（电力电子与电力传动专业论文）船舶中压电站实验室的设计与研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h es h i pc o n t i n u i n gt or a i s et h el e v e lo fe l e c t r i f i c a t i o n ，e l e c t r i c a l e q u i p m e n t so ns h i pi n c r e a s i n gg r a d u a l l y , e l e c t r i c a ll o a d sr a p i di n c r e a s i n g ，t h ep o w e ro f g e n e r a t o r si n c r e a s e sg r a d u a l l y , f o rt r a d i t i o n a ls h i pl o wv o l t a g ep o w e rs y s t e m ( b e l o w 5 0 0 v ) ，w h i c hm a k e st h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti n c r e a s eg r a d u a l l ya n dt h ec r o s s s e c t i o n a l a r e ao fe l e c t r i c a lc a b l ei n c r e a s eg r a d u a l l y i na d d i t i o n ，t e c h n i q u eo fm a n u f a c t u r eo fh i g h p o w e re l e c t r i c a lm o t o ri nl o wv o l t a g ei sd i f f i c u l t ，t h ee c o n o m yi su n r e a s o n a b l e t h e r e f o r - e , e n h a n c i n ge l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m sv o l t a g ec l a s sb e c o m e st h ec o n s i d e r a t i o no fp o w e r s t a t i o nw h i c hd e v e l o p st ot h el a r g ec a p a c i t y t h i si sa l s ot h er e a s o no fa p p e a r a n c eo fs h i p i n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e m s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e mh a sb e c o m eh o ts p o to ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ns h i p b u i l d i n ga n dt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hu n i t c o l l e g eo fm a r i n ee n g i n e e r i n g ， d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t yi n t e n d st ob u i l dt h es h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs t a t i o n l a b ，t oe n s u r et h ep r o v i s i o no ft e c h n i c a lo ft e a c h i n ga n dr e s e a r c h ，t ol a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i cs h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e m i nt h i s t h e s i s ，t h em a i njo bi st od e s i g ns h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs t a t i o nl a ba n dt o p r e p a r ef o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h el a b s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e mi sm o r e