大功率电力系统船舶的设计.doc

大功率电力系统船舶的设计徐丹铮 缪燕华 吴斐文关键词：大功率电力系统；中压电力系统；船舶设计摘要：本文针对具有大功率电力系统的船舶，提出了一些富有新意的船舶电气设计思想和设计原则。诸如怎样进行多工况的电力负荷计算；如何按短路容量选择系统电压等级；为何中压电力系统采用中性点高阻接地系统；发电机组如何实现冗余；怎样控制系统谐波电压和电压跌落指标等。最后，介绍了中压电力系统主要设备特有的性能或结构，包括发电机、中压配电板、中性点接地电阻箱、中压电缆等。虽然，本文以大型海洋工程船，特别是起重船为主要例子作为依托，但这些设计思想和原则应具有普遍意义，可引伸应用于具有大功率电力系统的其他船舶的开发研究和工程设计中去。2009年7月1. 概述以大型海洋工程船为代表的具有大功率电力系统的一系列船舶的出现，正在创造着许多富有新意的船舶电气设计思想。自从4000t起重/打捞工程船设计建造运行以来，对于具有大功率中压电力系统的一些船舶设计理念，正在陆续不断地体现在一些新颖的船舶设计中。正如笔者在接受中国船舶报记者采访中所说的“我国自主成功开发船舶中压电力系统具有十分积极的意义。使我国在船舶总体设计领域能为国内企业提供更多、更好、更便捷的船电配套解决方案。为我国造船界进一步开发高技术、高附加值船舶和海工装备奠定了基础”（见2009.4.15第27期第6版）。大功率电力系统，目前常称为中压电力系统，与常规船舶的低压电力系统有着天壤之别。“中压”按照国际电工委员会（IEC）标准而言，是指1kV15kV。 约十余年前，最高电压还在11kV；若干年后，是否再会升高，笔者抱着看好的态度。毕竟，在陆用上中压概念可以到52kV。大功率是一个没有上限的概念。然而，电器设备包括电机、变压器、开关、电缆等在某个电压等级范畴内的容量是有限的，这是由其技术经济性能所决定的。当容量超过了这个限度后，就只能靠电压等级的升高来扩大容量。目前，常用的电压等级为6kV，3kV已基本不用了，而在研制28000t起重船（半潜式）时，已升级到11kV了。本文所要讨论的是，在面临大功率电力系统时，船舶设计应具有的原则。这些，可能在低压电力系统中是没有的，或者无论在质和量的方面有较大的不同。虽然，船级社的规范中都有一节“高压电力系统”的要求，但它主要局限于对设备本身的要求，而对船舶设计中的各种具体问题较少涉及，这就是本文研究的初衷。2. 大功率电力系统负荷分析及计算2.1.负荷类型2.1.1.工作机械负荷在各种海洋工程船上有着各种不同的工作机械，表1列出了大型起重船的相关参数。表1大型起重船工作机械负荷参数船 型工作机械主要参数驱动形式同时使用总功率4000t起重/打捞船（华天龙）起重机主钩4850kW，副钩4850kW，变幅2850kW，回转8400kW等交流变频调速4900kW 28000t起重/铺管船起重机铺管系统主钩41600kW，副钩21600kW，变幅22100kW，回转12550kW等/每台张紧器31500kW，收/放绞车14500kW等交流变频调速交流变频调速17800kW 7000kW27500t起重/铺管船（HMC）起重机铺管系统不详不详交流变频调速交流变频调速17200kW11800kW1200t起重/铺管船（海洋石油“202”）起重机铺管系统主钩2600kW，副钩2600kW，变幅2500kW，回转6165kW小钩2400kW等张紧器2640kW，收/放绞车2630kW等交流变频调速交流变频调速2200kW 2034kW4400t起重/铺管船（伊朗）起重机铺管系统主钩4850kW，副钩2850kW，变幅2850kW，回转8280kW等张紧器6320kW，收/放绞车3445kW，托管架1400kW，理管系统2600kW+380kW等交流变频调速交流变频调速3900kW 2500kW每种船型都有其特有的机械，可根据具体船型分析，例如，钻井船的钻机、泥桨泵等，铺管船的张紧器、收/放绞车、电焊机、理管机等，打捞船的高压水泵、空压机等，物探船的空压机、电缆绞车等，布缆船的履带机、埋设犁等，挖泥船的泥泵等。