科考船實(shí)驗(yàn)室供配電系統(tǒng)的設(shè)計

張 優(yōu)，陳超君，周祎隆，郭志剛

應(yīng)用研究

科考船實(shí)驗(yàn)室供配電系統(tǒng)的設(shè)計

張 優(yōu)1，陳超君1，周祎隆1，郭志剛2

(1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院上海 200011；2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司上海 201913)

現(xiàn)代科考船安裝有大功率變頻器和精密科考儀器，日趨嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波和日益增長的潔凈電源需求形成嚴(yán)重矛盾；同時為了保障科考任務(wù)正常進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室供電的連續(xù)性和安全性越發(fā)重要。為了向?qū)嶒?yàn)室設(shè)備提供潔凈、連續(xù)、安全電源，本文分析了隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)組、UPS等設(shè)備的工作原理，介紹了電纜的選型、敷設(shè)、接地等的原則：有利于提高電網(wǎng)抗干擾性、連續(xù)性和安全性。并對普通隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)組、UPS的抗干擾性能進(jìn)行了測試和對比：電機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出的諧波最小，普通隔離變壓器輸出的諧波最大，科考UPS輸出的諧波和電機(jī)-發(fā)電機(jī)組相近，因同時具有低諧波、不間斷供電的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室供電上具有優(yōu)勢。

電磁兼容 隔離變壓器 電機(jī)-發(fā)電機(jī)組 UPS 絕緣監(jiān)測和定位系統(tǒng)

0 引言

科考船能夠使科學(xué)工作者直接應(yīng)用專門儀器觀測海洋、采集樣品和研究海洋，具有多學(xué)科、多功能、多技術(shù)的特色。而船舶電力系統(tǒng)屬于小型孤島電網(wǎng)，容量較小，運(yùn)行工況復(fù)雜，易受負(fù)荷運(yùn)行變化影響，抗干擾能力弱。為了確保科考船精確、實(shí)時和連續(xù)地采集和處理數(shù)據(jù)，除了要求船舶搭載的探測設(shè)備和儀器具有專業(yè)性和精密性外，還要求船舶提供潔凈、連續(xù)、安全的供電。目前科考船電能質(zhì)量存在的主要問題有：

1）電網(wǎng)諧波和電磁干擾：現(xiàn)代科考船大多是綜合電力推進(jìn)船舶，安裝有大功率變頻動力設(shè)備，諧波的大量注入會帶來嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，極大影響電力系統(tǒng)裝置、乃至整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。尤其是諧波和電磁干擾被傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室電網(wǎng)后，可降低精密儀器測量和處理數(shù)據(jù)的精度，影響作業(yè)的效率，甚至導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。

2）電網(wǎng)波動和中斷：船舶上大型電機(jī)起動時電網(wǎng)會出現(xiàn)電壓、電流的波動，嚴(yán)重時可導(dǎo)致電網(wǎng)中斷?？瓶即瑢?shí)驗(yàn)室作為數(shù)據(jù)的采集、分析和處理中心，不能因電源的中斷而導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)的丟失；即使在電源設(shè)備檢修維護(hù)期間，科考工作也應(yīng)保持正常進(jìn)行。供電系統(tǒng)應(yīng)具有冗余性和可維護(hù)性：

3）電網(wǎng)故障和安全：船舶上最常見的故障為接地故障，如不及時排除可能會發(fā)展成短路故障，引起全船失電、船舶失去動力甚至產(chǎn)生火災(zāi)等后果，必須采取有效措施進(jìn)行風(fēng)險預(yù)防，提升故障排除效率，提高電網(wǎng)安全可靠性。

本文結(jié)合船舶電網(wǎng)和科考設(shè)備的特點(diǎn)，基于向其科考實(shí)驗(yàn)室設(shè)備提供潔凈、連續(xù)、安全電源的原則，對供電基本方案進(jìn)行歸納和總結(jié)，對科考船舶的設(shè)計具有參考作用。