s y s t e m a t i ci n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d f i r s t ，s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e m s c h a r a c t e r i s t i ca r ec a r e m l l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d n e u t r ap o i n te a r t h e dt e c h n o l o g yo f s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e mi ss e l e c t i v ea n a l y z e d s e c o n d ，s h i pi n t e r m e d i a t e v o l t a g ep o w e rs t a t i o nl a bi sd e t a i l e dd e s i g n e df r o mt h es e l e c t i o no fg e n e r a t o r , t r a n s f ，o r - m e ta n dl o a dt ot h ed e s i g no fs w i t c hb o a r d ，e l e c t r i cp o w e r n e t w o r k ，r e l a yp r o t e c t i o ns y s t e r na n dp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m s h o r tc i r c u i tc u r r e n tv a l u e sa r ec a l c u l a t e da n d a c c o r d i n gt or e s u l t st h em a i ns w i t c ha n db u so fs h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs t a t i o n l a ba r es e l e c t e d i na d d i t i o nt h er e s i s t a n c eo fn e u t r ap o i n te a r t h e do fs h i pi n t e r m e d i a t e v o l t a g ep o w e rs t a t i o nl a bi sc a l c u l a t e d f i n a l l y , s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs t a t i o n l a bi sc a r r i e do nt h em o d e lb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ka n da c c o r d i n gt os i m u l a t i o n r e s u l t ，c o r r e c t i o no ft h ed e s i g no fs y s t e ma n dc a l c u l a t i o no fs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta r e t e s t e da n dv e r i f i e d 英文摘要 k e yw o r d s ：s h i pi n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs y s t e m ：n e u t r a lp o i n te a r t h e d ： i n t e r m e d i a t ev o l t a g ep o w e rs t a t i o nl a b ；m a t l a b s i m u l i n k 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = =盥照史廷皇塑塞坠室的遮盐量硒窒：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀博 硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名： 昊壤 月日 船舶中压电站实验室的设计与研究 第1 章绪论 1 1 问题的提出 世界经济的复苏和贸易增长带来了海运需求和船舶需求的持续增长，世界航 运进入了春天，国际航运需求市场持续回暖。航运界大发展的同时，国际造船行 业也迎来机遇，我国的造船业也不断的向前发展，到2 0 0 7 年，我国造船产量占世 界造船的份额达到2 5 。