大功率船用整流裝置的適配性研究

黃曼磊

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 哈爾濱 150001）

1 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發(fā)展緩慢，且大多數(shù)只應(yīng)用在特種船舶上。從20世紀(jì)80年代起，供電系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)和微電子及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使船舶電力推進(jìn)裝置打破了長(zhǎng)期徘徊局面，得到了大力的發(fā)展。電力推進(jìn)系統(tǒng)基本由機(jī)械原動(dòng)機(jī)(柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核動(dòng)力)構(gòu)成，用以驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)可能是直流電動(dòng)機(jī)、交流同步電動(dòng)機(jī)或交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。同傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。

船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動(dòng)、推進(jìn)、儲(chǔ)能、監(jiān)控和電力管理，是現(xiàn)行船舶平臺(tái)的電力和動(dòng)力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合；它不是電力推進(jìn)加自動(dòng)電站的簡(jiǎn)單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術(shù)等均發(fā)生重大變化，給未來(lái)的船舶帶來(lái)一場(chǎng)革命。電力變換模塊是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括大容量電能變換技術(shù)研究，中、高壓電網(wǎng)的安全性研究等。電力變換裝置應(yīng)用于區(qū)域配電系統(tǒng)必須滿(mǎn)足區(qū)域配電系統(tǒng)的技術(shù)要求稱(chēng)之為電力變換裝置的適配性。本文主要研究大功率整流裝置的適配性，將適配性歸納為如下五個(gè)方面的內(nèi)容分別進(jìn)行研究：(1)安全性要求；(2)任務(wù)與功能要求；(3)供電性能要求；(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；(5)環(huán)境要求。本文研究的大功率整流裝置功率為500 kW，輸入交流電壓為400 V，輸出直流電壓為1000 V。

2 安全性要求

（1）設(shè)備類(lèi)別

本設(shè)備為 AC/DC電力變換裝置，主要承擔(dān)從交流電到直流電的電力變換任務(wù)。

（2）電氣間隙

電氣間隙：兩相鄰導(dǎo)體或一個(gè)導(dǎo)體與相鄰電機(jī)殼表面的沿空氣測(cè)量的最短距離。電氣間隙的尺寸應(yīng)使得進(jìn)入設(shè)備的瞬態(tài)過(guò)電壓和設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的峰值電壓不能使其擊穿。電氣間隙防范的是瞬態(tài)過(guò)電壓或峰值電壓。AC/DC電力變換裝置交流側(cè)輸入電壓為400 V，故交流側(cè)最小電氣間隙為20 mm；AC/DC電力變換裝置直流側(cè)輸出電壓為1000 V，故直流側(cè)最小電氣間隙為25 mm。

（3）爬電距離

爬電距離：兩相鄰導(dǎo)體或一個(gè)導(dǎo)體與相鄰電機(jī)殼表面的沿絕緣表面測(cè)量的最短距離。爬電距離的尺寸應(yīng)使得絕緣在給定的工作電壓和污染等級(jí)下不會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)或擊穿（起痕）。爬電距離是考核絕緣在給定的工作電壓和污染等級(jí)下的耐受能力。AC/DC電力變換裝置交流側(cè)輸入電壓為400 V，故交流側(cè)最小爬電距離為30 mm；AC/DC電力變換裝置直流側(cè)輸出電壓為1000 V，故直流側(cè)最小爬電距離為35 mm。

（4）絕緣電阻

在絕緣試驗(yàn)前，用500 V直流高阻計(jì)測(cè)量受試部分的絕緣電阻，在環(huán)境溫度為 20±5 ℃、相對(duì)濕度為90%時(shí)，其數(shù)值不應(yīng)小于 1 MΩ。設(shè)備的電源插頭或電源引入端與外殼裸露金屬部件之間的絕緣電阻，經(jīng)相對(duì)濕度為 91%～95%、溫度為40 ℃、48 h 的受潮預(yù)處理后，加強(qiáng)絕緣的設(shè)備不小于5 MΩ，基本絕緣的設(shè)備不小于 2 MΩ，Ⅲ類(lèi)設(shè)備不小于1 MΩ。

