船舶高壓電力系統設計的幾個關鍵技術問題

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設計中幾個關鍵技術問題，包括交流高壓電力系統電壓等級的選擇、中性點高阻接地的變壓器和接地電阻參數的計算、大容量變壓器預防起動沖擊電流的措施等。

關鍵詞：高壓電力系統;電壓等級;高阻接地;預充磁

中圖分類號：U665.1 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

通常對于電站容量不大的船舶，大多采用交流低壓電力系統。但隨著船舶電力推進技術的發展，越來越多的船舶采用綜合電力推進系統，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已不能滿足使用需求，必須采用交流高壓電力系統。

本文探討船舶交流高壓電力系統設計中的幾個關鍵技術問題，包括交流高壓電力系統電壓等級的選擇、中性點高阻接地的變壓器和接地電阻參數的計算、大容量變壓器預防起動沖擊電流的措施等。

2 ? ?電壓等級的選擇

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

2.1 ? 交流低壓電力系統

交流低壓電力系統是船舶上最常用的電力系統，其設備及電纜的選用、安裝、試驗以及維護都比較簡單，因此當船舶電站容量較小時，一般都選用交流低壓電力系統。

2.2 ?交流高壓電力系統

隨著船舶電站的容量增加，電氣設備和電纜的體積、重量都會變得更加龐大，輸電損耗也會增加，對船上非常狹小的空間來說就不太適用了;另外，電氣設備包括電機、變壓器、保護開關、匯流排、電纜等在某個電壓等級范圍內的容量是有限的，當電力系統的容量接近或超過了這個限度后，電力系統的安全性和可靠性就會變差，因此只能靠升高電壓等級來擴大容量。

2.3 ?電壓等級的選擇

電力系統電壓等級是根據電力系統短路容量確定的，某個電壓等級下電力系統最大短路容量又是由該電壓等級下斷路器的分斷能力決定的。

目前，690 V交流低壓斷路器的額定電流最大為6300 A、分斷能力最大為100 kA、短路容量最大為119 MVA;交流高壓電力系統的最大短路容量（MVA），見表1。

電力系統電壓等級選擇時，首先應根據電力負荷計算書確定發電機組功率和數量;然后估算電力系統的短路容量;再根據電力系統的短路容量確定電壓等級，選擇符合分斷能力的斷路器和相應配電板。

電力系統的短路容量，按如下方法估算：

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

（2）根據英國勞氏規范，電力系統短路電流按發電機額定電流的10倍+其它電動機額定電流的3倍計算;如果有發電機的X”參數，發電機饋送短路電流按發電機額定電流/X”計算更為準確;其它電動機的負荷大小，按電網負荷減去帶變頻器線路的負荷后的60%計算;峰值短路電流為對稱短路電流的2.5倍。根據計算所得短路電流，用來校核斷路器的分斷能力、峰值短路電流用來校核斷路器的接通能力。

根據參考文獻[4]，電站容量與電壓等級的對應關系，見表2所列。

3 ? ?中性點高阻接地變壓器和接地電阻參數計算

電力系統中性點接地有多種方式：中性點直接接地;中性點經低電阻接地;中性點不接地;中性點經高電阻接地;中性點經消弧線圈接地等。

3.1 ?交流低壓電力系統

船舶交流低壓電力系統，通常采用中性點不接地方式。

3.2 ?交流高壓電力系統

船舶交流高壓電力系統，絕大多數采用中性點經高電阻接地方式，其主要理由如下：

（1）當電力網的電壓較高、電纜較長時，電容電流會比較大，尤其是交聯聚乙烯絕緣的電纜，當發生單相接地故障時，不接地系統的電弧不能自動熄滅，可能引發火災;

（2）高壓電力設備的絕緣水平比低壓的低，當運行中產生的過電壓超過設備的耐受電壓標準時，設備的安全運行性能將受到破壞，不接地系統的操作過電壓要高于高電阻接地系統。

對于交流高壓電力系統來說，中性點經高阻接地的初衷就是限制接地故障電流，因此通過高阻接地裝置的接地電阻性電流原則上應等于或稍大于系統的接地電容電流。正確確定系統電容電流的最好辦法是在最大運行方式下實測。在設計時需要考慮的接地電容電流主要是高壓發電機、高壓電動機和高壓電纜的電容電流，先分別計算每一個高壓發電機、每一個高壓電動機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的接地電容電流。

交流高壓電力系統中性點高電阻接地方式，通常有下列三種：

（1）系統中性點利用高壓發電機的中性點，電阻器直接接入高壓發電機的中性點，每臺發電機都需配置。采用此種方式，對電阻器要求耐壓高、阻值大、電流小。

4 ? ?大容量變壓器預防啟動沖擊電流的措施

變壓器的起動類似于電動機的啟動，在啟動過程中會產生很大的沖擊電流，其非周期分量可達十幾倍額定電流。在船舶交流高壓電力系統中，高壓變壓器的容量一般都非常大，因此其啟動沖擊電流將會引起非常大的電壓瞬時跌落，甚至導致發電機跳閘。

為了防止這種現象發生，大容量變壓器往往采用預充磁方式啟動以減少沖擊電流。預充磁啟動方式的原理是：在大容量變壓器主開關合閘前，先采取措拖在變壓器內部通過預充磁建立穩態的交變磁場，當其主開關合閘時，由于內部磁通的穩定，不會造成系統磁通的突變，沖擊電流隨之消失。

大容量變壓器預充磁啟動通常有兩種方式：一種是大容量變壓器的主斷路器先不合閘，其初級繞組先通過起動電阻接通高壓配電板母線進行預充磁，經延時后再合閘大容量變壓器主斷路器并切除起動電阻，完成起動過程;另一種是為大容量變壓器設一個等電壓變比的小容量變壓器即預充磁變壓器，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充磁變壓器為大容量變壓器預充磁，經延時后再投入大容量變壓器并切除預充磁變壓器。因預充磁變壓器容量很小，其合閘沖擊電流即使倍數大但電流基數小，不會對交流高壓電力系統產生什么影響。根據參考文獻[5]，一般預充磁變壓器的容量可按大容量變壓器容量的1%選擇。

5 ? ?結束語

隨著海洋經濟及文化旅游產業的發展，采用綜合電力推進系統的船舶品類和數量越來越多，因此很有必要研究交流高壓電力系統的供配電技術。本文拋磚引玉對交流高壓電力系統的一些關鍵技術問題進行了探討，希望能給船舶交流高壓電力系統的設計提供借鑒或參考。

參考文獻

[1]海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南[M].石油工? ? ?業出版社.

[2]火力發電廠廠用電設計技術規程（DL/T 5153-2014）.

[3]導體和電器選擇設計技術規定（DL/T 5222-2005）.

[4] 徐丹錚，繆燕華，吳斐文.大功率電力系統船舶的電氣設計（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充磁分析[J].機電? ? ? 設備，2009（4）.