从船舶需求来看，随着经济的发展，船舶大型化成为主 导，电气负荷逐渐增大，发电机功率逐渐增大，额定电压为3 8 0 v ( 5 0 h z ) 或4 5 0 v ( 6 0 h z ) 传统低压电力系统不能满足要求。低压电气设备的造价低，防止人身触 电的安全性比中压电力系统高得多。但是当用电设备的功率很大时，作为低压电 力系统，电流数值会很大，对于常用的电动机包括船用电机负载，起动时的电流 更将大得惊人。大的电流要求大的导体截面积，而绕组的极大截面将使大功率的 低压电机无法制作；同时，极大的线路传输电流会使线路的功率损耗很大，以及 在发生短路时产生巨大的短路电流，使与之相配的导线和断路器等设备的设计制 作将变得难以实现【l 】。因而船舶中压电力系统成为日后船舶发展趋势。当今国际造 船业应用于2 0 万吨以上的油轮、超大型散货轮、8 0 0 0 箱以上大型冷藏集装箱船舶 以及广泛应用电力推进的大型豪华邮轮、工程船、钻井平台多为3 3 k v 6 6 k v 的中 压电力系统【2 ，3 1 。可以说，国际造船业发展至今，船舶中压电力系统己经在多种船 型中广泛应用。 但我国目前的造船工艺及电气行业标准绝大多数为低压电力系统，根据我国 目前造船业发展大型化的前景，中压电气系统以其安全、高效的特点将在大型船 舶建造设计中得到广泛的应用，而大多数船用中压电气产品，多为国外进口产品， 标准多为拿来主义的成果。国外成品用于国内造船，就变成我国的造船标准，而 且很难统一。在没有明确船舶中压电力系统的相关标准和技术支持的前提下，我 国造船多以陆用标准或者进口产品标准来替代，没有一个系统而严谨的船用中压 造船技术标准，这都是我们造船工业尚未涉及或者说涉入不深的领域。同时目前 绪论 我国大多数的船员对中压电力系统的了解仍然不够，处于初级阶段，工作中对船 舶中压电力系统的操作仍会出现失误，甚至会有生命危险和重大经济损失【l 】。 鉴于航运界飞速发展，船舶中压电力系统的研究己成了国际国内造船界和科 研单位的研究热点，造、修船业和船员对船舶中压电力系统陌生，同时也向教学 培训机构提出了新的要求。大连海事大学轮机工程学院拟建立船舶中压电站实验 室，为培养高能力、高素质船员提供实践保障，为国内船舶中压电力系统的发展 奠定基础。 1 2 国内外研究状况 2 0 世纪8 0 年代中期以来，中压电力系统迎来了一个蓬勃发展的新时期，全面 融合了现代最先进的数控技术、网络技术以及动力和电力机械领域的最新进展， 其原因有两个：一是电力电子和变流技术的发展，使中压电力系统在船舶中得到 开拓，使变频调速推进系统的功率已与其它动力装置不相上下；另一个是美国国 防部的“海上革命”计划，推出了i p s ( 综合电力系统) 的概念，将电力推进系统快 速地引入到军舰中【4 ，5 】。 近些年来，中压电力系统才广泛应用船舶之中。随着船舶大型化和自动化程 度的不断提高，随着船舶设备的更新和生活条件的改善，船舶电气负荷急速增加， 发电机的功率也必须随之而增加，传统意义的船舶低压电力系统已无法满足以下 的要求【6 j ： ( 1 ) 对于采用大功率发电机的5 0 0 v 以下的船舶低压电力系统来说，系统发 生故障时短路电流的增大使开关电器与保护装置的断流容量难以满足要求，实现 越来越困难。 ( 2 ) 现代大型船舶的容量很多己超过i o m w ( 国外采用电力推进的船舶早在 上世纪九十年代就己达数十兆瓦) ，而制造5 0 0 v 以下的大功率发电机( 2 0 0 0 k w 以 上) 和电动机( 2 0 0 k w ) 在技术上是困难的( 已接近功率极限) ，在经济上也不合 算。目前国内船用低压发电机的单机容量均不超过1 5 m w ( 特殊船舶除外) ，在一 艘船上安装七八套甚至更多的发电机组显然是不尽合理的。 船舶中压电站实验室的设计与研究 ( 3 ) 如果输送大功率电能仍采用5 0 0 v 以下的电压，则将使电缆的截面很粗， 并需要多股并联，造成布线与安装上的困难，随着电压等级的提高，输送同一功 率采用中压时电缆规格与数量都要大为下降，据统计，重量约降低7 0 - 8 0 ，价 格约降低8 0 - 9 0 。显然，在电缆的选择上，采用中压的优势性最为显著，特别 是在船舶条件下，由于敷设工作量降低所带来的效益也是不可低估的。 为了说明船舶中压电力系统较低压系统在电气元件选择上以及造船成本及船 舶质量上的优势，以发电容量3 1 0 0 k v a 的发电机为例，分别选择4 4 0 v 和6 6 0 0 v ( 单芯和三芯) 电缆进行敷设，计算出单位长度上电缆的重量，并进行比较如下 表1 1 【7 】： 表1 1 导线重量 t a b 1 1w i r ew e i g h t 发电机容量：3 1 0 0 k v a 电压电流电缆型号导线截面积导线数量导线重量 6 6 0 0 v2 7 l a一，d5 0 r a m 2 ( 1 6 5 a )2 ( 3 3 0 a )2 3 x1 3 2 k g m = 7 9 2 k g m 6 6 0 0 v2 7 1 a二j l 7 0 r a m 2 ( 1 5 0 a )2 ( 3 3 0 a )2x5 4 0 k g r a = 1 0 8 0 k g m 4 4 0 v3 9 7 7 a 二d 1 5 0 m m 2 ( 2 4 3 a )1 7 ( 4 1 3 1 a )17 4 4 6 k g m = 7 5 8 2 k g m 9 0 年代国际上几个主要的设计公司如：a b b 、西门子、施耐德、阿尔斯通公 司，在中压电力系统的船舶开发方面展开了激烈的竞争，中压电力系统的船舶类 型已从轮渡、军舰、邮船、液化气船、油轮到大型集装箱船。