1 供電網(wǎng)絡(luò)的潔凈性

電磁兼容問題包括電磁干擾源、傳播途徑和設(shè)備抗干擾能力三大要素[2]。本文重點(diǎn)闡述在船舶設(shè)計中對干擾源、耦合路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，有效抑制諧波和干擾。

1.1 提高干擾源的性能

電力推進(jìn)科考船的干擾源主要是動力設(shè)備的大功率變頻器。變頻器整流器一般采用6脈波、12脈波、虛擬24脈波、24脈波、有源前端（AFE）等。6脈波、12脈波、虛擬24脈波、24脈波統(tǒng)稱為多脈波整流變頻器，相數(shù)越多變頻器注入電網(wǎng)的諧波含量越小[3]，缺點(diǎn)是設(shè)備多重量大，對船舶空間要求高。有源前端變頻器（AFE）的整流模塊采用全控型電子器件IGBT和LCL濾波器，既可作為整流器，也可作為逆變器，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動控制，在混合動力船舶應(yīng)用中具有靈活、高效的特點(diǎn)[4]，對輸入電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波小，但易形成諧振回路，存在放大諧波、造成電網(wǎng)不穩(wěn)定的隱患。

近年來由于電力電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流電網(wǎng)技術(shù)因具有節(jié)能減排、無需無功補(bǔ)償、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)無需同步等特點(diǎn)得到了應(yīng)用。直流電網(wǎng)雖然“隔斷”了推進(jìn)變頻器向交流電網(wǎng)饋送諧波的通道，但因直流-交流逆變器、以及交流電網(wǎng)上變頻器和UPS等設(shè)備的使用，交流電網(wǎng)上的諧波也不能忽視，需采取適當(dāng)抑制措施以提高電能品質(zhì)。

1.2 抑制諧波干擾的影響

除了提高干擾源的性能外，在實(shí)驗(yàn)室供電網(wǎng)絡(luò)上還應(yīng)設(shè)置必要的設(shè)備、采取適當(dāng)?shù)碾娎|敷設(shè)和連接工藝，以消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射。因隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)、UPS等設(shè)備具有降低電網(wǎng)諧波和電磁干擾的功能，在科考船上得到了應(yīng)用。

1.2.1采用隔離變壓器

1）普通隔離變壓器

實(shí)驗(yàn)室是各種非線性儀器集中工作的場所，電流的畸變會影響船舶電網(wǎng)的正常工作；同時船舶電網(wǎng)上的動力、輔助等設(shè)備也較復(fù)雜，變頻電機(jī)引起的諧波、大功率設(shè)備的起動沖擊會對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備產(chǎn)生影響，因此實(shí)驗(yàn)室供配電網(wǎng)和船舶電網(wǎng)之間需要進(jìn)行隔離。隔離變壓器因初級和次級繞組沒有任何電氣連接，完全獨(dú)立、相互絕緣，除了對電源電壓進(jìn)行變換外，還能切斷干擾源的耦合傳輸通道，其較大的阻抗還能減小負(fù)載側(cè)電網(wǎng)的短路電路，因此成為實(shí)驗(yàn)室的基本供電設(shè)施，其原理見圖（1）所示。

電網(wǎng)干擾就形式和傳輸途徑而言分為共模干擾和差模干擾。變壓器是靠磁耦合實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的能量變換，抑制差模干擾的能力較弱。初級、次級繞組間存在分布電容，雖然對低頻共模干擾起到一定抑制作用，但對高頻共模干擾的抑制效果卻隨干擾頻率的升高而下降。要提高對差模干擾和高頻共模干擾的抑制能力，需要采用屏蔽隔離變壓器。