工作電壓超過(guò) 500 V 的設(shè)備，上述絕緣電阻的阻值數(shù)應(yīng)乘以一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)等于工作電壓除以500 V。

本設(shè)備工作電壓為直流1000 V，該系數(shù)等于2。

（5）絕緣強(qiáng)度

絕緣本身耐受電壓的能力。作用在絕緣上的電壓超過(guò)某臨界值時(shí)，絕緣將損壞而失去絕緣作用。通常，電力設(shè)備的絕緣強(qiáng)度用擊穿電壓表示；而絕緣材料的絕緣強(qiáng)度則用平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)表示。擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，發(fā)生擊穿的電壓除以施加電壓的兩電極之間的距離。絕緣強(qiáng)度通常以試驗(yàn)來(lái)確定。絕緣強(qiáng)度隨絕緣的種類(lèi)不同而有本質(zhì)上的差別。

（6）機(jī)內(nèi)接地的導(dǎo)電電阻

在380/220 V低壓系統(tǒng)中，接地電流很小，一般不超過(guò)幾安，所以規(guī)定接電阻不大于4 Ω，當(dāng)容量在100千伏安以下時(shí)，接地電阻還可放寬至不大于10 Ω。

（7）溫升

溫升試驗(yàn)的目的在于測(cè)定整流器在額定條件下運(yùn)行時(shí)各部件的溫升是否超過(guò)溫升極限。整流器中半導(dǎo)體器件的溫升試驗(yàn)可與低壓電流試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。 如進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)可與額定條件下的負(fù)載試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，所用的測(cè)溫元件可以是溫度計(jì)、熱電偶、熱敏器件、紅外測(cè)量及其他等效方法。溫度應(yīng)在變流器各部件上的規(guī)定部位測(cè)取。對(duì)于半導(dǎo)體器件應(yīng)測(cè)量若干個(gè)器件，其中必須包括那些冷卻條件最差的器件。對(duì)采用相位控制的晶閘管整流器，還應(yīng)按產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定，在不同控制率的連續(xù)直流電流下測(cè)取，取其中的最大值。

當(dāng)一臺(tái)整流器由多個(gè)裝置并聯(lián)組成而同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)有困難時(shí)， 可對(duì)并聯(lián)的裝置分別進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)電流應(yīng)取單個(gè)裝置的額定電流除以產(chǎn)品技術(shù)條件所規(guī)定的裝置的電流均衡度所得的商。整流器各部件的溫升極限見(jiàn)表 1，整流變壓器的極限溫升見(jiàn)表2。

表1 整流器各部件的溫升極限

（8）泄漏電流

Ⅰ、Ⅱ類(lèi)設(shè)備工作時(shí)的泄漏電流應(yīng)符合表 3的規(guī)定，Ⅲ類(lèi)設(shè)備不作泄漏電流檢驗(yàn)。

表2 整流變壓器的極限溫升

表3 泄漏電流

（9）外殼防護(hù)等級(jí)

絕緣防護(hù)即是采用絕緣技術(shù)將危險(xiǎn)的帶電部分與外界全部隔開(kāi)，防止在正常工作條件下與危險(xiǎn)的帶電部分的任何接觸，是一種完全的防護(hù)。用以覆蓋帶電部分的絕緣層應(yīng)該足夠牢固，不采用破壞性手段不應(yīng)被除去。使用的絕緣必須能長(zhǎng)期承受在運(yùn)行中可能受到的機(jī)械、化學(xué)、電氣、及熱應(yīng)力的影響（例如摩擦、碰撞、拉壓、扭曲、高低溫及變化、電蝕、大氣污穢、電解液等產(chǎn)生的應(yīng)力影響）；由于油漆、瓷漆、普通紙、棉織物、金屬氧化膜及類(lèi)似材料極易在使用中改變（降低）其絕緣性能，因此不能單獨(dú)用作直接接觸防護(hù)。