这一切己充分引起 国内外造船界和航运界的重视。例如日本4 8 万吨的水晶号、英国伊丽莎白皇后二 号等豪华客轮和目前最大的9 0 0 0 t e u 集装箱船舶都采用中压电力系统，国际上采 用中压电力系统的电力推进船舶的数量已超过几百条们。 近年国内一些船厂也开始在船舶中采用中压电力系统。例如中国海洋石油总 公司曾委托英国f r i e d & g o l d m a n h a l t e r 公司设计，烟台莱佛士船业有限公司制造 绪论 了一艘3 8 0 0 t “蓝疆”号全回转起重铺管船，该船为中压电力系统。中国船舶工业集 团公司第七0 八研究所设计4 0 0 0 t 全回转起重打捞工程船也为6 6 0 0 v 的中压电力 系统f l l 】。中远集团“泰安口，轮、大连与烟台间的轮渡船，东海石油平台在设计和 建造时在6 6 0 0 v 中压电力系统的基础上采用电力推进【1 2 14 1 。预测今后十年中压电 力系统的船舶在国内市场会有大的突破。 1 3 课题的意义 船舶中压电力系统的研究己成了国际国内造船界和科研单位的研究热点。大 连海事大学作为国际一流的高等航海学府在2 0 0 9 年建校百年华诞之际拟在轮机工 程学院建立船舶中压电站实验室。先进的控制理论和控制技术在船舶中压电力系 统的应用研究，并建立一个完善的性能测试平台，对船舶中压电力系统中相关的 设备和器件进行科学的试验，这有利于加快国内船舶中压电力系统的研究，并可 大大降低研究成本，也为船舶中压电力系统的构建提供可靠的技术保障。为培养 高能力、高素质船员提供实践保障，为国内中压电力系统的发展奠定基础。 本文的主要工作是为船舶中压电站实验室建立做准备，设计船舶中压电站实 验室，从发电机、变压器和负载的选型到对配电盘、电力网、能量管理系统和继 电保护的设计，接着对系统进行短路电流计算，并根据短路电流计算的结果对船 舶中压电站实验室的主开关、汇流排等进行选型，之后还计算了船舶中压电站实 验室中性点经高阻接地的阻值；最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 对所设计的船舶中压 电站实验室进行建模，并仿真短路电流，利用仿真的结果来校验系统设计和短路 电流计算的正确性。本文还对船舶中压电力系统进行系统研究，对目前造船中经 常碰到并存在概念模糊的一些船舶中压电力系统相关问题进行分析和探讨，对船 舶中压电力系统进行较为系统的介绍和技术总结。 船舶中压电站实验室的设计与研究 第2 章船舶中压电力系统概述 当船舶采用中压电力系统后，中性点接地方式、变压器、配电方式、供电原 则、电站的极限功率、电气间隙、电缆选择和隔离、接地开关等都与5 0 0 v 以下的 传统船舶低压电力系统有很大差异。 2 1 船舶中压电力系统电压等级分类 中压电力系统的定义，世界各国以及在不同的领域的标准不完全相同。美国 i e e e 标准规定的中压交流电力系统的定义是指：额定电压大于1 0 0 0 v ，小于 1 0 0 0 0 v 的电力系统。在中压之上，还有高压和超高压，对于额定频率为6 0 h z 的 电力系统，中压的额定值有2 3 k v 、4 1 6 k v 、6 3 k v 等，而额定频率为5 0 h z 的电 力系统，中压的额定值有3 3 k v 、6 6 k v 、1 0 ，0 k v 等【1 7 2 0 2 1 1 。 中国船级社钢质海船入级规范2 0 0 6 第4 篇电气装置第1 4 节【2 2 】：交流高压电 气装置特殊要求中指出：交流高压电气装置适用于额定电压超过l k v 的交流三相 电气装置，除另有明文规定外，低压电气设备的制造和安装一般也适用于交流高 压电气装置，系统额定电压应不超过1 5 k v ，但如果有特殊需要，经c c s 同意可以 采用更高的电压，即：l k v 至1 5 k v 之间。 2 2 船舶中压电力系统中性点接地技术 传统船舶低压电力系统采用中性点不接地，这样系统对地绝缘，较安全、可 靠，供电连续性好，一线接地不形成短路。运行中可以允许单相接地故障存在一 段时间。若是由于雷击等引起的绝缘闪络，则绝缘可能自行恢复；当故障不能消 除时，运行人员一般可以在两小时内将故障回路切除，这样，其供电可靠性就很 高。同时，中性点不接地运行方式还有一个优点，经济而且工艺简单，不需要在 中性点连接任何设备。中性点不接地方式因其中性点是绝缘的，电网对地电容中 储存的能量没有释放通路【2 3 2 4 。 但由于中压发电机对绝缘的要求非常高，出于对绝缘成本、人身和设备安全 船舶中压电力系统概述 等方面的考虑，采用中压电力系统的船舶其中性点是要求接地的。同时，随着船 舶电力系统的结构日趋复杂，发生接地故障的可能性也越来越大，如何可靠地检 测接地故障，准确地实现接地选择性保护成为船舶设计所必须考虑的问题【2 5 1 。 