大容量交直流船舶電站試驗工裝配置方案研究

中圖分類號：U665.12 文獻標志碼：A

Research on the Configuration Scheme of Testing Equipment forHigh-CapacityAC/DC ShipboardPower Stations

YANG Yanan（Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group） Co.，Ltd.，Shanghai20o129，China）

Abstract： This paper addresses the issue that domestic shipyards lack experience in the configuration of mooring test equipment for AC/DC power stations with relevant capacity levels， especially regarding the first applicationoflarge-capacity medium-voltage DC integrated power systems on vessels.Based on thedemand analysis for the mooring test of a ship's large-capacityAC/DC power station，a comprehensive configurationscheme for the power station's test load，cables，andcable trays is proposed.This solution resolves the chalengesof providing the necessary test conditions for high-capacityAC/DC shipboard power stations and offers areference for the application of similar systems on other vessels.

Key words： high-capacity AC/DC power station; testing equipment; configuration scheme

1 引言

隨著我國綜合電力系統在船舶領域的快速發展，第二代綜合電力系統—中壓直流綜合電力系統由研發階段開始進入實船應用階段。某船是國內首次應用大容量中壓直流綜合電力系統，通過中壓直流電站、低壓交流電站為全船供電。全面充分地開展電站系泊試驗是檢驗和驗證綜合電力系統功能特性、性能指標精度和運行可靠性的唯一手段，也是后續所有系泊試驗基礎，更是保障新船海上航行試驗成功的重要前提。但目前國內船廠尚無大容量中壓直流電站的試驗調試及驗證的經驗，電站調試工裝配置方案是船廠試驗保障能力建設首先需要攻克的難點。由于大容量交直流電站的電制特殊、總功率等級高且試驗工況相對常規電站復雜，為保證試驗的順利進行及保障人員和設備安全，需要對電站調試工裝的配置安裝進行研究，明確中壓及低壓電站調試工裝的綜合配置方案。下文將分別從試驗負載、試驗電纜導架等方面對調試工裝的詳細配置方案進行研究和闡述。

2大容量交直流電站試驗工裝需求分析

根據GB/T13032-2010《船用柴油發電機組》及相關國家標準、本船系泊試驗大綱的要求，柴油發電機組裝船后在船廠碼頭開展系泊試驗時，需要完成機組調速特性試驗，機組調壓特性試驗以及發電機組并聯運行試驗等。本船電站系泊試驗中，需要配置的試驗工裝主要有中壓直流電站模擬試驗負載（以下簡稱試驗負載）、低壓交流試驗負載試驗、試驗負載饋電電纜（以下簡稱試驗電纜）及中壓試驗電纜用導架。其中試驗負載是指給電站外加的一套能夠方便、快捷調節電阻或電抗的負載裝置，在船廠系泊試驗過程中使用率非常高，是進行電站系統調試、完成電站系統性能評測的關鍵工裝之一。本船電站包含了中壓直流電制和低壓交流電制，總容量高達幾十兆瓦級，相對常規電站，電站試驗負載需求具備以下幾個特點。

2.1中壓直流電站電制特殊

目前，船廠配置的試驗負載裝置通常為中小功率交流中壓或低壓智能干式負載箱，通過電力電子變換裝置用于中壓直流電站試驗的代價較高。因此，目前國內如703所、中國船舶電站公司等陸續開展了大功率中壓直流干式負載箱的研制工作[2-3]，并已經在中壓直流發電機組的出廠試驗和陸上聯調試驗中成功應用。但國內行業內還沒有相關標準對中壓直流負載的規格、配置等進行統一要求，船廠也尚無相關大功率中壓直流負載的成熟選型應用經驗。

2.2不同電源試驗負載調節范圍和精度要求不同

本船電站由不同電制、不同容量等級（幾兆瓦至幾十兆瓦）、不同種類（燃發機組、柴發機組、逆變電源）的電源組成，不同電源的功率特性和功率等級相差較大，對試驗負載的調節范圍和調節精度要求不同，在試驗負載總容量確定的前提下，單臺試驗負載容量配置過大會影響試驗負載的調節精度，配置過小會導致試驗負載布置場地需求、轉運安裝工作量增大。