（10）保護(hù)功能

保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)主要包括各種過(guò)電流保護(hù)器件（如過(guò)電流繼電器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)等限流電器）的過(guò)流整定，各種過(guò)電壓保護(hù)器件（如浪涌過(guò)電壓抑制器、重復(fù)過(guò)電壓阻容吸收器等）的正確工作，裝置冷卻系統(tǒng)的保護(hù)器件（如風(fēng)速、流量、水壓等繼電器）的正常動(dòng)作，安全操作的接地裝置和開(kāi)關(guān)的正確設(shè)置以及各種保護(hù)器件的互相協(xié)調(diào)。

對(duì)保護(hù)器件功能的試驗(yàn)，應(yīng)盡可能在不致使在整流器部件（易損件除外）受到超過(guò)其額定過(guò)載沖擊條件下進(jìn)行。

3 任務(wù)與功能要求

電力變換裝置的功能應(yīng)滿(mǎn)足艦船區(qū)域配電系統(tǒng)任務(wù)的需求。本文研究的電力變換裝置為AC/DC電力變換裝置，其基本功能為：對(duì)發(fā)電機(jī)輸出母線(xiàn)與日用配電母線(xiàn)進(jìn)行隔離，主要是隔離推進(jìn)與非推進(jìn)母線(xiàn)；將發(fā)電機(jī)配電板輸出的交流電變換為直流電，向各配電分區(qū)供電；與艦船控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；提供自動(dòng)故障檢測(cè)、隔離和重構(gòu)功能；支持負(fù)載切除功能；根據(jù)艦船控制系統(tǒng)的調(diào)度執(zhí)行電能管理功能；人機(jī)交互功能。

艦船電氣系統(tǒng)及其部件通常在極為惡劣和苛刻的條件下工作，如十分寬的溫度和濕度變化范圍，鹽霧、霉菌及核輻射等侵蝕性的特殊工作環(huán)境，極為復(fù)雜的高空電磁環(huán)境，強(qiáng)的振動(dòng)、沖擊和加速度等，同時(shí)還要求艦船電氣設(shè)備具有高的可靠性、好的維護(hù)性（甚至不需要修理而能長(zhǎng)期正常工作）、體積小、重量輕等。

4 供電性能要求

（1）輸入電源電壓波動(dòng)范圍

直流電源的電壓變化為額定電壓的＋6 %～-l 0 %；

交流電源的電壓變化為額定電壓的＋6%～-10%，頻率變化為額定頻率的±5 %；

蓄電池電源的電壓變化為額定電壓的±20%。

直流電壓紋波的峰-谷值不超過(guò)額定值的 15%。

波形為正弦，波形畸變率不大于5 %。

（2）電壓對(duì)稱(chēng)度

多相系統(tǒng)的電壓，負(fù)序分量或零序分量不超過(guò)正序分量的5 %。

（3）輸出電壓及電壓調(diào)整率測(cè)量

試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)整流器的輸出電壓及電壓調(diào)整率是否滿(mǎn)足規(guī)定的要求。

對(duì)于固定輸出電壓的整流器，在輕載和額定連續(xù)負(fù)載情況下，電源電壓在整個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，測(cè)量輸出電壓的變化，對(duì)可變輸出電壓的整流器，則測(cè)量輸出電壓的變化范圍。測(cè)得的電壓變化值應(yīng)在產(chǎn)品技術(shù)條件的允差范圍內(nèi)。如有要求時(shí)，也應(yīng)對(duì)溫度等其他條件的變化進(jìn)行允差范圍試驗(yàn)。

（4）輸出頻率測(cè)量

在規(guī)定的電源電壓范圍內(nèi)，在輕載、連續(xù)額定負(fù)載或規(guī)定的負(fù)載電流范圍內(nèi)，用頻率計(jì)測(cè)量輸出頻率。

（5）輸出電流測(cè)量

測(cè)量交流輸出電流的儀表，一般是指示基波電流的方均根值。對(duì)輸出非正弦波電流的測(cè)試，應(yīng)注意選用合適的交流電流表。在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)測(cè)量輸出電流。