2 2 1 中性点接地方式分类 电力系统中性点运行方式是指：电源或变压器中性点采用什么方式接地。 中压电力系统往往采用中性点接地系统，与低压电力系统普遍采用中性点绝 缘系统有着本质的区别，为了适应较高电压等级系统电气设备能安全可靠运行， 应防止系统内产生较高的过电压，特别是操作过电压，而中性点接地系统能将操 作过电压限制在2 6 倍最高相电压以下，就能满足其较低的过压倍数要求，中性点 接地又分为高电阻接地、低电阻接地以及直接接地三种形式，接地电阻越小，过 电压越低。目前，从国内外应用来看，普遍采用高电阻接地方式【1 8 2 6 1 。 通常分为以下几种【1 9 2 7 , 2 8 1 ： ( 1 ) 不接地方式，又称中性点绝缘； ( 2 ) 直接接地方式，中性点直接与接地装置连接； ( 3 ) 电阻接地方式，中性点经过不同数值的电阻与接地装置连接，接地电阻 在数十欧姆时称为低电阻接地方式，在数百欧姆以上时称为高电阻接地方式； ( 4 ) 消弧线圈接地方式，中性点经电抗器( 称消弧线圈) 与接地装置连接， 电抗器又分接头，可用来调节电抗值，以便系统单相接地时，电抗电流能补偿输 电线路的对地分布电容电流，使接地点电流减少，电弧易于熄灭，故称消弧线圈。 2 2 2 中性点接地方式分析 电力系统中性点的接地方式是一项综合性技术问题，必须考虑以下几个方面 的因素：电力系统供电的安全性、连续性和可靠性；过电压保护和绝缘技术措施 的配合；继电保护构成和断路器跳闸方式：配电网结构；人身和设备的安全等。 电力系统中性点接地方式的选择与电力系统发生单相接地故障时流经故障点 的电容电流有关，该电容电流超前电压9 0 0 角，当故障点的电容电流在第一个半波 过零息弧时，加在故障点上的电压正好为峰值，若电容电流过大，空气游离严重， 船舶中压电站实验室的设计与研究 极易将故障点重新击穿，这种重燃有时难以避免。多次重燃将导致电网电压振荡， 发生间歇性弧光过电压。 电力系统中性点接地方式采用电阻接地方式的目的是给接地故障点注入阻性 电流，使接地故障电流呈阻容性质，减小接地故障电流与电压的相位差角，降低 故障点电流过零息弧后的重燃率，当阻性电路足够大时，重燃不再发生，而且， 阻容性电流大于容性电流还可提高零序保护灵敏度，以作用于断路器跳闸 2 9 - 3 1 】。 ( 1 ) 不接地方式 传统船舶低压电力系统，一般采用中性点不接地方式。这是因为不接地方式 的中性点对地绝缘，较安全、可靠，当电力系统发生单相接地故障时，不会影响 三相电压各相之间的对称关系，一线接地也不形成短路，可以继续带接地故障运 行2 小时，供电连续性好。在这类电网中，单相接地故障占总故障次数比重很大， 单相接地电流由电网对地分布电容决定。 对于电压较低、短距离的输电线路，电容较小，故障电流很小，瞬时性故障 往往自动消除，因接地电流小，对通信电路的干扰也小。不接地方式的缺点是当 一相接地时，另外两相对地电压升高，最大至相电压的3 倍，易于使绝缘薄弱处 击穿，造成两相接地短路。 对高电压、长距离输电线路单相接地的电容电流一般很大，在接地处容易发 生电弧周期性的熄灭与重燃，出现所谓间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成 过电压，可能击穿设备绝缘，造成短路故障，为避免发生间歇电弧，要求3 1 0 k v 电网单相接地电流小于3 0 a ，3 5 k v 以上电网单相接地电流小于1 0 a ，因此，中性 点不接地方式对高压长距离输电线路不适宜。 ( 2 ) 消弧线圈接地方式 采用消弧线圈接地方式，利用电抗器的感性电流补偿电网的容性电流，可使 接地电流大为减少，如果选择合适的消弧线圈则可达到完全补偿，此时完全补偿 对熄灭接地电弧非常有利，但实际上完全补偿是不可能的，这是由于存在线路电 阻、接地电阻、漏电阻，变压器和消弧线圈地有功损耗等，使故障点流过一个不 船舶中压电力系统概述 大的剩余电流，在正常运行时，如果三相线路对地分布电容不对称，或出现一相 断线时，可能出现消弧线圈与分布电容的串联谐振，这时变压器中性点可能出现 危险的高电位，为此，消弧线圈一般采用过补偿运行，即电感电流大于电容电流， 这是消弧线圈接地方式的一个缺点，此外，系统运行较复杂，设备投资也较大， 船舶中压电力系统一般不采用这种方式。 ( 3 ) 直接接地方式 中性点直接接地方式的优点是一相接地时，其他两相对地电压不升高，不存 在间歇电弧造成的过电压危险，因此，可降低系统的绝缘水平，这对于1 1 0 k v 及 以上的高压电网降低造价尤为重要，因此1 1 0 k v 及以上电网普遍采用直接接地方 式，此种系统单相接地时，短路电流很大，可使保护继电器迅速准确动作，提高 保护的可靠性，但由于短路电流很大，需要选择容量较大的开关及设备，并有造 成系统不稳定和对通信线路的强烈干扰等缺点。 ( 4 ) 高电阻接地方式 目前，中压电力系统常采用高电阻接地的方式，其主要目的是： 防止间歇性弧光接地过电压和谐振过电压 限制单相接地故障电流 同时满足继电保护的要求 采用高电阻接地方式的最大特点是当中压电力系统发生单相接地故障时，可 以继续带接地故障运行2 小时，也可以选择定时或快速跳闸。 高电阻接地的系统设计应符合中性点接地电阻小于或等于电力系统各相对地 分布电容的总容抗，即氐鼍。