2.3試驗負載使用環境特殊

目前，中壓直流綜合電力系統已完成陸上聯調試驗，其電站試驗工裝的配置及安裝方案為船廠系泊試驗提供了一定的工藝基礎。船廠系泊試驗時試驗負載通常是在船上露天甲板或船岸碼頭臨時安裝，在試驗負載使用期間，正是船舶下水后裝作業的最后階段，周期緊張，船岸之間的建造施工、配建調試人員流動性較大，對負載的正常工作環境條件、安全性、移動性都有更高的要求[4]。

因此，對于船廠來說，試驗負載的配置既要綜合考慮功能性能需求，又要考慮負載安裝使用的安全性和便捷性，同時還要兼顧后期的擴展性，盡量避免一船專購專用的現象。

經市場調研，目前業內有4MW或8MW等級的新研中壓直流干式負載箱5，考慮到兼顧試驗負載的調節精度、安裝場地需求、轉運效率、通用性及可擴展性，采用多臺8MW中壓直流干式負載箱配置方案，并進一步對試驗負載提出以下具體技術要求。

3.1中壓試驗負載設計要求

1）環境要求

不同于設備出廠試驗用試驗負載，系泊試驗用中壓試驗負載的存儲條件是室外露天環境，為保證試驗負載在船廠露天碼頭或港池的特殊環境條件下能正常工作，對其環境溫度適應性要求為 ，相對濕度 5 0 ～ 9 5 % ，防水防風級別上要能保證可以全天候使用?？紤]到碼頭水域的特殊性，負載箱還必須考慮鹽霧、油霧和霉菌的影響。

2）使用性能要求

考慮到電站的功率儲備系數以及試驗負載的經濟性，中壓電站試驗負載容量以并聯運行試驗最大工況試驗負載需求為下限值進行配置，考慮到試驗負載老化情況下效率的下降，要求試驗負載還具有不小于1小時的 1 1 0 % 額定負載過載能力。表1是對中壓直流試驗負載具體的使用性能要求。

3）主要功能要求

3 電站試驗負載配置方案

本船電站試驗負載配置的難點在中壓試驗負載。

中壓負載箱應能單臺或多臺通過網絡并聯為每臺中壓直流發電機組進行負載試驗、靜態特性試驗、動態特性試驗以及多臺發電機組并聯運行帶載試驗提供精確的試驗負載，主要功能要求如下：

（1）具備優化分段式投入方式可設置工作模式（單機特性，并聯運行）及功率和試驗時間等，所有試驗自動加載一鍵式操作；（2）模擬負載可同時突增和突減，系統應具有發電機組靜態、突加、突卸測試，數據實時采集、顯示、分析等功能，可以自動生成各種圖表、曲線及檢測報告；（3）多臺負載的操作可以在同一臺電腦的同一頁面操作負載的加減工作；能通過RS485口或以太網接口從電站系統的電量采集模塊獲取信息；（4）自帶絕緣檢測功能，能夠對工作電源進行相序自動檢測和轉換；（5）對負載箱內的散熱風機進行集成控制，并監測各風機運轉情況；（6）數據存儲采用本地存儲，集中顯示，數據完整和安全。

4）物理特性要求

考慮到試驗負載的轉運便捷性、通用性，要求負載箱按通用標準集裝箱設計，采用40英尺標準集裝箱，負載箱的正面、側面的進線及維修空間不大于 3 m 。負載箱室外露天安裝，需滿足電氣部分IP44的防護等級要求；負載箱的進風及排風均需考慮防雨措施；負載箱在規定的環境條件、按照使用維護說明書使用以及維修保養情況下，預期工作壽命 ? 4 0 年，電子元器件壽命 ? 1 0 年。

5）負載箱附屬設備要求

由于中壓負載箱的冷卻風機通常由外部電源供電，而船廠碼頭的岸電箱通常為 6 3 0 A 及以上大電流供電斷路器，因此，還需要負載箱自帶風機電源分電箱，設置1600A總開關（框架斷路器），8路250A分路開關（塑殼斷路器）、2路50A微型斷路器及浪涌等元件，并配置380/220V變壓器。

3.2低壓交流試驗負載配置方案

本船采用多個低壓交流電站實現分區供配電，低壓電站系泊試驗項目包含逆變電源、柴發機組、主配電板及岸電等多個設備的功能和性能試驗，并且這幾種電源輸出特性差異大，并聯運行試驗工況多，低壓主配電板上的同步點多達20個。因此，低壓電站的試驗項目多、調試流程復雜、試驗周期非常緊張。為了保證建造節點，必須采用多個低壓電站同步調試的試驗方案。試驗負載總容量及單臺容量組合方式的選擇既要考慮單臺低壓電源特性調試需求，也要考慮各種電源并聯運行調試需求，并兼顧試驗負載后期老化后效率下降。低壓試驗負載為市場成熟產品，根據上述原則確定低壓試驗負載選型為多臺 4 . 5 M W 低壓交流3 8 0 V 智能干式負載箱（含移動式遠程遙控終端）。

