船舶高压电力系统.ppt

第七章船舶高压电力系统随着船舶电气设备自动化程度的不断提高以及船员生活 工作条件的逐步改善 船舶电气负荷急速增加 相应的船舶发电机的功率也随之大幅度增加 目前大型船舶电力系统容量设计值已高达15MVA 20MVA 大型豪华游轮更高达 0MVA 已经被广泛采用近半个多世纪的船舶低压电力系统已无法满足现代化大型船舶电力系统容量的要求 船舶高压电力系统有不断增加的趋势 这将给船舶电力系统带来一系列新的变化 促使船舶采用高压电力系统的主要原因1 目前 船舶低压工频发电机的设计容量上限为2 5MW 超过这个极限的发电机在设计技术上是困难的 在经济上也不合算 如今很多大型船舶的电站容量已达到十几MW甚至几十MW 按此条件采用常规船用低压发电机 一艘船上将安装十几台甚至更多的发电机组 这显然是不合理的 实船上也无法实现 2 随着船舶电站容量的增大 当船舶电力系统发生短路故障时 短路电流也大幅度增加 如果采用低电压等级的船舶电力系统 大幅度增加的短路电流已使目前所能生产出的开关电器与保护装置的断流容量无法满足要求 3 如果输送大功率电能仍采用低电压等级 船舶电缆的截面会很粗 并需多股并联 造成电缆的发热量增大 线路传输损耗严重 布线与安装上更加困难 随着电压等级的提高 输送同一功率采用的电缆规格与数量都可大幅下降 在船舶电缆的选择上 采用高电压等级的优越性最为显著 采用船舶高压电力系统后 保护装置 接地 高压变压器 变配电方式 主开关型式 电缆端头的构造及处理方法都与低压船舶电力系统有很大差别 特别是船舶高压电力系统往往采用中性点接地方式 与低压电力系统普遍采用中性点绝缘方式有着明显的区别 中性点采用何种接地方式也是船舶高压电力系统需要解决的关键技术 目前 从国内外应用来看 船舶高压电力系统普遍采用高电阻接地方式 船舶高压电力系统给船舶电气系统带来一系列新的变化 船舶设计 使用 管理者必须特别注意 1船舶高压电力系统电压等级世界各国以及在不同应用领域关于电力系统电压等级的标准并不完全一致 美国电气和电子工程师协会IEEE标准规定 额定电压大于1KV 小于10KV的电力系统为中压交流电力系统 其中常用的有3 3KV 3 0KV 6 6KV 6 0KV 11KV 10 0KV三个等级 上述等级中分子 分母分别表示额定频率为60HZ 50Hz的电力系统所对应的额定电压 在中压电压等级之上 IEEE标准还有高压和超高压电压等级 中国船级社CCS 钢质海船入级规范2009 第四分册 对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 相间电压 超过1kV的交流三相电气装置 除另有明文规定外 低压电气设备的构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15kV 但如有特殊需要 经CCS同意可以采用更高的电压等级 可见 中国船级社规定 超过低压电压等级的船舶电力系统就称为船舶高压电力系统 这样 船舶高压电力系统的电压等级在1KV至15KV之间 2船舶高压电力系统防护要求船舶高压电气设备的外壳防护等级均应与其安装场所相适应 除至少应符合外壳防护等级的最低要求外 还应满足下列要求 1 旋转电机的外壳防护等级至少应为IP23 其接线盒的防护等级至少应为IP44 安装在非专职人员可以到达处所的电动机 其外壳防护等级至少为IP4X 以防止人员接近或触及电机的带电或转动部分 2 变压器的外壳防护等级至少应为IP23 如安装在非专职人员可以到达的处所时 则其外壳防护等级至少为IP4X 3 具有金属外壳的控制设备 配电设备组件和静止变换器的外壳防护等级至少应为IP32 如安装在非专职人员可以到达的处所时 则其外壳防护等级至少为IP4X 4 由于功率大 损耗的绝对值也大 加上机舱压力水雾灭火系统对船舶发电机防护性能的要求 所以船舶高压发电机绝大多数采用空气一水冷却方式 其防护等级一般为IP54以上 可满足IP44的最低要求 至于冷却水用淡水还是海水视具体船舶设计而定 但不论何种水质 空气一水冷却器均应做成双管式 具有泄漏传感器报警装置 3船舶高压电力系统中性点接地方式目前 船舶高压电力系统在国内尚处于起步阶段 特别是随着船舶高压电力系统的推广使用 中性点接地技术越来越引起船舶设计者的广泛重视 中性点采用何种接地方式是船舶高压电力系统需要解决的关键技术 热点问题 3 1电力系统中性点运行方式电力系统的中性点 neutralpoint 运行方式是指电源或变压器中性点采用什么方式接地 3 2中性点运行方式分类通常中性点运行方式分为以下几种 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 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 4 电阻接地方式 中性点经过电阻与接地装置连接 3 3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 配电网和线路的结构 人身和设备的安全等 1 中性点不接地方式由于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 中性点不接地电力系统 单相接地电流由电力系统对地分布电容电流决定 对于输电线路距离较近的低压电力系统 输电线路各相对地的电容较小 因此接地故障电流也很小 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 中性点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 最大至相电压的倍 易使绝缘薄弱处击穿 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 