的准则，以限制由于电弧接地故障产生的瞬态过 电压，一般采用接地故障电流小于1 0 a 。 2 2 3 中性点接地电流分析 为了讨论电力系统各种接地方式下的单相接地电流，现假设电力系统中性点 通过电阻和电感并联接地，电力系统各相分布电容为c ，以a 相为参考相，发生 接地时，接地处接地电阻心，中性点接地电阻麟，中性点接地电感“，如图2 1 ： 船舶中压电站实验室的设计与研究 图2 1 接地电流分析图 f i g 2 1d i a g r a mo fa n a l y s i so fe a r t hc u r r e n t 哆一歹叫痧_ 卧：眦) +娩4 ， ( u n + a 2 云) c + ( 6 + 口三) ，缈c = 。 “ 式中：中性点接地电纳6 = ， c o l n 中性点接地电导g 2 瓦1 ， 接地点的电导劭= 百1 船舶中压电力系统概述 讥= 面爵 流过接地点的电流： ( 2 5 ) j 矗= ( 痧+ 主) g j = 主劭；：气置主篝 ( 2 。6 ) 表达式( 2 6 ) 是各种接地方式下的接地电流通用计算式，下面分别加以讨论： ( 1 ) 中性点不接地方式发生单相金属性接地时，g d = o o ，g = 0 ，6 = 0 流 过接地点的接地电流：i d = e j 3 c o c ，接地电流仅包括分布电容电流，且该电容电 流超前接地相电压9 0 度。 ( 2 ) 中性点经消弧线圈接地方式发生单相金属性接地时，岛= 0 0 ，g = 0 ， 流过接地点的电流：l = ( 3 彩c 一c o l l - a , ) 三，接地电流包括容性电流和感性电流两 部分，利用电抗器的感性电流补偿电网的容性电流，可使接地电流大为减少。如 果合理选择消弧线圈使3 c o c = ，则i d = 0 ，可达到完全补偿，这种完全补偿对 l n 熄灭接地电弧非常有利。 ( 3 ) 中性点经电阻接地方式发生单相金属性接地时，g d = o o ，6 = 0 流过接 地点的电流：i d = e ( g + j 3 c o c ) ，接地电流包括阻性电流与容性电流两部分，使 接地故障电流呈阻容性质，这样可减小接地故障电流与电压的相位差角。显然， 阻性电流与中性点接地电阻氐有关，凡越大，阻性电流越小，反之亦然。 2 2 4 船舶中压电力系统中性点经高电阻接地方式分析 由于船舶中压电力系统对绝缘技术的要求非常高，考虑船舶中压电力系统绝 缘成本、人身安全等诸多方面，特别是船舶中压电力系统特殊性，船舶接地实际 是连接到船体，而船体本身是一个良性导体，不仅容易危及人身安全，而且可能 船舶中压电站实验室的设计与研究 在中压和低压侧之间形成通路，损坏船舶低压设备。这样，船舶中压电力系统中 性点接地技术的要求高，处理起来复杂，这项技术的研究得到了越来越多的关注 3 2 , 3 3 1 o 设流经电阻器的最大电流为单相接地故障阻性电流厶，得到下面接地电流计 算公式 厶= r - l 1 7 3 r j ( a ) ( 2 7 ) 电阻器阻值氐的选择取决于阻性电流厶的选择 阻性电流厶的选择原则： 接地点阻性电流( 1 1 5 ) 容性电流，即厶1 1 5 毛，以保证不发生间 歇性弧光接地过电压。此时，过电压一般不超过2 6 倍相电压，这也是发电机能够 承受的过电压。一般船舶交流发电机耐压标准为额定线电压的1 5 倍，即2 6 倍相 电压。这样，低于2 6 倍相电压的接地过电压被认为是安全的，也就是作用于船舶 交流发电机的过电压不宜超过2 6 倍相电压。 厶是系统总的电容电流，接地电阻值主要按系统电流大小确定，电容电流是 中压系统所有中压电缆对地形成的分布电容所形成的泄漏电流之和，所以与电缆 的规格与长度有关，从有关手册中可知道单位长度的电容值或电容电流，再乘以 具体船舶电缆的长度就能计算出总的电容电流。 接地点阻性电流i r = 堡：l 生，( 2 8 ) r n0 3 r n 系统总的电容电流厶：3 优墨( 2 9 ) 3 ( 式中：中性点对地电压，玑- 额定线电压) 厶3 a ，以保证发电机接地保护的灵敏度。 由- y r 的接入，将使单相接地故障总电流l 增大芝倍或更大，并且由于容 船舶中压电力系统概述 性电流合成为阻容性电流，单相接地故障总电流厶= 厶2 + 厶2 。 l ( 1 0 1 5 ) a ，以减轻发电机定子绕组单相接地故障时对发电机铁芯 的烧损程度。 按照中国船级社钢质海船入级规范要求：当采用中性点接地系统时，接 地故障电流既不大于配电板上或配电板分段上最大1 台发电机的满载电流，又不 小于其接地故障保护电器最小动作电流的3 倍。这样可以确定接地故障电流动作 t 值岛作导。 j 2 3 船舶中压电力系统其他特点 2 3 1 中压变压器预充磁 变压器是船舶电力系统中重要的设备，它的安全性和稳定性对整个船舶电力 系统的运行是很重要的。稳态运行时，变压器的励磁电流只有其额定电流的1 2 。但当变压器空载投入电网时，由于变压器铁心磁通的饱和以及铁心材料的非 线性特征，会产生很大的励磁涌流，其幅值达到额定电流的数十倍。