2）屏蔽隔離變壓器

屏蔽隔離變壓器，即在普通隔離變壓器的初級和次級線圈之間插入一層金屬并將之與接地端相連，接地電阻要盡可能小，其原理見圖（2）所示。該金屬層將初級和次級線圈之間的耦合電容C分為兩個小電容C1、C2，隨著電容的減小，電容容抗值會增大，一定范圍內(nèi)的高頻共模干擾得到抑制。

如果要求對高頻差模干擾進(jìn)行抑制，需在屏蔽隔離變壓器上采用低阻抗的金屬條，將上述屏蔽層與初級的輸入端相連接，其原理見圖（3）所示。由電路原理可知，對于基波頻率為50 Hz/60 Hz的電源，初級和屏蔽層之間的容抗很高，基波電源仍通過變壓器送到負(fù)載側(cè)，該金屬條不會對電路產(chǎn)生影響；但對于頻率較高的差模干擾，由于初級繞組和屏蔽層之間的電容容抗趨于變小，極易將高頻干擾信號傳輸?shù)酱渭墸帘螌优c初級繞組之間的低阻抗金屬條可將有害的差模干擾短路，提高了抗干擾能力。

（圖1 幾種隔離變壓器原理圖。其中C、C1、C2分別表示耦合電容，ZE表示對地電阻）

1.2.2采用濾波器

對于安裝有特別敏感設(shè)備、或有特殊要求的實(shí)驗(yàn)室，需對該實(shí)驗(yàn)室的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧波分析，并根據(jù)分析結(jié)果在該區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)的輸入回路上設(shè)置有源或無源濾波器，對諧波進(jìn)行消除。

濾波器分無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器是利用電器元件對系統(tǒng)的電感、電容和電阻進(jìn)行匹配，濾除某次諧波，對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易形成諧振回路，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。有源濾波器由指令電流運(yùn)算部分和補(bǔ)償電流發(fā)生部分組成，當(dāng)需要對變頻器產(chǎn)生的高次諧波干擾進(jìn)行抑制的時候，有源濾波器首先對高次諧波分量進(jìn)行測量，通過計算得到補(bǔ)償電流，轉(zhuǎn)化為信息傳輸給補(bǔ)償電流發(fā)生電路，通過這種方式對高次諧波干擾進(jìn)行抑制[6]，降低或消除電網(wǎng)中的諧波電流成分，提升電網(wǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤，又不會產(chǎn)生諧振。濾波器是屬于“事后補(bǔ)救”式諧波治理，需根據(jù)實(shí)際需求綜合評估后實(shí)施。

1.2.3采用電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組

圖2 電機(jī)-發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)示意圖

電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，主要由電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。電動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間只是機(jī)械連接，沒有任何電氣連接，徹底隔離船舶電網(wǎng)的諧波和干擾，其輸出電壓接近理想的正弦波，為實(shí)驗(yàn)室精密設(shè)備提供清潔電源。系統(tǒng)圖如圖2所示。

1.3 優(yōu)化電纜選型和敷設(shè)

船用設(shè)備在設(shè)計與制造過程中要考慮電磁兼容，減小所產(chǎn)生的干擾，并使自身有較強(qiáng)的抗干擾能力，詳見文獻(xiàn)[7-8]。對電纜的進(jìn)行合理選型,采用良好的電纜連接、安裝和保護(hù)工藝，有助于提高設(shè)備的電磁兼容性。船舶上電氣或電子設(shè)備之間的電磁干擾，大多是通過設(shè)備外部電纜間的電磁耦合并從設(shè)備的端口（包括電源、通信、接地等）進(jìn)入設(shè)備的，耦合途徑主要是電容性耦合、電感性耦合和輻射耦合。電纜本身為了抑制這三種耦合，相對應(yīng)的方法就是電纜的靜電屏蔽、電磁屏蔽和輻射屏蔽[9]。