对于某些非自航船舶（上述1200t起重/铺管船）和航速较低电推自航船（上述4000t起重/打捞船）而言，其工作机械负荷是船舶电站的主要负荷。2.1.2.船舶运动负荷为了配合工作机械的作业，船舶需进行定位、移位、升沉等运动。包括各种推进器（主推进器、可伸缩全回转舵桨及隧道式侧向推进器），定位锚绞车、压载泵、升降机械等。表2列出了大型起重船的相关参数。表2大型起重船船舶运动负荷参数船 型设备主要参数驱动形式同时使用总功率4000t起重/打捞船（华天龙）推进器压载泵定位锚绞车主推21500kW，侧推12000kW均为调距桨4220kW 12400kW电动软起动电动软起动交流变频调速3000kW880kW3000kW28000t起重/铺管船推进器压载泵定位锚绞车主推45500kW，可伸缩83200kW，侧推22500kW41300kW 121000kW交流变频调速电动软起动交流变频调速35000kW5200kW7800kW27500t起重/铺管船（HMC）推进器压载泵定位锚绞车可伸缩105500kW总功率7000kW交流变频调速不详46200kW5600kW1200t起重/铺管船（海洋石油“202”）压载泵定位锚绞车490kW 121000kW电动软起动交流变频调速360kW7800kW4400t起重/铺管船（伊朗）推进器压载泵定位锚绞车主推25500kW，可伸缩42200kW，侧推21935kW4320kW 10450kW交流变频调速电动软起动交流变频调速16300kW1280kW3200kW大型船舶运动阻力很大，尤其在有动力定位要求时，其推进器功率有质的飞跃。如上述4000t起重/打捞船与4400t起重/铺管船尺度很近似，前者仅要求低速移位航行要求，后者为DP2动力定位要求，其推进器用电功率则差别有5倍多，具有非常重要的特征意义。而定位锚绞车的电功率则基本相似，从受力负荷分析能很容易理解。2.2.负荷工作状况大型海洋工程船有着多功能化的趋势。如2.1.节所列船型，起重船不是兼作打捞船就是兼作铺管船，而不论其是否自航或动力定位的运动功能。因此，在进行船舶负荷计算前，首先要确定电站具有几种工作状况。然后才能对每一种工作状态进行负荷计算。在低压电力系统中，通常具有标准的相同的电站工况，如航行、机动（进出港）、装卸货、停泊及应急。首先，大功率电力系统船舶应按船舶不同的功能类型分别进行负荷工作状态的分析，确定在某种工作状态中哪几种工作机械需同时工作，依次列出完整的工作状况数量。例如：起重工况、打捞工况、铺管工况等。其次，每种工况中可能有多种船舶运动方式的配合。因此，还要在这工况中细分几种不同的船舶运动条件。例如：DP起重工况、锚定位起重工况、DP铺管工况、锚定位铺管工况等。再次，对于DP-2/DP-3的船舶，应保证在各种单故障情况下，能使用独立的汇流排分段进行工作，因此，应对每个独立汇流排的负荷分析做好预案，以防止由于推进器过大负荷造成发电机过载而使汇流排断电。其应对措施就是合理调整转换其他用电负荷，使功率管理系统能按此预案进行控制。2.3.负荷计算大功率电力系统的总负荷是相当大的，电力负荷计算应按2.2.节的原则列出各种工况分别计算。对于DP-2/DP-3的船舶，应将最大单故障工况列入计算表内。在做方案设计或基本设计时，工作机械及船舶运动负荷基本已经决定，但船舶日用负荷此时一般还不能确定，但因其绝对值通常也不小，所以应估算列入。一种是参考同类船的资料；另一种可将日用负荷粗分成几类，按类型估算后累加得出，准确性更高。粗分类有：机舱辅机、推进器辅机、起重机辅机、空调、舱室风机、厨房设备、共用设备、照明等。负荷计算及发电机组功率和数量选择的原则基本同低压电力系统一样。