这种励磁涌 流给船舶电力系统及变压器本身带来了一系列的危害，例如：会损害变压器的绝 缘，使变压器绕组机械应力增大，导致变压器绕组变形；导致变压器保护装置的 误动作；造成船舶电网电能质量的下降( 包括大量的高频谐波) ，引起船舶电网中 的谐振现象电磁干扰，影响变压器周围设备的运行等。 变压器励磁涌流产生机理： 从电机学原理来看，变压器合闸时类同于发电机启动，都有大电流冲击，其 非周期分量可达十几倍额定电流，在中压电力系统中的中压降压日用变压器容量 一般也相当大，可能与中压发电机容量相当，所以其合闸冲击电流可能会引起发 电机跳闸。 变压器涌流主要由变压器的磁饱和特性以及铁心材料的非线性特征所引起 的。根据上面对变压器空载合闸时瞬变过程的分析，得到了空载合闸时与一次绕 船舶中压电站实验室的设计与研究 组交链的总磁通大小。由于铁心的磁饱和特性，如图2 2 所示，当磁通小于s 时， 产生的励磁电流为o ；当大于s 时，则励磁电流会急剧上升。故s 点相当于为磁饱 和特性曲线的阈值，对应于图2 2 中，相当于时间点鼠和只。当时间处于岛和幺之 间时，将产生励磁涌流，反之励磁电流将会很小。当扛鱼当时，磁通和励磁涌 ：z 流达到最大。由于磁饱和特性及铁心材料的非线性特征，产生的励磁涌流幅值相 当大，一般为变压器额定励磁电流的1 0 倍以上。考虑到铁心本身阻尼，励磁涌流 的幅值将有所衰减【3 4 , 4 2 】。 妒 图2 2 磁饱和特性 f i g 2 2m a g n e t i cs a t u r a t i o nf e a t u r e s 为防止这种现象发生，中压变压器往往采用预充磁方式合闸，以减少冲击电 流，在延时若干秒钟后再接通中压变压器的主供电断路器，类似于电动机降压起 动装置被旁路切换。 预充磁作用原理： 在交流系统中，磁通矽总是落后电压9 0 0 相位角。如果在合闸瞬间，电压正好 达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通， 在这种情况下变压器不产生励磁涌流。但是当合闸瞬间电压值为零时，它在铁心 中所建立的磁通为最大值( 丸) 。可是，由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁 芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现了一个非周 期分量么，其幅值为丸。此时，铁芯里的总磁通应该看成两个磁通相加而成。正 船舶中压电力系统概述 是如此，当此合成磁通达到最大值时，由于磁饱和特性及铁心材料的非线性特征， 将产生极大的励磁涌流。那么如果当合闸时在变压器的原边用一定电流值的电源 进行预充磁，由于有了预充磁产生的磁通去维持铁芯中磁通的初始状态，那么非 周期分量的幅值痧将大大减小，此时铁芯中的合成磁通将比没有进行预充磁时的 大为减小，从而达到抑制励磁涌流的目的。 预充磁通常有两种方式【1 1 】： 中压变压器初绕组先通过电阻至中压配电板母线，经延时后变压器主断路器 接通旁路电阻，然后再断开电阻电路；另一种从低压电网接通一台等压变比的小 型变压器与中压变压器的次级绕组并联，中压变压器的初级绕组会感受一个高压， 经延时后，中压变压器主断路器合闸，然后再断开小变压器电路。 2 3 。2 中压配电盘 中压配电盘和低压配电盘有很大的不同：每一屏只有一条电路；每一屏内部 具有相互隔离的开关室，电缆室，低压室等不同功能的结构；每屏内部具有连锁 保护的操作要求，俗称“五防措施 【1 l 】。所谓“五防”即： 防止误跳合断路器； 防止带负荷合隔离开关； 防止带电挂接地线； 防止带接地线合隔离开关； 防止人员误入带电间隔。 中压配电盘每屏顶部具有泄弧通道，以泄放掉电弧产生的有害气体和金属离 子。 中压配电盘绝大多数采用抽出式真空断路器s f 6 断路器，小功率馈电可采用 抽出式熔断器及真空接触器、断路器及接触器的通断均需通电，所以其操作电源 均需采用u p s 供电，可以是直流，也可是交流。 中压配电盘母线按c c s 规范【2 2 】要求：应将主配电盘至少分成2 个独立的分段， 通过至少1 个断路器或其他合适的隔离设备分隔离，每1 段至少由1 台发电机供 船舶中压电站实验室的设计与研究 电。如2 个独立配电盘由电缆连接，则在电缆的每一端应设有断路器。由于分段 断路器的下端不可能再从该屏中接汇流排引用上连接到第二分段母线，只能旁接 至另一屏再引上连接第二分段母线，这屏就称为提升屏或母联开关屏，是低压配 电盘中不会有的特殊的一屏结构。 中压断路器本体不像低压断路器那样带有保护装置，而是通过独立的继电保 护装置综合所有的保护功能来控制断路器，目前采用的均为数字式多功能继电器， 具有强大的测试、显示控制功能，中压配电盘的保护除了短路、过载、低压、过 压、逆功率等与低压配电板相同外，还有中压电力系统需要的纵差、零序、零序 纵差等保护。零序电流实质上就是单相接地保护，是中性点接地系统所必须的。 中压配电板的控制与低压配电板类似，对于中压发电机而言，具有与低压发 电机完全相同的同步控制要求外，还可在机舱集控台上进行控制。 2 3 3 供电原则 中压供电原则【l l 】是指怎样决定一些具有边缘功率等级的电动机是从中压还是 低压获得供电，这个边缘功率一般在2 0 0 k w 左右，并且具有几台，不要求调速。 电动机采用低压，则需增加日用变压器的容量；或者另设一台独立变压器由 中压供电。