目前主流的抑制電磁干擾的手段為在強(qiáng)電設(shè)備或電纜外加裝磁性屏蔽材料，對于磁性屏蔽材料的制造、安裝工藝等相關(guān)技術(shù)研究較多，并取得一定的成果[10]。船舶和實(shí)驗(yàn)室儀器的電力電纜、信號電纜、控制電纜應(yīng)具有金屬鎧裝層，信號電纜、控制電纜內(nèi)部應(yīng)具有屏蔽層。電纜內(nèi)部屏蔽層一端接地，可抑制電容性耦合；電纜金屬鎧裝層作為外屏蔽層進(jìn)行兩端或多端接地，可抑制電感性耦合；電纜的內(nèi)屏蔽層和金屬鎧裝層均可抑制輻射耦合。電纜的屏蔽層和金屬鎧裝層必須具有足夠的編織密度，以確保屏蔽的連續(xù)性和可靠性。發(fā)射信號采用抗干擾能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定的同軸電纜或射頻電纜。光纖電纜因不受外界電磁信號的干擾、信號的衰減速度慢、信號傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，特別適用于電磁環(huán)境惡劣的處所，在船舶上得到了推廣。

電力電纜、控制電纜和信號電纜應(yīng)分類敷設(shè)，防止電纜間的電磁干擾。不同類別的電纜，平行敷設(shè)時應(yīng)至少相距50 mm，交叉通過時應(yīng)盡量垂直并遠(yuǎn)離。電纜在貫穿艙壁和甲板時，既不能破壞原艙壁和甲板的水密性，也不能破壞相關(guān)處所的電磁兼容性。對電磁場敏感的儀器間，所有進(jìn)入該處所的電纜（包括臨時電纜）應(yīng)采用帶電磁屏蔽功能的穿艙件。每個實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備原則上由設(shè)置在該處所內(nèi)的分電箱供電，如需向其他實(shí)驗(yàn)室供電，該電纜應(yīng)敷設(shè)在金屬保護(hù)套管內(nèi)，以增加金屬屏蔽保護(hù)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大功率設(shè)備要設(shè)獨(dú)立供電回路，避免其起動或停止時對科考電網(wǎng)造成沖擊。對于一定功率的變頻設(shè)備，變頻器到設(shè)備之間應(yīng)采用3+3E結(jié)構(gòu)的變頻電纜，該結(jié)構(gòu)可以使3個絕緣接地線芯形成對稱平衡狀態(tài)，電流分量不會疊加，有效降低高次諧波對變頻電纜的不利影響，同時降低感應(yīng)電壓不平衡并將共態(tài)噪聲傳回傳動系統(tǒng)[11]。

2 供電網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的意外失電，可能會造成計算機(jī)程序中斷、數(shù)據(jù)丟失等，需設(shè)置不中斷電源UPS。UPS的原理為：通過蓄電池對電能進(jìn)行儲存和釋放，在電網(wǎng)故障時，將蓄電池的電能通過逆變器不間斷地向負(fù)載供電。在科考船上主要有UPS單機(jī)供電、雙機(jī)供電等方式。

UPS單機(jī)系統(tǒng)是最常用的方案，其原理圖如圖3所示。工作模式為：（1）正常供電：主電源通過整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)向負(fù)載供電，同時向蓄電池進(jìn)行充電管理。（2）蓄電池供電：主電源故障或者整流器故障而導(dǎo)致直流母線電壓低于電池電壓時，蓄電池經(jīng)逆變器、靜態(tài)開關(guān)向負(fù)載供電。（3）旁路供電：逆變器失電或故障時，旁路電源經(jīng)旁路靜態(tài)開關(guān)自動向負(fù)載供電。（4）維修供電：在逆變器與旁路電源同步情況下，人工將負(fù)載切換到維修旁路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的連續(xù)供電，UPS退出運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)修理。