该电容电流超前电压 当故障点的电容电流在第一个半波过零熄弧时 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 极易将故障点重新击穿 这种重燃有时难以避免 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 形成间歇性弧光过电压 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 10kV电网单相接地电流小于30A 35kV以上电网单相接地电流小于10A 因此 中性点不接地方式对高电压 长距离输电线路不适宜 船舶低压电力系统一般采用中性点不接地方式 2 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 可降低整个电力系统的绝缘水平 这对于110kV及以上的超高压电网降低造价尤为重要 因此110kV及以上电网普遍采用直接接地方式 另外 中性点直接接地系统单相接地时 短路电流很大 可使保护继电器迅速 准确地动作 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造成强烈干扰等的缺点 3 消弧线圈接地方式消弧线圈接地方式是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 若感性电流等于容性电流 则可达到完全补偿 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 接地点电阻 漏电阻 变压器和消弧线圈的有功损耗等 使故障点流过一个不大的剩余电流 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 这时电力系统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 4 高电阻接地方式高电阻接地方式的最大特点是当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 但也可以选择定时或快速跳闸 高电阻接地系统的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RN Xco的准则 以限制由于电弧接地故障产生的瞬态过电压 电力系统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熄弧后的重燃率 当阻性电流足够大时 重燃将不再发生 这样可以防止间歇性弧光接地过电压和谐振过电压 电力系统中性点采用高电阻接地还可以限制单相接地故障电流 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 满足继电保护的要求 4船舶高压配电盘高压配电盘与低压配电盘有很大的不同 每一屏只有一条电路 每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 每屏内部具有联锁保护的操作要求 俗称 五防措施 所谓 五防 即防止误跳 合断路器 防止带负荷拉 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 高压配电盘每屏顶部具有泄弧通道 以泄放掉故障电弧产生的有害气体和金属离子 高压配电盘绝大多数采用抽出式真空断路器 SF6断路器等 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UPS供电 可以是直流 也可以是交流 高压配电盘母线按ccs规范要求 应将主配电板至少分成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开 每1分段至少由1台发电机供电 如2个独立配电板由电缆进行连接 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 高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 具有强大的测量 显示 控制功能 中压配电盘的保护除了短路 过载 低压过压 逆功率等是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 高压配电板的控制与低压配电板类似 对于高压发电机而言 具有与低压发电机完全相同的同步控制要求 包括调压 调速 同步检测以及自动准同步或手动准问步控制 除了在高压配电盘上进行控制外 还可在机舱操控台上进行控制 5船舶高压电力系统主接线船舶电站的主接线是指发电机通过开关设备和连接导线所组成的供配电的电路 把发电机和变配电设备等用单线连接成的电路图称为船舶高压电力系统主接线图 下图是某电力推进船舶高压电力系统主接线图 下面对其做简单介绍 该船舶高压电力系统采用4台3390KVA 6 6KV 50Hz 296A的高压主发电机DG1 DG2 DG3 DG4 各台高压主发电机可以单独也可以并联向高压电网供电 高压汇流排由两台高压母联断路器HBUSTIE1和HBUSTIE2分为左 右舷两段 2台主发电机与左舷高压汇流排HBBA直接相连 另2台主发电机与右舷高压汇流排HBBB直接相连 船舶高压电站主接线形式是单母线分段式 左舷高压汇流排HBBA与右舷高压汇流排HBBB分别通过高压变压器TR1 TR2将6 6KV高电压转变为400V的低电压 向400V的低压汇流排MBB供电 左舷高压汇流排HBBA与右舷高压汇流排HBBB分别向左右舷各一台推进高压变压器PTR1 PTR2供电 再由PTR1 PTR2向船舶主推进电机供电 01 04为高压隔离开关 