4負載試驗電纜配置方案

電站試驗負載電纜主要敷設場所為機艙、通道等船上場所及露天碼頭，需要選用耐磨抗彎型船用電纜。根據電站系統、試驗負載容量等相關性能指標，結合試驗電纜工作環境條件，試驗電纜選型如表2所示。

根據試驗電纜從船上配電板敷設至試驗負載的出艙電纜路徑，進行三維模型中試驗負載電纜放樣，計算單根試驗電纜所需長度。形成試驗電纜配置方案如下：

1）每個中壓試驗負載箱配置10根 1 5 0 m 中壓直流電力電纜及電纜接線終端，并自帶 8 0 m 輔助電源用低壓交流電力電纜；2）每個低壓試驗負載箱配置52根 1 5 0 m 低壓交流電力電纜。

5中壓試驗電纜導架配置方案

中壓試驗電纜工作電壓高，通電狀態下載流量高、電動力大，其電纜直徑大、彎曲半徑大、單位重量重等特性，因此需要重點考慮試驗電纜出艙路線及沿途施工人員安全問題。中壓試驗電纜需按照中壓直流電纜敷設工藝進行臨時固定敷設，開展中壓電纜臨時敷設導架（以下簡稱電纜導架）的選型配置研究。

5.1 電纜導架分類及特點

電纜導架分為槽式、托盤式、梯級式、網格式等結構，梯級式電纜導架重量輕、散熱透氣好，適用于直徑較大的電纜敷設；托盤式電纜導架載荷大、造型美觀；槽式電纜導架是一種全封閉式型電纜導架，抗干擾和耐腐蝕防護效果較好，但安裝維護沒有前兩種形式的導架簡單。

5.2電纜導架配置方案

中壓試驗電纜從船上中壓配電板敷設至碼頭試驗負載，其中船上部分的試驗電纜臨時使用船上的固定電纜導架，碼頭部分的試驗電纜需要配置臨時電纜導架。考慮到船廠碼頭的作業環境復雜、人員流動性大、電站試驗周期長等因素，不適合按常規陸上室外電纜敷設方式挖制電纜溝槽敷設電纜。

中壓負載箱每箱配置12根中壓電纜（每根電纜外徑 ），彎曲半徑為電纜外徑9倍以上，考慮到盡量減少電纜敷設占用場地，在中壓負載箱底部預留進線孔，抬高安裝負載箱，將中壓電纜導架布置在負載箱底部，實現電纜底部進線?？紤]到中壓電纜敷設密度大、散熱需求高，同時兼顧電纜的露天敷設環境，碼頭試驗電纜導架采用梯型導架加電纜保護罩的方式，在生產設計階段按導架放樣長度配置電纜保護罩，在電纜敷設后通過螺栓連接在導架上。圖1為電纜導架及保護罩三維示意圖。負載箱拾高安裝采用如圖2所示的箱腳型支架，均勻分布支撐在負載箱的邊緣和中部。

6 結語

通過對大容量交直流電站系泊試驗需求分析，明確了電站試驗負載、電纜及導架的綜合配置方案，為下一步公司生產保障部門的工裝采購招標、碼頭安裝保障提供了采購支撐和技術依據，有效解決了電站系泊試驗的條件保障難題，為該項目系泊試驗的順利開展提供了工藝技術支撐，可為其它船舶應用大容量交直流電站提供參考。

參考文獻

[1]陸彬，俞希學，陳曉波.基于船用發電機組試驗的干式負載系統設計[J]電氣自動化，2018，40（2）：98-100.

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[3]中國船舶電站設備有限公司.一種直流中壓干式負載裝置：中國：201920984151.3[P].2020-04-21.

[4]趙繼權，楊亞男，包磊.船舶中壓直流電站試驗負載技術及選型應用研究[J].船舶，2024，35（3）：107-113.

[5]陸彬，俞希學，張嵩彪.大功率中壓直流負載的優化設計[J].電氣技術，2019，20（S1）：44-47.