圖3 UPS單機(jī)供電原理圖

UPS雙機(jī)供電系統(tǒng)包括兩套UPS，是冗余的供電系統(tǒng)，以并聯(lián)方式最常見，其原理圖如圖4所示。正常運(yùn)行時2臺UPS共同工作并平均為全部負(fù)載供電；當(dāng)一臺UPS故障并退出進(jìn)行維護(hù)時，由另一臺正常的UPS獨(dú)立向負(fù)載供電；當(dāng)兩臺UPS均出現(xiàn)故障時，旁路電源經(jīng)旁路靜態(tài)開關(guān)向負(fù)載供電，系統(tǒng)的可靠性和冗余性較高。

UPS的逆變器會對輸出電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。為了實(shí)現(xiàn)變頻變壓并抑制高頻諧波，通常采用成熟正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM），對調(diào)制波和載波的選取適當(dāng)?shù)念l比和調(diào)制比，在輸出回路采用濾波器和隔離變壓器，有效提高基波幅值、降低了低次諧波干擾。由于感性負(fù)載本身對高次諧波具有濾波作用，高次諧波對感性負(fù)載的影響很小，UPS的電網(wǎng)質(zhì)量滿足設(shè)備的使用需求。應(yīng)注意的是，在采用SPWM的供電系統(tǒng)中，高頻諧波中的d/d、d/d會產(chǎn)生共模干擾和差模干擾。d/d和d/d越大，設(shè)備的電磁輻射能量越強(qiáng)，因此UPS設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足IEC60533《船舶電氣設(shè)備和電子設(shè)備的電磁兼容性》。另外，兩臺UPS的輸出端并接在一起，存在環(huán)流，電能消耗較大；如輸出端發(fā)生短路故障，導(dǎo)致兩臺UPS同時停機(jī)，需在平時多加注意設(shè)備的維護(hù)和檢修。

圖4 UPS雙機(jī)并聯(lián)供電原理圖

3 供電網(wǎng)絡(luò)的安全性

船舶低壓供電系統(tǒng)通常為三相三線絕緣、設(shè)備外殼接地保護(hù)的IT系統(tǒng)，沒有專用中線和接地線。IT系統(tǒng)中電氣設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地。當(dāng)由于相線碰殼、絕緣損害、金屬外殼聚集大量的靜電等因素導(dǎo)致外殼帶電時，保護(hù)接地可以大大減少工作人員觸電的危險。

實(shí)驗(yàn)室儀器的電源盡量采用三孔插頭和插座，利用專用接地端提供保護(hù)。對于一些帶兩孔插頭的設(shè)備，如這些設(shè)備的金屬殼體需要進(jìn)行安全接地，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室配置專用的接地銅條，采用專用的接地電纜將設(shè)備的金屬外殼和接地銅條進(jìn)行牢固的連接。實(shí)驗(yàn)室每臺儀器應(yīng)采用獨(dú)立的導(dǎo)線進(jìn)行接地, 不能將多臺儀器的接地端子串聯(lián)后再共用一根導(dǎo)線接地，因?yàn)檫@種接法不僅會因公共阻抗產(chǎn)生電位，也會由某端地線斷開導(dǎo)致整個接地線路開路，形成安全隱患。

實(shí)驗(yàn)室電線、水管比較集中，設(shè)備易因受潮、破損、腐蝕等原因造成線路漏電。船舶電源為IT系統(tǒng)，單相發(fā)生接地故障時的故障電流很小，不會造成故障回路保護(hù)器的切斷，但是故障相的對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，如設(shè)備長時間帶故障運(yùn)行，則會加快電氣設(shè)備及電纜的絕緣老化，如絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，則發(fā)展成相間短路而使事故擴(kuò)大，所以對于IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測非常重要。

