引起事故。為克服中/高壓電纜端部發生電暈，保證電纜絕緣可靠性，需要對中/高壓電纜端部采取相應措施。根據目前船舶實際施工條件和材料，可以采用應力管改善中高壓電纜終端電場分布，緩和電應力的作用。應力管材質構成是由多種高分子材料共混或共聚而成，基材是極性高分子，再加入高介電常數的填料。應力控制材料介電常數都大于20，體積電阻率為108～1012Ω•cm。安裝應力管后可以改善電纜端部電場分布，分散電纜端部電場，安裝應力管后電場分布如圖11所示，此時電場在電纜端部均勻分布，較好地解決電場集中問題。根據上述方法編制深潛水工作母船中/高壓電纜終端接線工藝，現場按照該方法施工，經檢測高壓電纜絕緣值很大，絕大部分處于47000～69000MΩ，趨向于無窮大，遠大于規范要求6600V電氣絕緣值7.6MΩ，且漏電流很小，約為15μA。測試數據說明該工藝效果極好，滿足規范要求。

4中/高壓電力系統在其他船型上的應用

因為船舶中/高壓電力系統高電壓、大容量、低電流特點，滿足未來大容量船舶電站要求，比較適合大容量船舶，主要適用工程船和海洋平臺:工程船對操作性要求比較高，采用DP2或者DP3定位，大部分采用電力推進，電站容量一般比較大，目前普遍采用中高電力系統，如DCV5000鋪管船采用DP3定位，除起重、鋪管設備外，配置8臺電力推進器，電站容量很大，采用11kV電站;海洋平臺系統多，因為工程作業，帶有較大系統或者設備，導致電站容量比較大，一般采用中高壓電力系統;散貨船、客滾船，因為航行經濟性，一般采用柴油機推進，且船舶系統和設備不多，電站容量不大，一般采用低壓電站;冷藏集裝箱船，因為航行經濟性，一般采用柴油機推進，船舶主要系統為冷藏集裝箱設備，而每個冷藏集裝箱功率通常只有11kW，如果考慮同時工作系數，1000個冷藏集裝箱需要的功率也只有約4000kW，因此這些電站容量一般不大，一般不采用中/高壓電力系統。

5結語

船舶中/高壓電力系統能夠得到發展，是因為其自身特點符合了未來大型船舶發展的需要，采用中/高壓電力系統將是未來船舶電站的發展趨勢，相信在以后的船舶設計和建造過程中，將會遇到越來越多中/高壓電站船舶。全面把握中壓電力系統相關技術和工藝，需要進行大量的學習和研究。

作者：郭寧路澤文張敏汪秉文單位：武昌船舶重工有限責任公司