船舶高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

趙凱 楊玉嬌 危成亮

摘 ? ?要：本文介紹了船舶交流高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇、中性點(diǎn)高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計(jì)算、大容量變壓器預(yù)防起動(dòng)沖擊電流的措施等。

關(guān)鍵詞：高壓電力系統(tǒng);電壓等級(jí);高阻接地;預(yù)充磁

中圖分類號(hào)：U665.1 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces several key technical problems in the design of marine AC high voltage power system， including the selection of voltage level of AC high voltage power system， the calculation of transformer capacity with high resistance grounding at neutral and grounding resistance parameters， and the measures to prevent starting impulse current of large capacity transformer.

Key words： High voltage power system; Voltage level; High resistance grounding; Pre-magnetization

1 ? ? 前言

通常對(duì)于電站容量不大的船舶，大多采用交流低壓電力系統(tǒng)。但隨著船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的船舶采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，特別是一些特種用途的船舶，如起重船、鋪管船、半潛船、豪華郵輪等，因其電站的容量非常大，采用交流低壓電力系統(tǒng)已不能滿足使用需求，必須采用交流高壓電力系統(tǒng)。

本文探討船舶交流高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括交流高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇、中性點(diǎn)高阻接地的變壓器和接地電阻參數(shù)的計(jì)算、大容量變壓器預(yù)防起動(dòng)沖擊電流的措施等。

2 ? ?電壓等級(jí)的選擇

船舶及海洋工程的交流電力系統(tǒng)，分為低壓和高壓兩種：交流低壓電力系統(tǒng)是指工作于額定頻率為 50Hz 或 60 Hz、導(dǎo)體間最高電壓不超過(guò) 1 kV 的交流系統(tǒng)。常用的有690 V/ 440 V/ 380 V/ 220 V/ 110 V等;交流高壓電力系統(tǒng)是指額定電壓（線電壓）大于 1 kV 但不超過(guò) 15 kV、額定頻率為 50 Hz 或 60 Hz 的交流系統(tǒng)。常用的有6 ?kV/ 6.6 ?kV/ /10 ?kV/ 11 ?kV等。

2.1 ? 交流低壓電力系統(tǒng)

交流低壓電力系統(tǒng)是船舶上最常用的電力系統(tǒng)，其設(shè)備及電纜的選用、安裝、試驗(yàn)以及維護(hù)都比較簡(jiǎn)單，因此當(dāng)船舶電站容量較小時(shí)，一般都選用交流低壓電力系統(tǒng)。

2.2 ?交流高壓電力系統(tǒng)

隨著船舶電站的容量增加，電氣設(shè)備和電纜的體積、重量都會(huì)變得更加龐大，輸電損耗也會(huì)增加，對(duì)船上非常狹小的空間來(lái)說(shuō)就不太適用了;另外，電氣設(shè)備包括電機(jī)、變壓器、保護(hù)開(kāi)關(guān)、匯流排、電纜等在某個(gè)電壓等級(jí)范圍內(nèi)的容量是有限的，當(dāng)電力系統(tǒng)的容量接近或超過(guò)了這個(gè)限度后，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性就會(huì)變差，因此只能靠升高電壓等級(jí)來(lái)擴(kuò)大容量。

2.3 ?電壓等級(jí)的選擇

電力系統(tǒng)電壓等級(jí)是根據(jù)電力系統(tǒng)短路容量確定的，某個(gè)電壓等級(jí)下電力系統(tǒng)最大短路容量又是由該電壓等級(jí)下斷路器的分?jǐn)嗄芰Q定的。

目前，690 V交流低壓斷路器的額定電流最大為6300 A、分?jǐn)嗄芰ψ畲鬄?00 kA、短路容量最大為119 MVA;交流高壓電力系統(tǒng)的最大短路容量（MVA），見(jiàn)表1。

電力系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)確定發(fā)電機(jī)組功率和數(shù)量;然后估算電力系統(tǒng)的短路容量;再根據(jù)電力系統(tǒng)的短路容量確定電壓等級(jí)，選擇符合分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲骱拖鄳?yīng)配電板。

電力系統(tǒng)的短路容量，按如下方法估算：

（1）因變頻器特性不會(huì)饋送短路電流，因此帶變頻器的線路，如推進(jìn)電機(jī)等短路電流為零;

（2）根據(jù)英國(guó)勞氏規(guī)范，電力系統(tǒng)短路電流按發(fā)電機(jī)額定電流的10倍+其它電動(dòng)機(jī)額定電流的3倍計(jì)算;如果有發(fā)電機(jī)的X”參數(shù)，發(fā)電機(jī)饋送短路電流按發(fā)電機(jī)額定電流/X”計(jì)算更為準(zhǔn)確;其它電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大小，按電網(wǎng)負(fù)荷減去帶變頻器線路的負(fù)荷后的60%計(jì)算;峰值短路電流為對(duì)稱短路電流的2.5倍。根據(jù)計(jì)算所得短路電流，用來(lái)校核斷路器的分?jǐn)嗄芰?、峰值短路電流用?lái)校核斷路器的接通能力。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，電站容量與電壓等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表2所列。