傳統(tǒng)的絕緣檢測方法是在配電板母排上設(shè)置絕緣檢測和報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能對船舶的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單的絕緣監(jiān)測，而對發(fā)生故障的原因、線路等無法提供更加精確的信息，故障點(diǎn)的排查困難且工作量很大[12]。為了提高故障排查的效率，應(yīng)采用先進(jìn)的絕緣監(jiān)測和定位系統(tǒng)，工作原理見圖5[13]：絕緣監(jiān)視儀連續(xù)測量IT電網(wǎng)內(nèi)相線和地之間的絕緣阻值，當(dāng)系統(tǒng)對地絕緣值降至預(yù)設(shè)報警值時，絕緣監(jiān)視儀輸出報警信號，同時觸發(fā)其內(nèi)部的絕緣故障測試電流發(fā)生裝置發(fā)送測試電流信號，并由安裝在發(fā)生絕緣故障回路中的測量電流互感器監(jiān)測到該電流信號后進(jìn)行精確定位[14～15]，提高工作效率，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

圖5 絕緣監(jiān)測和定位系統(tǒng)原理圖

4 案例應(yīng)用

某科考船采用了直流供配電技術(shù)，變速發(fā)電機(jī)分別通過6脈波整流器向直流母排提供電源，發(fā)電機(jī)須承受6脈波整流器帶來的諧波的危害，設(shè)備本身的性能應(yīng)滿足要求。直流母排雖然“隔離”了大功率變頻設(shè)備向日用電網(wǎng)和設(shè)備提供的諧波的途徑，但交流電網(wǎng)上尤其是實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)的諧波應(yīng)加以重視。實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)示意圖見圖6。

交流電網(wǎng)上的諧波來源主要有兩種，一種是DC-AC逆變器產(chǎn)生的諧波，另一種是交流電網(wǎng)上使用的變頻器、UPS等設(shè)備所產(chǎn)生的諧波。DC-AC逆變器產(chǎn)生的諧波可以通過在其輸出端設(shè)置濾波器進(jìn)行抑制。為了提高實(shí)驗(yàn)室的供電質(zhì)量，本船提供了3種AC230V科考電源。

1）科考普通電源：采用普通隔離變壓器，向?qū)嶒?yàn)室的普通設(shè)備和電器供電。

2）科考潔凈電源：采用電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組和屏蔽隔離變壓器向敏感儀器供電。電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組向電網(wǎng)提供潔凈電源，如果發(fā)生故障，將自動切換到備用的屏蔽隔離變壓器，連續(xù)提供相對潔凈的電能。

3）科考UPS電源：設(shè)置雙套UPS，正常時由兩臺UPS共同向全部負(fù)載供電；當(dāng)一臺UPS故障時，由正常的UPS向全部負(fù)載供電；當(dāng)兩臺UPS均故障時，由旁路電源通過旁路靜態(tài)開關(guān)向全部負(fù)載供電。為了降低整流裝置對全船AC400V電網(wǎng)的諧波干擾，整流器采用12脈波，并在輸入端設(shè)置有源濾波器。為了提高輸出電源的質(zhì)量，在輸出端設(shè)置LC無源濾波器和屏蔽隔離變壓器。

圖6 實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)示意圖

經(jīng)分析，本船在進(jìn)出港工況時，在網(wǎng)運(yùn)行的變頻設(shè)備、UPS數(shù)量較多且負(fù)荷較大，該工況被列為諧波控制和驗(yàn)證的典型工況。選取科考普通電源配電板、科考潔凈電源配電板、科考UPS電源配電板作為測試點(diǎn)，在空載時采用專業(yè)的電能質(zhì)量分析儀，基于快速傅立葉變換理論，對諧波進(jìn)行在線分析，測試結(jié)果如表1。