既要保证在各种工况下的负荷率合理，也要使备用发电机组的功率和数量合理。原则上发电机组单机功率尽可能大些，负荷率也可比低压电力系统有所提高，一般95%也可接受。当初定发电机组功率和数量后，应估算电网的短路容量，使配电板的电压和断路器分断能力的选型能符合该短路容量的限额要求。目前，中压配电板主要常用两个电压等级系列，即7.2kV和12kV。前者用于6.6kV电网，后者可用于11kV电网。两个系列区别不大，都可采用。但若采用11kV时短路容量已接近限额，就应分析比较是提高电压到15kV而采用17.5kV配电板系列，还是将统一电网分成两个11kV电网以降低短路容量而能宽松地采用12kV系列。后一种方式已在不少工程实际中被采用。因为提高电压等级会带来电机、变压器、电缆也相应提高电压等级的选用，对经济性影响较大，应慎重考虑。如已确定了采用两个独立电网分区供电后，则应对每个独立电网进行负荷计算。在电网分区或配电板分段较多的情况中，如2.2.节所述应对单故障的每个独立汇流排作负荷分析，这时可能是相当繁琐的计算工作，可以采用独立形式的计算表格进行，最后将其中最大单故障工况的结果列入总的电力负荷计算书中即可。电力负荷计算书中最后应将由日用变压器供电的负荷和铺管变压器供电的负荷也各有一个独立的总负荷，并分别计算其各自的平均负荷率和平均功率因数。按上述负荷计算原则，2.1.节的5种船型配置的电站参数见表3所列。表3大型起重船电站参数船 型电站参数DP总功率/kW负荷率/%正常DP最大故障起重铺管起重铺管4000t起重/打捞船（华天龙）42850kW 6.3kV50Hz 0.85p.f.无114008228000t起重/铺管船126769kW 6.6kV60Hz 0.8 p.f.DP38122886.38096.982.527500t起重/铺管船（HMC）127275kWDP38730087841041011200t起重/铺管船（海洋石油“202”）42865kW 6.3kV50Hz 0.8 p.f.无1146089924400t起重/铺管船（伊朗）74345kW 6. 6kV60Hz 0.9 p.f.DP25124091.874.691.883.83. 大功率电力系统性能分析及对策3.1. 参数大功率电力系统的参数主要指容量和电压，在2.3.节中已提到了两者之间的关系。表4为具有不同电压等级和不同分断能力时的短路容量。表4中压电网短路容量/MVA断路器分断能力Icu/ kA3kV6.6kV11kV13.8kV15kV2513028647659865031.51643606007538194020845776295610395026057295311951299表4中的电网短路容量是指电网中该电压等级的断路器能分断该处的短路电流的能力。而短路电流的大小除了与电网容量（额定值）有关外，还与发电机的参数（如Xd等），电缆长度以及电网中负载的控制方式都有关。按照短路电流的计算方法，电网负载向短路点馈送的短路电流一般以电网发电机总容量的0.6倍计入，也是一个不小的数值。但由于控制方式不同，如以当前已较普遍使用的交流变频控制而言，对于具有不可控整流器的变频装置就不会馈送出短路电流，与不使用变频控制的有较大的差别。表5列出了一些船舶的电站组成及短路电流值，可见即使电站容量相差不多，短路电流值也可能有较大的差别。综合来看，大致可得出电站额定容量与电压等级的极限范围可见表6所列。