3 ? ?中性點(diǎn)高阻接地變壓器和接地電阻參數(shù)計(jì)算

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地有多種方式：中性點(diǎn)直接接地;中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地;中性點(diǎn)不接地;中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地;中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地等。

3.1 ?交流低壓電力系統(tǒng)

船舶交流低壓電力系統(tǒng)，通常采用中性點(diǎn)不接地方式。

3.2 ?交流高壓電力系統(tǒng)

船舶交流高壓電力系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式，其主要理由如下：

（1）當(dāng)電力網(wǎng)的電壓較高、電纜較長(zhǎng)時(shí)，電容電流會(huì)比較大，尤其是交聯(lián)聚乙烯絕緣的電纜，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不接地系統(tǒng)的電弧不能自動(dòng)熄滅，可能引發(fā)火災(zāi);

（2）高壓電力設(shè)備的絕緣水平比低壓的低，當(dāng)運(yùn)行中產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，設(shè)備的安全運(yùn)行性能將受到破壞，不接地系統(tǒng)的操作過(guò)電壓要高于高電阻接地系統(tǒng)。

對(duì)于交流高壓電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的初衷就是限制接地故障電流，因此通過(guò)高阻接地裝置的接地電阻性電流原則上應(yīng)等于或稍大于系統(tǒng)的接地電容電流。正確確定系統(tǒng)電容電流的最好辦法是在最大運(yùn)行方式下實(shí)測(cè)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的接地電容電流主要是高壓發(fā)電機(jī)、高壓電動(dòng)機(jī)和高壓電纜的電容電流，先分別計(jì)算每一個(gè)高壓發(fā)電機(jī)、每一個(gè)高壓電動(dòng)機(jī)和每一根高壓電纜的接地電容電流，再將上述接地電容電流累加得出系統(tǒng)的接地電容電流。

交流高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)高電阻接地方式，通常有下列三種：

（1）系統(tǒng)中性點(diǎn)利用高壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，電阻器直接接入高壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都需配置。采用此種方式，對(duì)電阻器要求耐壓高、阻值大、電流小。

4 ? ?大容量變壓器預(yù)防啟動(dòng)沖擊電流的措施

變壓器的起動(dòng)類似于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，其非周期分量可達(dá)十幾倍額定電流。在船舶交流高壓電力系統(tǒng)中，高壓變壓器的容量一般都非常大，因此其啟動(dòng)沖擊電流將會(huì)引起非常大的電壓瞬時(shí)跌落，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘。

為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，大容量變壓器往往采用預(yù)充磁方式啟動(dòng)以減少?zèng)_擊電流。預(yù)充磁啟動(dòng)方式的原理是：在大容量變壓器主開(kāi)關(guān)合閘前，先采取措拖在變壓器內(nèi)部通過(guò)預(yù)充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁場(chǎng)，當(dāng)其主開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，由于內(nèi)部磁通的穩(wěn)定，不會(huì)造成系統(tǒng)磁通的突變，沖擊電流隨之消失。

大容量變壓器預(yù)充磁啟動(dòng)通常有兩種方式：一種是大容量變壓器的主斷路器先不合閘，其初級(jí)繞組先通過(guò)起動(dòng)電阻接通高壓配電板母線進(jìn)行預(yù)充磁，經(jīng)延時(shí)后再合閘大容量變壓器主斷路器并切除起動(dòng)電阻，完成起動(dòng)過(guò)程;另一種是為大容量變壓器設(shè)一個(gè)等電壓變比的小容量變壓器即預(yù)充磁變壓器，其連接方式如圖3所示，在投入大容量變壓器之前先投入預(yù)充磁變壓器為大容量變壓器預(yù)充磁，經(jīng)延時(shí)后再投入大容量變壓器并切除預(yù)充磁變壓器。因預(yù)充磁變壓器容量很小，其合閘沖擊電流即使倍數(shù)大但電流基數(shù)小，不會(huì)對(duì)交流高壓電力系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，一般預(yù)充磁變壓器的容量可按大容量變壓器容量的1%選擇。

5 ? ?結(jié)束語(yǔ)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)及文化旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶品類和數(shù)量越來(lái)越多，因此很有必要研究交流高壓電力系統(tǒng)的供配電技術(shù)。本文拋磚引玉對(duì)交流高壓電力系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討，希望能給船舶交流高壓電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒或參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T 5222-2005）.

[4] 徐丹錚，繆燕華，吳斐文.大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設(shè)計(jì)（上）[J].? ? ? 船舶，2009（5）.

[5]任雅廣，陳次祥.船用大容量變壓器空載合閘及預(yù)充磁分析[J].機(jī)電? ? ? 設(shè)備，2009（4）.