电动机采用中压，则每台电动机需增加一屏馈电屏。低压电动机可由 低压配电开关每台独立供电或由一台大电流配电开关供电组合起动器再分供各台 电动机。以上各种方案理论上均可行，因此只有通过不同方案的技术经济分析， 才能得出一个比较满意的结论。不同的方案必然影响到变压器的容量和数量的不 同，配电开关和配电板数量的不同和电缆数量的不同。中压电动机的直接起动， 原则上可由中压配电板直接控制，不需再另配中压起动装置。 2 3 4 电站的极限功率 各级电压电站的功率均受到配电保护装置的最大通断能力以及电动稳定性和 热稳定性的限制。原苏联对提高4 0 0 v 低压电力系统功率极限作了大量研究，如采 用限流装置和研制高电抗的发电机等措施。并得出结论：当限流装置、发电机、 励磁系统和配电保护装置的参数比最佳时( 发电机超瞬态电抗标么值应在0 2 - 0 3 船舶中压电力系统概述 之间，限流馈电电抗器的电感值在0 0 5 一- - 0 1 之间，分区电抗器的电感值0 2 0 5 之间) ，4 0 0 v 系统即可在并联工作中其发电机单功率可达6 0 0 0 - - 一9 0 0 0 k w t 3 6 1 。若不 用短路电流限制装置时，电站极限功率为3 2 0 0 k w 。尽管目前线路保护开关的通断 能力在不断提高，如日本寺崎最近几年接连推出额定电流达5 k a 和6 k a 两种线路 保护开关，其通断能力达7 0 k a ( 有效值) 。但这些都不能解决根本问题，还必须 使用中压系统。 中压系统同样也存在着极限功率问题，但其极限值较大，并认为3 3 0 0 v 电站 的极限功率为2 0 0 0 0 k w ，6 6 0 0 v 电站的极限功率为4 0 0 0 0 k w ；1 1 0 0 0 v 电站的极限 功率为7 0 0 0 0 k w 。 这里研究各电压等级电站极限功率的目的在于了解各级电站功率的大概范 围，而不是去限制选用高一档电压等级。实际上影响船上选用电压等级的不在于 系统的保护能力，而在于旋工条件，特别是电缆进线。 2 3 5 中压电气设备的电气间隙 通常对未经型式试验的设备，其非绝缘部件间的相对相和相对地之间的电气 间隙应不小于表2 1 。 如电压为所列额定电压的中间值，则应取电压高的这一档次值。如电气间隙 低于表2 1 【2 2 】所列值，则应进行相应的冲击电压试验； 表2 1 中压电气设备的电气间隙 t a b 2 1e l e c t r i c a lg a po fi n t e r m e d i a t ev o l t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n t 额定电压( k v )最小电气间隙( m m ) 3 ( 3 3 ) 5 5 6 ( 6 6 ) 9 0 l o ( 1 1 ) 1 2 0 1 51 6 0 船舶中压电站实验室的设计与研究 2 3 6 中压电缆 船用中压电缆已走出了空白之路，现在已有了较好的选择余地，有多档电压 等级可选。中压电缆的电压等级仍是按系统额定电压：即3 3 6 、6 6 1 0 、8 7 1 5 k v 三种。而船级社规范却要求电缆额定电压应不低于它所在电路的额定电压，而系 统最高电压为发电机额定电压。若为3 3 k v ，迫使全系统中压电缆只能选用3 3 6 k v 电压等级，等于提高了一个电压等级挡次使用，似乎不太经济。但考虑到电缆的 耐压试验电压通常很高，相对其他电机、变压器及开关设备而言是最低的，所以 从提高绝缘裕度角度考虑，也是可以接受的【3 7 1 。 2 3 7 隔离开关和接地开关 在船舶中压电力系统中，操作人员即使没有直接接触带电设备，如果不慎距 离带电设备太近，小于规定的安全操作距离，也将可能受到严重的触电事故。船 舶中压电力系统的变压器电流，电压互感器，断路器等一般要求安装在完全封闭 的开关柜中。当需要带电操作某些设备时，要严格按照安全操作规程，使用专用 的绝缘工具进行维修时，必须停电进行。同时，船舶中压电力系统设计中安装了 必须的隔离开关与接地开关，以保证操作人员的安全【3 8 - - 4 0 。 ( 1 ) 隔离开关 由于断路器的断开点在外部是看不见的，不同于传统船舶低压电力系统，船 舶中压电力系统为了保证在维修时操作人员的人身安全，在船舶中压主发电机断 路器与中压汇流排之间，还有在中压汇流排连接断路器的两端，以及在变压器的 断路器与中压汇流排之间，都串连了隔离开关，隔离开关是具有可见断开点的开 关，但不具有灭弧装置，因此不能带负荷分合闸，使用时，与断路器的分合闸操 作顺序有先后规定，有时也与断路器有机械或者电气的连锁。 为此，在操作隔离开关之前，必须先检查与之串联的断路器，应确实处于断 开位置，如隔离开关带的负载是规定容量范围之内的配电变压器，则必须先断开 配电变压器的全部低压负载，待其空载之后再拉开该隔离开关；送电时，先检查 变压器低压侧断路器确在断开位置，方可合隔离开关。如果发生了带负载分或合 船舶中压电力系统概述 隔离开关的误操作，则应冷静地避免可能发生的另一种反向的误操作。 ( 2 ) 接地开关 为了确保维修操作人员的人身安全，使其正在接触的线路无电，船舶中压电 力系统供配电线