中壓電力系統(tǒng)在大型耙吸挖泥船上的應(yīng)用

李金貴，鐘志生

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

近年來，由于我國港口航道建設(shè)和疏浚工程的需求，我國挖泥船建造得到快速發(fā)展，尤其在建造大型耙吸挖泥船的相關(guān)技術(shù)方面取得了關(guān)鍵性的突破。從過去能夠建造幾千m3艙容的耙吸挖泥船到現(xiàn)在建造2萬m3艙容的大型耙吸挖泥船，從單項(xiàng)的自動化控制到整船的自動化應(yīng)用，從單一設(shè)備的變頻技術(shù)到整船疏浚系統(tǒng)變頻技術(shù)應(yīng)用，從低壓電站到中壓電站應(yīng)用，這些新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用加快了我國船舶行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步提高了挖泥船的疏浚性能、自動化程度、船舶安全性和可靠性，使耙吸挖泥船的疏浚施工效率得到提高。

隨著船舶電力系統(tǒng)容量的逐步增大，受到電纜敷設(shè)、斷路器分?jǐn)嗄芰?、電機(jī)制造等方面的限制，低壓系統(tǒng)已不能滿足大型耙吸挖泥船對施工功率的需要。

1 大型耙吸挖泥船采用低壓系統(tǒng)帶來的問題

為適應(yīng)疏浚工程的需要，大型耙吸挖泥船疏浚能力不斷提高，進(jìn)而需要不斷提高疏浚設(shè)備功率，疏浚設(shè)備功率的提高給船舶低壓交流電站帶來了如下問題：

1）疏浚設(shè)備功率的增加，使得發(fā)電機(jī)和負(fù)載電動機(jī)的單機(jī)容量增大，如果仍采用低壓電力系統(tǒng)，對制造低壓大功率電機(jī)而言在技術(shù)上存在困難，且不經(jīng)濟(jì)。國際上通常將發(fā)電機(jī)組容量2 500 kW確定為低壓（360 V）工頻發(fā)電機(jī)組的容量上限。在低壓等級上設(shè)計(jì)制造2 500 kW以上的發(fā)電機(jī)在技術(shù)上存在困難，如果安裝多臺小型發(fā)電機(jī)組則更加不經(jīng)濟(jì)且占用空間大，給管理帶來不便。

2）低壓發(fā)電機(jī)功率的增加，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的短路電流也進(jìn)一步增大，同時(shí)對傳統(tǒng)低壓斷路器與保護(hù)裝置的分?jǐn)嗄芰Φ囊笠苍絹碓礁?。而目前低壓空氣斷路器的最大分?jǐn)嗄芰Σ荒軡M足增大后的斷流要求，即保護(hù)裝置的斷流容量限制了船舶電力系統(tǒng)容量的增大。

3）如果低壓系統(tǒng)的機(jī)組數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。對大量、多機(jī)組、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行高效的保護(hù)和控制變得繁瑣，給系統(tǒng)帶來許多不必要的故障點(diǎn)。

4）低壓系統(tǒng)由于容量增大，使得發(fā)電機(jī)的額定電流不斷增加，采用低壓電纜時(shí)，其電纜截面很大，用銅量大，而且供電線路需要多根電纜并聯(lián)。這對電纜的進(jìn)出線提出了很高的要求，不僅占用空間，而且給安裝及使用維護(hù)都帶來極大的困難。

為此，提高供電系統(tǒng)的電壓等級成為大型耙吸挖泥船電力系統(tǒng)向大容量、高電壓方向發(fā)展所必須考慮的問題。

2 電壓等級的劃分及應(yīng)用范圍

在我國電力系統(tǒng)中，將標(biāo)稱電壓1 kV及以下的交流電壓等級定義為低壓，標(biāo)稱電壓1 kV以上、330 kV以下的交流電壓等級定義為高壓，標(biāo)稱電壓330 kV及以上、1 000 kV以下的交流電壓等級定義為超高壓，標(biāo)稱電壓1 000 kV及以上的交流電壓等級定義為特高壓。對中壓電力系統(tǒng)的定義，世界各國及在不同領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)不完全一致。美國電氣的標(biāo)準(zhǔn)文件中把2.4 kV至69 kV的電壓等級稱為中壓，IEEE標(biāo)準(zhǔn)100規(guī)定中壓交流電力系統(tǒng)的定義是指額定電壓大于1 000 V，小于10 000 V的電壓，我國國家電網(wǎng)公司的規(guī)范性文件中把1 kV以上至20 kV的電壓等級稱為中壓。

在我國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中，1 kV以上至35kV之間的標(biāo)稱電壓系列主要是用于交流系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓電器和配電線路的標(biāo)稱電壓，這是最常見的、應(yīng)用范圍最廣的電壓系列。表1給出我國標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)1 kV以上至35 kV的交流三相系統(tǒng)標(biāo)稱電壓及設(shè)備的最高電壓。

表1 1 kV以上至35 kV的交流三相系統(tǒng)標(biāo)稱電壓及設(shè)備的最高電壓 kV

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[2]要求，船舶電力系統(tǒng)采用的電壓和頻率應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 船舶電力系統(tǒng)采用的電壓和頻率

3 中壓電力系統(tǒng)在大型耙吸挖泥船上的應(yīng)用

二十世紀(jì)六十年代，某些特殊船舶開始采用中壓電力系統(tǒng)，最初只是在某些特定的大功率負(fù)載或局部設(shè)備采用中壓系統(tǒng)。

一些大型專用、工程船舶，如：汽車運(yùn)輸專用滾裝船、半潛船、客滾船、豪華游船、大型液化天然氣船、大型疏浚船舶等由于電站系統(tǒng)容量增大，低壓電站的容量已經(jīng)不能滿足船舶總功率增加的需要，為節(jié)約船舶有限的空間，減少柴油機(jī)組的數(shù)量，降低燃油消耗，提高運(yùn)行效率，需要進(jìn)一步提高船舶電力系統(tǒng)的電壓等級。經(jīng)過多年研究改進(jìn)，已成功解決了中壓電力系統(tǒng)存在的一系列難題，現(xiàn)已在各類船舶得到廣泛的應(yīng)用并取得了很好的應(yīng)用效果。