表1 進(jìn)出港工況諧波測試結(jié)果

根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2018）和船東的要求，低壓配電電網(wǎng)中總的電壓諧波失真小于5%，單次電壓諧波失真小于3%。表1顯示，所有AC220V科考電網(wǎng)上的諧波均優(yōu)于船級社和船東的要求?？瓶计胀娫磁潆姲逵善胀ǜ綦x變壓器供電，諧波是測試數(shù)據(jù)中最大的。科考潔凈電源配電板，當(dāng)由電動-發(fā)電機(jī)組供電時，諧波最?。划?dāng)由屏蔽隔離變壓器供電時，諧波優(yōu)于普通隔離變壓器供電時的測量值。科考UPS電源配電板與電機(jī)－發(fā)電機(jī)供電時的諧波值相接近，因具有諧波低、不間斷供電的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室供電上更具有優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

近幾年我國海洋科考事業(yè)得到了政府和科研機(jī)構(gòu)的支持，海洋科考船的研發(fā)、設(shè)計和建造已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，科研目的、科研手段和科考裝備的發(fā)展均對實(shí)驗(yàn)室供電提出了更高的要求，對實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計也迫在眉睫。在科考船舶的電網(wǎng)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波大的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)備安全、人員安全的需求，從電源設(shè)備配置選型、設(shè)備接地處理和接地監(jiān)測、電源、信號和控制電纜的選型和施工等方面充分論證，保障科考船實(shí)驗(yàn)室電源的潔凈、連續(xù)和安全，為科考數(shù)據(jù)的精確性、實(shí)時性和連續(xù)性提供可靠的工作平臺。

[1] 史帥彬, 曾江, 康文韜, 等. 具有諧波抑制功能的電網(wǎng)電能質(zhì)量最優(yōu)控制方法[J/OL]. 電源學(xué)報: 1-8[2021-07-01].http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20200604.1447.016.html.

[2] 王天忠. 潛艇艙內(nèi)電磁干擾特性分析與典型問題處置方法研究[J]. 船電技術(shù), 2020, 40(03): 5-8.

[3] 張元瑋, 王良秀, 王碩豐, 等. 海洋工程船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(3): 75-80.

[4] 潘永德, 李明剛. AFE變頻器在新能源船舶中的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(05): 36-38.

[5] 張優(yōu), 秦緒文, 謝宋清, 等. 物探船諧波綜合治理方案研究[J]. 船舶工程, 2020, 42(06): 77-81+125.

[6] 張子豪, 葉瑞海. 船舶變頻器高次諧波干擾自動抑制方法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2019, 41(16): 130-132.

[7] IEC60533 2015: Electrical and electronic installations in ships - Electromagnetic compatibility EMC - Ships with a metallic hull

[8] 船舶電氣設(shè)備和電子設(shè)備的電磁兼容性[S]. 2016. (GB/T 10250 2016).

[9] 葉瑩, 袁雍晗, 徐義亨. 船舶電纜系統(tǒng)的電磁兼容. 艦船電子工程, 2016, (11): 146-150

[10] 熊鵬俊, 周暢, 王曉川. 雙層磁性材料屏蔽效能研究[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(09): 6-9.

[11] 李永江. 關(guān)于船用變頻電纜的探討[J]. 船舶, 2016, 27(01): 77-80.

[12] 宋強(qiáng). 船舶電站絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的原理研究與硬件設(shè)計[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2018, 40(04): 70-72.

[13] 陸熀林. 船舶電力絕緣故障智能定位的研究與運(yùn)用[J]. 電氣時代, 2019(08): 73-75.

[14] 高健. 低壓絕緣監(jiān)測與定位系統(tǒng)在中海油海上平臺的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2017(27): 104-105.

[15] 郁楊. 基于Web的船舶交流電網(wǎng)絕緣狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(14): 91-93.

The Design of Power Distribution for the Laboratory of Scientific Research Ship

Zhang You1, ChenChaojun1, Zhou Yilong1, Guo Zhigang2

（1.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011 China；2.Jiangnang Shipyard (Group) Co. Ltd）

U674.81

A

1003-4862（2021）09-0035-06

2021-07-30

張優(yōu)（1969-），女，高級工程師。研究方向：船舶電氣及自動化。E-mail：zhangyou231@sina.com