表5某些大功率电力系统船舶的电站参数及短路电流船 型电站/ kW电压/ kVXdIac/ kAIan/kAIac/IanSsc/MVA4000t起重/打捞船（华天龙）428506.30.1612.41.2310.1135.34400t起重/铺管船（伊朗）743456.60.16218.82.986.3214.93000m半潜式钻井船85530110.14319.52.916.7371.522000t半潜多功能海工船96769110.13923.353.995.9444.91200t起重/铺管船（海洋石油“202”）428656.30.15210.61.318.1115.73000t起重打捞船44320+221956.60.1295(0.145)16.52.396.9188.6单体钻井船（ULSTEIN）6553011不详19.32.188.9367.7表6电站额定容量与电压等级的极限范围电站额定容量/ kW电压等级/ kV8000100000.6960000800006.62)8.661+2U(2)8.662533.52.5U3.71188.918/258.9/12.371.6(2.5U0+2)3.2266.92.5U3.76256.323/30*15.77/7.534.2U02.421011.52U+33.4630/354.51/5.330/42*24.51/6.34.2U02.421517.52U+33.2640/453.95/4.440/55*33.95/5.440/453.95/4.44.2U02.42注：1.表中斜线下的数据一般指该类设备的内绝缘和外绝缘干状态之耐受电压。 2. 过压倍数=标准试验电压/最高工作电压（相电压）。 3.*1：IEC为20，*2：IEC为28，*3：IEC为35。3.3. 冗余大功率电力系统的冗余很重要，与常规船舶低压电力系统不可同比。从发电机方面而言，由于功率巨大，数量不少，除了具有备用的观念之外，根据供电工况较复杂的特点，在供电灵活性方面应有更多的研究。其中，除了包括可转换供电的措施外，不同功率的大小机组合理配置或与停泊发电机的组合供电配置也是不少大功率电力系统船舶的合理的设计思想。停泊发电机采用中压还是低压也可因船而异，而有不同的选型。这些都具有冗余的概念。对中压配电板而言，除了规范规定的至少分成2个独立的分段之外，多个分段也是常见的，特别在具有动力定位要求时更是如此。由于中压配电板尺寸较大，即使只有2个分段，也可拆成2个独立安装的配电板，既有利于布置，也含有冗余的意义。对于动力定位DP3等级要求，也不能局限于有两处A-60分割的配电板布置，三处、四处乃至更多处所的配电板布置也是常见的。对馈电而言，无论是工作机械还是船舶运动设备，一般均需考虑冗余，即有2路供电。由于中压断路器馈电能力最小为630A，即其馈电功率可达7200kVA（6.6kV时），实际上用电设备的功率大多数远小于此值，而用电设备的数量相对较多，均需冗余馈电则使馈电单元数量剧增，配电板尺寸庞大到无法接受的地步。因此，一个馈电单元供2个用电设备应是一种合理经济的方案，而2个馈电单元互相构成转换馈电的冗余，可节省2个馈电单元。但这需要得到配电板制造商的支持才能实现（目前已有此种需要）。3.4. 电能质量指标3.4.1. 谐波电压从表1及表2可知，目前大功率电力系统的用电负荷中，无论是工作机械还是船舶运动设备绝大多数采用了交流变频调速驱动系统。众所周知，交流变频调速驱动系统是目前交流调速系统中技术经济性能最好的系统。该系统具有调速范围广阔，经济节能的优点，采用简单可靠便宜的交流鼠笼电动机，系统无触点免维护运行可靠性高，广泛适用于各种负载特性的大中小型功率等级的和各种运行性能要求的电动机械。由于它采用了电力电子器件，其非线性特性势必会产生各种谐波电流，对电源电压造成谐波干扰，使正弦性电源电压产生失真，恶化电网电能质量指标。目前，普遍采用电网总谐波电压THD这个指标来评价电网的电能质量指标。过去，无论IEC标准或是船级社入级规范都以THD5%作为检验要求，这也是标准电气设备无论是电机或电器都能普遍承受的要求。谐波电压对电气设备的影响主要是附加发热及振动或工作不正常。大功率电力系统船舶很大部分（约60%70%）是采用电力推进，电力推进绝大多数采用交流变频调速系统，而且电力推进功率约占电力系统容量的80%左右。