是具有可见断开点的开关 可将对应的高压主开关与高压汇流排断开 有利于检修对应的高压主开关及高压发电机 05 06为高压接地开关 在停电维修对应的高压汇流排时 应合上相应的接地开关 以保证被维修高压汇流排可靠接地 防止高压汇流排上积累的电荷对维修操作人员的影响 低压汇流排由低压母联断路器MBUSTIE1分为两段 低压汇流排也是单母线分段式 低压汇流排除由高压汇流排供电外 还可由1台低压辅助发电机DG5供电 6高压变压器预充磁从电机学原理来看 变压器合闸时类同于电动机起动 都有大电流冲击 其非周期分量可达十几倍额定电流 在高压电力系统中的高压降压日用变压器容量一般也相当大 可能与高压发电机容量相当 所以其合闸冲击电流可能会引起发电机跳闸 为了防止这种现象发生 高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高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 预充磁通常有两种方式 1 采用降压限流电阻的方式 高压主变压器初级绕组先通过电阻接至高压配电盘母线 经延时后高压主变压器主开关接通 电阻被旁路切换 然后再断开电阻电路 这类似于电动机降压起动装置被旁路切换 2 采用预充磁小型变压器的方式 预充磁小型变压器可以由高压汇流排供电 采用K1 K2 T1支路 也可由低压汇流排供电 采用K3 K4 T2支路 因此 采用预充磁小型变压器的方式实现电路又可分成两种形式 预充磁小型变压器T1的容量仅为主变压器T的1 其变比与高压主变压器T一致 高压主变压器T投入运行前 逻辑控制系统先接通K1 由于T1容量很小 所以虽然有一定的励磁涌流 但此励磁电流值很小 对电网影响很小 经一定的延时后 预充磁小型变压器T1充磁结束 再接通K2 T1由高压汇流排供电 给T的次级绕组提供低电压 这样 T的初级绕组会感应一个高电压 经延时后 完成T的预充磁过程 高压主变压器主开关ACB3合闸 然后K1 K2断开 如果船舶低压汇流排MBB无电 ACB4可直接合闸 高压变压器T投入运行 如果此时船舶低压汇流排MBB由低压发电机G3供电 则ACB4应按与低压发电机准同步并车的条件合闸 高压变压器T投入运行之后 可停掉船舶低压发电机G3 船舶低压汇流排完全由T提供电能 从低压电网接通一台等压变比为1的小型变压器与高压变压器的次级绕组相联 高压变压器的初级绕组同样会感应出一个相应的高电压 经延时后 高压主变压器主开关合闸 然后再断开小型变压器 高压主变压器T投入运行前 HBB船舶高压汇流排和MBB船舶低压汇流排均应有电 分别由船舶高压发电机和船舶低压发电机提供 逻辑控制系统接通K3 经一定的延时后再接通K4 通过等压变比的小型变压器T2给高压主变压器T的次级绕组提供低电压 这样 T的初级绕组会感应一个高电压 经延时后 完成T的预充磁过程 按与低压发电机准同步并车的条件 高压变压器主开关ACB3合闸 之后 断开K3 K4 按与低压发电机准同步并车的条件 高压主变压器主开关ACB4合闸 这样 可以断开ACB5 停掉船舶低压发电机G3 船舶低压汇流排完全由高压主变压器T提供电能 7船舶高压电力系统的隔离开关与接地开关船舶高压电力系统 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 船舶高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 船舶高压电力系统设计中安装了必要的隔离开关与接地开关 以保证操作人员的安全 由于断路器的断开点在外部是看不见的 不同于传统的船舶低压电力系统 船舶高压电力系统为了保证在维修时操作人员的人身安全 在船舶高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 都串联了隔离开关 隔离开关是具有可见断开点的开关 但无灭弧装置 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路上还安装了多处接地开关 接地开关的一端与母线 线路 相连 另一端与接地点可靠相连 与隔离开关相同 接地开关也没有灭弧装置 也不能带负荷分 合闸 在停电维修某段线路和设备时 应合上相应的接地开关 已保证被维修线路和设备可靠的接地 防止线路上电荷积累 或者在断路器意外合闸时 由于线路三相接地 短路电流会使断路器立即跳闸 8船舶高压电力系统继电保护高压配电盘的保护除了短路 过载 低压过压 逆功率等是与低压配电板相同外还有高压电力系统需要特殊保护 发电机定子内部纵差动保护同步发电机的转子接地保护同步发电机的定子接地保护 发电机外部短路纵联差动保护原理接线图 发电机内部短路纵联差动保护原理接线图 发电机定子接地保护原理接线图 高压发电机转子接地保护叠加直流电压式一点接地保护原理接线图 9船舶高压电力系统的安全操作和管理船舶高压电力系统 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 船舶高压电力系统的变压器 电流互感器 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 佩带绝缘手套 穿绝缘鞋 使用专用的绝缘工具进行 1 船舶高压发电机检修操作规程船舶高压发电机只在做备用机时进行检修 以保证船舶电站供电的连续性 检修船舶高压发电机前 必须将发电机组方式选择开关打到 手动 位置 防止发电机组误启动 断开船舶高压发电机主开关 关闭励磁电源 合上接地开关 打开发电机外壳 才能进行检修 如果需要测量船舶高压主发电机绕组的绝缘 必须将发电机接地电阻断开 检修时 操作人员必须配戴绝缘手套 穿绝缘鞋 2 船舶高压断路器检修操作规程高压配电盘通常分为左右两侧