（6）諧波和紋波的測(cè)量

對(duì)于直流輸出的整流器，使電源電壓為額定值，紋波在規(guī)定的范圍內(nèi)，在輕載和額定連續(xù)負(fù)載兩種情況下測(cè)量電源電流和負(fù)載電流的各項(xiàng)紋波參數(shù)。

電流相對(duì)峰-谷紋波系數(shù)，由示波器測(cè)得的最大值和最小值以及電流直流值來(lái)確定。

電流紋波系數(shù)，由示波器測(cè)得的最大值和最小值來(lái)確定。

電流波形系數(shù)，由電流的方均根值和直流值來(lái)確定。

算得的各項(xiàng)紋波系數(shù)，應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（1）結(jié)構(gòu)

整流器的組件或半導(dǎo)體元件，應(yīng)安裝成可從裝置中取出而無(wú)需拆開(kāi)整個(gè)裝置。整流器的冷卻方式最好是干式空氣冷卻。

（2）安裝

整流器的組件或設(shè)備應(yīng)使進(jìn)出于組件、配套設(shè)備或外殼（如有）的循環(huán)冷卻空氣不會(huì)受到阻礙，進(jìn)入整流器組件的冷卻空氣溫度不應(yīng)超過(guò)該組件元件所允許的環(huán)境溫度?？諝庾岳涫较潴w應(yīng)設(shè)計(jì)成有足夠的通風(fēng)口，對(duì)于全封閉式整流器應(yīng)具有足夠的輻射表面，以使其運(yùn)行溫度不超過(guò)允許的限度。整流器組件及其配套設(shè)備不應(yīng)安裝在電阻器、蒸氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管等熱輻射源的附近。

（3）區(qū)域配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了維持供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和生命力，設(shè)計(jì)供電網(wǎng)絡(luò)的基本要求主要有：發(fā)電機(jī)組和線(xiàn)路局部損壞時(shí)，供電網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)在最大范圍內(nèi)維持供電；電網(wǎng)嚴(yán)重破壞時(shí)，繼續(xù)保持最重要設(shè)備不間斷供電；將電力系統(tǒng)設(shè)備故障的影響面縮小和限制在最小的范圍內(nèi)。基于上面的要求，在設(shè)計(jì)供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，往往采取下面的措施：選擇可靠性較高的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式；按負(fù)載的重要性實(shí)行分級(jí)供電；采用分段母線(xiàn)方式供電。

6 環(huán)境要求

整流裝置在下述條件下應(yīng)能正常工作：

（1）環(huán)境空氣溫度

高溫：55℃；

低溫：-10℃。

（2）相對(duì)濕度

95%。

（3）振動(dòng)

船舶正常營(yíng)運(yùn)中所產(chǎn)生的振動(dòng)。

（4）沖擊

船舶正常營(yíng)運(yùn)中所產(chǎn)生的沖擊。

（5）三防(防潮、防霉、防鹽霧)

船舶正常營(yíng)運(yùn)中所遇到的潮濕空氣、霉菌和鹽霧。

（6）有害粉塵、蒸汽或油霧、含易爆物質(zhì)的環(huán)境

船舶正常營(yíng)運(yùn)中所遇到的粉塵、蒸汽或油霧、易爆物質(zhì)。

（7）傾斜、搖擺

橫傾：22.5°；橫搖：22.5°；

縱傾：10°；縱搖：10°。

7 結(jié)論

通過(guò)上述研究可以知道，船用整流裝置要求高可靠、可維護(hù)性和高效率，低的發(fā)熱溫升，良好的工作特性以及電磁兼容性。

[1] 葉巍.談電源設(shè)備的適配性[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2000,(4): 186～187

[2] 郭國(guó)才，石艷.最佳的電力船推進(jìn)方案[J].船電技術(shù)，2005,(1): 5～8

[3] 高海波，陳輝，林治國(guó).民用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國(guó)水運(yùn)，2005,(1): 45～46

[4] 馬偉明.艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,(6): 1～5,9

[5] 林曦.船用半導(dǎo)體變流器通用技術(shù)條件.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1993年7月31日發(fā)布.