在这种高功率比值用电负荷是能恶化电网电能质量指标的情况下，可想而知其电网的THD值可能达到非常高的程度。基于实际情况，许多船级社都允许在电力推进汇流排上的THD5%，甚至达到10%，我国CCS规范2009年修改通报中也规定了8%的要求。同时，规范都附带以下要求，即在此THD值下，各种电气设备都应能正常运行。而低压日用电网汇流排上的THD仍为5%。THD值的大小与很多因素有关，主要有：变频器整流环节的脉动数的大小。脉动数6是三相整流的基值，会产生较大幅值的5次、7次谐波电流；通过移相变压器输入两组矢量组不同的三相电压可得到脉动数12的三相整流，通过并联或串联连接，其各自的5次、7次谐波电流能大部分互相抵消，移相变压器的输入电路中5次、7次谐波电流幅值被降低到很小程度；更高的24、36、48脉动设计的变频器由于谐波电流小而被称为“完美无谐波” 变频器。另外，电源内阻抗Xd的大小也影响较大，它是在谐波电流作用下形成谐波电压的基础，越小越好。据此理论，实用上可转换成这样一个概念，即变频器功率与电源功率的比值，该比值越小，谐波电压也越低。当然，不同的变频器脉动数对同一电源比值也会有不同的结果。目前，对于常规的Xd在0.140.16之间的电源而言，6脉动变频器的功率比值约在2030%，可满足THD5%。再有，采用无源滤波器也是一种能降低THD的有效手段。在早期应用年代，某些船舶为了能彻底隔离谐波的干扰，曾采用过用电动发电机组的方式构建日用负荷电网的技术措施，现在似乎已较少看到这种方式。3.4.2. 电压跌落中压电力系统有一个很注目的特征，即中压配电板馈电开关的出口往往是一台变压器，无论是向船舶工作机械也好，或是船舶推进器、压载泵等设备，乃至向日用负荷馈电，都需通过变压器。这些变压器有的功率相当大，超过单台发电机容量的也司空见惯。当馈电开关合闸时，变压器空载合闸冲击电流要比电动机起动电流大得多，其第一周波冲击电流不亚于一个短路电流或大于15倍额定电流。这个电流将会引起较大的电压瞬时跌落或者导致过电流保护动作而跳闸，这种后果显然是不应该发生而需要防止。低压电力系统的经验是直接起动电动机功率应小于电网功率的40%左右。中压电力系统似乎应更小一些为宜，除了上述变压器冲击电流比电动机启动电流更大的原因外，中压电网与低压电网的较大差别还在于起动时电网静态负荷可能很小，甚至为零，这会是最坏的起动条件。因此，这个在低压电力系统中已基本不成为问题的问题，在中压电力系统中反而比较突出，必须对大变压器的合闸起动做电压跌落计算。为了防止产生较大的电压跌落，有必要对大变压器作合闸前的预充磁运行。预充磁的方式是先通以一个较小的电流，使变压器产生一个磁场，经几秒钟延时后再合闸主电路，此时在磁场的作用下可大大降低冲击电流，合闸后再将预充磁电路断电后完成变压器起动。预充磁有两种方式，中压供电经电阻降压预充磁和低压供电经变压器预充磁。前者是从变压器高压侧进行，从同一电源供电，所以相位相序绝对相同，预充磁电路与主电路短时并联无任何问题。后者是从变压器低压侧进行，非同一电源供电，所以除必须保证相序一致外，在变压器高压侧开关合闸时可能相位不一致仍会有冲击，必要时需加同步装置。3.5. 功率管理大功率电力系统必需具有功率管理的功能。对于复杂和冗余的发电以及大功率的工作机械负荷和船舶运动负荷及其复杂变化的工况转换，为了防止过载和失电这种严重危及船舶安全的控制是至关重要的。除了常规功率管理所具有的发电机组的起动、同步、卸载、负荷平衡、停车等功能外，还要对大功率电力系统特有的多段汇流排的联络开关进行有效控制，对电力推进系统要有计算在线储备功率的功能还要有限制功率的控制。因此，功率管理涉及两大块领域，一是配电板控制，二是负荷控制。包括频率控制，发电机负荷分配，随负荷变动而起动和停止，重载起动闭锁，失电重新起动，用电负荷的控制及限制，DP失电防止，反馈功率保护及各个断路器的控制及保护等。