由于中壓電力系統(tǒng)有許多優(yōu)越性，綜合考慮性價(jià)比，工程船舶電力系統(tǒng)中壓多數(shù)采用3 kV/3.3 kV和6 kV/6.6 kV等級。有的船舶使用高達(dá)11 kV等級的電力系統(tǒng)。

3.1 “通程”輪中壓電力系統(tǒng)

我公司在國內(nèi)建造的18 000m3自航耙吸挖泥船“通程”輪采用中壓電力系統(tǒng)，該船中壓電站為疏浚設(shè)備的變頻器系統(tǒng)提供交流三相電源。中壓電力系統(tǒng)組成見圖1。

1）電站軸帶發(fā)電機(jī)。該船配備2臺自勵(lì)、恒壓、無刷交流軸帶中壓發(fā)電機(jī)（軸帶發(fā)電機(jī)），每臺發(fā)電機(jī)額定電壓：3×6.6 kV，額定頻率：50 Hz，視在功率：10 000 kVA，功率因數(shù)：0.8，功率：8 000 kW，電流：875 A，轉(zhuǎn)速：600 r/min。

2）泥泵電力傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)由4臺三繞組變壓器、2臺24脈沖泥泵傳動變頻器、左泥泵和水下泵/右泥泵和水下泵的選擇開關(guān)、左泥泵電動機(jī)、右泥泵電動機(jī)和水下泵電動機(jī)等組成。通過選擇開關(guān)可向左泥泵和水下泵或右泥泵和水下泵進(jìn)行供電。

3）高壓沖水泵電力傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)由4臺三繞組變壓器、2臺24脈沖高壓沖水泵傳動變頻器、左、右泥泵電動機(jī)等組成。

4）封水泵控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由2臺電壓比率6 600 V/400V變壓器、6臺封水泵變頻器及6臺封水泵等組成。

5）配電板。6.6 kV中壓配電板由中壓發(fā)電機(jī)饋電屏×2；母聯(lián)屏×1；提升+測量屏×1；測量屏×1；變壓器饋電屏×8（其中：4屏泥泵變壓器屏、2屏高壓沖水泵變壓器屏；2屏日用高壓變壓器屏）組成。

圖1 “通程”輪中壓電力系統(tǒng)單線圖

2臺中壓軸帶發(fā)電機(jī)之間可短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，用于負(fù)荷轉(zhuǎn)移。中壓電站具有2臺發(fā)電機(jī)之間的自動并車，并車時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移和解列功能。

3.2 使用效果

中交天津航道局有限公司建造的自航耙吸挖泥船“通程”輪采用6.6 kV中壓電力系統(tǒng)，通過實(shí)船調(diào)試，使用效果很好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。疏浚設(shè)備采用交流變頻驅(qū)動，簡化了傳動設(shè)備，采用一般的減速齒輪箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣胎離合器及雙速或多速齒輪箱，柴油機(jī)不需要在85%～100%轉(zhuǎn)速下的恒轉(zhuǎn)矩特性，從而大大減小了總裝機(jī)功率；在各種不同工況下，主機(jī)和主發(fā)電機(jī)組恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，施工時(shí)不需要改變主機(jī)和主發(fā)電機(jī)組速度，功率可以得到充分利用。在總裝機(jī)功率大大減小的同時(shí)，大幅提高船舶燃油效率，減少了燃油的消耗和廢氣排放，運(yùn)行成本下降，節(jié)能減排效果顯著。

3.3 應(yīng)用推廣

我公司正在建造的18 000m3自航耙吸挖泥船“通途”輪是繼“通程”輪后又一艘大型耙吸挖泥船，該船采用的中壓電站、泥泵、高壓沖水泵傳動系統(tǒng)及傳動控制系統(tǒng)與“通程”輪中壓電力系統(tǒng)的配置基本相同。6.6 kV等級的中壓電力系統(tǒng)在“通途”輪得到推廣，該船的建成將在圍海造地、港口建設(shè)和航道疏浚中發(fā)揮應(yīng)有的作用并產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 結(jié)語

隨著疏浚技術(shù)的發(fā)展，我國新建、在建的耙吸挖泥船顯現(xiàn)出挖泥船大型化，適應(yīng)深水域大挖深，疏浚機(jī)具高效、耐磨、疏浚施工自動化等特點(diǎn)。為適應(yīng)深海水域及不同疏浚施工工況，追求高效疏浚，現(xiàn)代大型挖泥船對疏浚功率需求越來越高，對船舶的疏浚功能要求越來越強(qiáng)，未來大型挖泥船的電力系統(tǒng)必然向高技術(shù)含量的中、高壓及大功率、綜合自動化等方向發(fā)展。

[1] GB/T 156—2007，標(biāo)準(zhǔn)電壓[S].

[2] GB 13031—1991，電壓為1 kV以上至11 kV的船舶交流電力系統(tǒng)[S].

[3] 吳庚申，李玉成.電力推進(jìn)船舶的中壓電力系統(tǒng)[J].船電技術(shù)，2003（6）：15-18.

[4] 吳庚申.船舶中壓電力系統(tǒng)簡介[J].航海技術(shù)，2003（4）：45-47.

[5] 王文玉.船舶電站組建與調(diào)試[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.