此外，功率管理也对柴油机进行控制，包括自动起动和停车，柴油机的预润滑，柴油机（冷却水）的预热，柴油机的报警和检测。4. 大功率电力系统设备分析与布置4.1. 发电机发电机目前基本全为交流无刷励磁恒压同步发电机，由柴油机驱动。其容量按电力负荷计算书结果靠挡选型；电压按短路容量的合适的分断能力所对应的电压决定；转速按柴油机合理选型所对应的转速决定；频率则按船东要求而定，大型海洋工程船随着业务市场的国际化，即使是国内船东也有采用60Hz的趋向。发电机主要参数中唯一未定的就是功率因数。由于大功率电力系统的主要用电设备绝大多数均为交流变频驱动，且全为交直交电压源型变频器，其特征之一就是输入电源的功率因数极高，一般在0.950.97之间。因此，电网的总功率因数必然很高，发电机的功率因数选择不必拘泥于常规的0.8 ,如表3中有0.85 、0.9均可，则发电机的容量KVA可小一些，国外也有不少这种情况。关于发电机的Xd的大小在3.1.节和3.4.1.节中已有分析，在这两个问题中Xd起着相反的作用，所以应权衡综合影响而定。由于中压的分断能力较大，所以短路电流大易满足，看来以谐波影响为主考虑是可行的。大功率发电机均应设有差动保护电路以及AVR的自动灭磁电路。发电机的冷却形式一般均为空气淡水冷却，自带热交换器，由船上提供中央冷却系统的淡水。发电机自身带风扇进行内部封闭空气循环，热空气通过淡水盘管变冷空气再冷却发电机的定子和转子绕组。因此，发电机的防护等级至少是IP54或IP55。大型发电机如采用滑动轴承时，滑油压力循环一般可由柴油机的滑油系统供应，不需另设油泵。发电机的定子绕组应设2套埋入式温度传感器，一般为Pt100热元件进行测温，一用一备。另外，冷、热空间及两个轴承也都需设Pt100热元件。热交换器还应设漏水检测传感器。发电机的选型有两种途径，一种由电力系统集成供应（包括发电机、配电板、变压器、变频器、电动机等），另一种由柴油机集成供应。前者对发电机性能参数应已考虑在内，但提供的发电机外形及安装尺寸可能不符合柴油机公共底座的要求而被要求修改。后者应对发电机性能参数提出最低限度要求，并对柴油机集成供应的发电机参数进行认可，一般其外形及安装尺寸已被柴油机公共底座认可。4.2. 中压配电板中压配电板是户内型可抽出金属全封闭式结构开关设备，由被分割成独立的真空断路器小室、母线小室、电缆小室和低压室组成，一般均为空气绝缘。中压配电板不像低压配电板，它一屏只能装一台断路器，馈电给一个用户，所以比较好计数。也可采用熔断器接触器馈电，该屏尺寸一般为断路器屏的一半。断路器通常采用真空型，也可采用SF6型。接触器全为真空型，适用于频繁操作场合，采用熔断器作为短路保护。断路器不带保护装置，另配多功能保护装置进行保护。断路器和接触器均为电动合闸和分闸操作，断路器还有手动储能装置。中压配电板对安全性要求特别高，绝对不能让人轻易接触到高电压部件，这是靠部件的结构本身及相互的联锁来保证的，行业中习惯称为“五防”功能，主要指：防止带负荷分（合）隔离开关；防止操作人员误入带电间隔；防止带电挂接地线；防止带地线合隔离开关；防止误分（合）断路器。中压配电板采用分舱隔离结构形式。断路器或接触器均安装在一个手车上，手车为可抽出式实现隔离/试验/运行位置的选择，另配有搬运车可将手车搬离配电板，配电板母线室顶部装有泄压板，当内部故障电弧发生时，所产生的气压打开泄压板，使高温热气或金属粒子排入泄压通道内，以确保附近运行人员的安全。电缆小室通常装有接地开关，用于电缆接地并与门的开启联锁。中压配电板与低压配电板一样，应至少分成2个独立分段，通过1个断路器分隔开，每1分段至少有1台发电机供电。如果2个分段组成1组配电板，分段断路器的下端不能在同一屏内引上到另一分段的母排上，需在这个断路器旁设置一个提升屏完成连接，该提升屏内只有一条铜排。如果2个分段组成2组独立的配电板，则连接需用电缆完成，提升屏中也需设置断路器，即电缆两端都有断路器。当2段甚至多段配电板即使仍为1组配电板，在构成环形电网结构时，需要采用横向保护，包括横向单相接地保护，所以两边均需采用电缆连接并通过各自分段的零序电流互感器，这是一种比较特殊的连接方式。中压断路器的额定电流最小为630A（ABB）或1250A（SIMENES），所以馈电能力极大，相应为7200KVA（6.6 kV）或14289KVA (6.6 kV)。实际上绝大多数负载的功率都没有这样大，显得利用率不足，而中压配电板宽度尺寸取决于馈电分路数就比较大。如果采用熔断器接触器馈电，其最大额定电流为400A，即馈电能力也有4572KVA（6.6 kV）足够大多数负载的功率需求，而其配电屏的宽度只有断路器屏的一半，所以中压配电板总宽度可减不少，值得在实践中推广。4000 t起重/打捞船就采用了8屏接触器屏，总尺寸宽比全用断路器屏减小2600mm，才正好符合了中压配电板室的尺寸要求。中压配电板内的多功能保护继电器以及断路器等元器件的控制电压绝大多数均采用直流，电压为24V和110V较多，必须采用UPS供电，并至少有2套。中压配电板的防护等级均为IP4X，其第2位数字应视为需符合规范要求的与其安装场所相适应的要求，对于干燥的控制室规定为0即为IP40。可是，规范中又另外规定至少为IP32，这对第2位数字是矛盾的，即可能需要IP42。目前中压配电板结构均不带板前照明灯（如低压配电板那样），为了达到IP42就加了一块凸出的顶板，伸出板前较多（为了达到15 防滴要求），这样会把控制室内的照明挡住，使配电板面板光线很暗，影响操作。有的用户对此很不满，把这块面板拆除了使用。所以，该防护问题还没得到合理的协调。4.3. 中性点接地方式及接地电阻箱这是中压电力系统中性点高电阻接地系统特有的设备。中压电力系统通常采用发电机中性点接地或配电板汇流排接地变压器接地两种方式。两种方式都需要接地电阻箱，前者是高压电阻箱，后者是低压电阻箱。发电机中性点接地方式是从发电机的接线端子箱中的中性点引出一根单芯电缆至一台独立的接地电阻箱，每台发电机都需配置。正常情况下，即使发电机电压为3 kV，其中性点对地电压亦为等于1.732 kV 1 kV，所以电阻箱属于高压设备。按规范要求，电阻箱内应配有隔离开关，以便于在切断中性点接地连接后进行维修和测量绝缘电阻。按保护要求，电阻箱内还应配有电流互感器以测量接地电流。目前，发电机中性点接地电阻箱都可由中压配电板供应商成套供应，可是在几年前4000t起重/打捞船设计时，中压配电板供应商都不能成套供应，所以我们参考了一些资料进行了计算，并且将计算结果的电阻值及电流要求以及电阻箱的结构、防护等要求委托上海电阻厂制造解决的，以后，又协助30万吨FPSO项目提供了计算并向国外某电气公司提供了制造厂信息。据了解4000t起重/打捞船的接地电阻参数和后来国外某电气公司提供的电阻箱参数完全一样，说明我们具有完全正确的自主知识技术。接地电阻的计算主要是计算所有中压电缆的对地电容电流，一种方法是按电缆的对地电容值所决定的容抗来计算，另一种方法是有关手册给出的不同电缆截面规格的电容电流值累加后得出。目前，普遍认为电容电流10A，可以采用不接地系统或高阻接地系统。采用接地系统时，应使接地故障电流达到10A，此值为电容电流与接地电阻电流之和，由此可以得出电阻电流值，按此值就可算出电阻值。电阻功率一般满足于短时10s发热需要选择。接地变压器是从配电板汇流排获得供电，其原边为星形接线，中性点引出一根单芯电缆直接接地，副边为开口三角形接线，连接接地电阻，每段汇流排均需配置。变压器原边电压与中压电力系统电压相同，副边电压一般为220V，三相串联后输出660V。变压器容量为接地电阻功率的倍。4.4. 中压电缆中压电缆与低压电缆在结构上差别不大，一般除了在导体层外多加一层屏蔽外，就是绝缘厚度加大了。导体结构在小截面（16mm2）时基本一样，大截面的为了加大机械强度，稍为有所放大，并且倾向于用根数较少直径较大的铜丝，因此相对来说较硬，最小弯曲半径也从6倍外径提高到9倍。而载流量标准与低压的一样，所以在截面选择上与低压电缆的一样。中压电缆额定电压等级的选择可按表9要求，根据GB156额定电压标准的定义，受电设备的额定电压也是系统的额定电压，尽管供电设备的额定电压要略高于受电设备的额定电压，仍属于系统的额定电压范畴，而不能认为应按高一级的系统额定电压来选择。表9交流系统电缆电压等级选择系统额定（相间）电压/ kV电缆额定电压U0/U/ kV0.250.15/0.251.00.6/1.03.03.6/6.06.06.0/10.010.08.7/15.0在4.3.节中已阐述了中性点接地电阻计算主要是计算中压电缆的对地电容电流，因此，需要中压电缆的每相电容参数。以前主要是根据有关手册给出参数计算的，现据电缆厂实际给出的参数要比手册上的小很多，因此，据此算出的电容电流也要小。表10中列出了常用规格的电缆电容值供参考。表10常用规格中压电缆每相电容值（U0/U为6/10 kV）芯线截面规格/ mm2电缆厂提供电容值/f/Km手册提供电容值/f/Km31200.373950.33100.353700.10850.313500.11760.293350.12570.27中压电缆敷设应于低压电缆分隔开，不在同一电缆托架上，并在敷设后进行耐压试验。5. 大功率电力系统中的低压电力系统5.1. 低压电力系统电源几乎所有的大功率电力系统都采用降压变压器作为低压电力系统的电源。大多数采用一级降压，直接从中压降到低压负荷的电压。可能采用两类降压电压，一类从高中压降到低中压，如11 kV/6.6kV或从中压降到690V的低压；另一类从中压降到日用负荷的低压。这主要取决于负荷类型的复杂性及功率的差异过大这两个原因。实际上还有这样一种情况，即船上存在两种互不影响干扰的两种独立的电压等级的电力系统。一个是中压或低压690V的电力系统，另一个纯粹是低压400V或440V的日用负荷电力系统，每个系统有自己的发电机。采用降压变压器的日用负荷低压电力系统，往往还设有低压停泊用发电机，在较长时期的停工时，大功率中压发电机停机，就用较小功率的低压发电机来供日用负荷。在这种情况，为了不停电转移负荷，需要考虑降压变压器和低压停泊发电机的同步。降压变压器的接通要考虑合闸冲击电流引起的电压跌落，详见3.4.2.所述。降压变压器低压侧的接通应在高压侧接通后方可进行，一般应手动控制。当高压侧断开后必须自动断开其低压侧。专用于工作机械的低压侧可能没有开关。降压变压器至少有两台，一用一备。当两台降压变压器的中压电源不是从同一根汇流排上供电时，若两根汇流排之间的联络开关打开时，不允许这两台变压器并联运行。变压器作日用负荷的电源，一般不用有载调压形式，所以电压变化较大。另外，当中压电力系统中谐波电压较大时，低压系统通过变压器降压起到减小谐波电压的作用也有限，低压电网要维持5%的THD也要额外采取措施。总的说来，电能质量指标不高。5.2. 低压电力系统负荷像中压电力系统一样，低压电力系统负荷中也包含工作机械负荷和船舶运动负荷。当然，船舶日用负荷也是其中重要的组成部分，虽然其容量视船舶类型而异与工作机械和船舶运动相比互有高低，起重/铺管船可能不相上下，而钻井船就可能高于日用负荷。表11列出了一些大型船舶的低压负荷参数。表11某些大功率电力系统船舶的低压电力系统负荷船型降压变压器参数用电负荷名称4000t起重/打捞船（华天龙）23150kVA 6.3kV/400V22000kVA 6.3kV/2400V日用负荷、压载泵定位锚绞车4400t起重/铺管船（伊朗）23150kVA 6.6kV/440V23150kVA 6.6kV/440V22000kVA 6.6kV/2690V日用负荷铺管机械、压载泵定位锚