試析船舶及海洋工程中壓配電板設(shè)計(jì)與制造

余群艷

[摘 要]本文主要針對中壓配電板在船舶及海洋工程中的性能和功能做出分析，再經(jīng)過對其中壓配電板的設(shè)計(jì)與制造歸納出設(shè)計(jì)特點(diǎn)功能、機(jī)械制造及環(huán)境試驗(yàn)，試析船舶及海洋工程中壓配電板的設(shè)計(jì)制造趨勢。

[關(guān)鍵詞]船舶海洋工程；中壓配電板；設(shè)計(jì)制造

中圖分類號：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0015-02

伴隨不斷提升的船舶及海洋工程電氣化水平，尤其是推廣應(yīng)用的船舶及海洋工程綜合電力系統(tǒng)，當(dāng)下已經(jīng)有越來越多的大型船舶及海洋工程中的電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十兆瓦。由于受到發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量、斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰?、電纜載流量、發(fā)電機(jī)組數(shù)量等因素的影響，船舶及海洋工程中壓配電板得到了廣泛應(yīng)用。雖然在英國和美國已有10多年的使用和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但中壓配電板的設(shè)計(jì)、制造、研究和試驗(yàn)在我國船舶及海洋工程中還處于初級階段，船舶及海洋工程認(rèn)識中壓配電板的程度還不夠成熟。

一、 船舶及海洋工程中壓配電板的設(shè)計(jì)及功能

1.電氣設(shè)計(jì)特點(diǎn)

船舶及海洋工程中壓配電板是由多個(gè)接觸器柜、斷路器柜等按照使用中實(shí)際情況的要求組成，一般情況下含有多個(gè)母聯(lián)屏、發(fā)電機(jī)屏、負(fù)載屏和預(yù)勵(lì)磁屏。電氣設(shè)計(jì)的任務(wù)就是將母聯(lián)屏、發(fā)電機(jī)屏、負(fù)載屏和預(yù)勵(lì)磁屏的要求進(jìn)行一次方案的確定。船舶及海洋工程中壓配電板就是屬于一次方案，母聯(lián)屏的電壓互感器設(shè)置在母線側(cè)，發(fā)電機(jī)屏的電壓互感器設(shè)置在電纜側(cè)，母線側(cè)的負(fù)載屏設(shè)置了接地開關(guān)，差動(dòng)保護(hù)用的電流互感器在發(fā)電機(jī)屏上專門進(jìn)行了設(shè)置。負(fù)載屏的作用給大負(fù)載提供電力過程中，一般采用斷路器柜，比如：日用變壓器、推進(jìn)變壓器。而負(fù)載屏給小負(fù)載提供電力過程中可以采用接觸器柜，比如艏側(cè)推[1]。

2.發(fā)電機(jī)屏的功能

（1）控制功能

發(fā)電機(jī)屏的控制功能主要有：自動(dòng)及手動(dòng)并車、充磁、自動(dòng)負(fù)荷分配、發(fā)電機(jī)防冷凝加熱、調(diào)壓及調(diào)速等功能。

（2） 保護(hù)功能

一般情況設(shè)有定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、中性點(diǎn)接地電阻保護(hù)、接地故障保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、逆功保護(hù)及電弧保護(hù)等功能。

（3） 顯示和測量的功能

發(fā)電機(jī)屏能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的功率、三相電流、功率因數(shù)、三相電壓以及頻率進(jìn)行顯示和測量。其次，發(fā)電機(jī)屏有具備著手車、斷路器、單線圖模擬顯示以及手車等功能。

3. 母聯(lián)屏的功能

（1）控制功能

母聯(lián)屏的控制功能主要有：自動(dòng)負(fù)荷分配及自動(dòng)并車與手動(dòng)并車等功能。

（2） 保護(hù)功能

母聯(lián)屏的保護(hù)功能基本與發(fā)電機(jī)屏的保護(hù)功能相同。一般情況設(shè)有定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、中性點(diǎn)接地電阻保護(hù)、接地故障保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、逆功保護(hù)及電弧保護(hù)等功能。

（3） 顯示和測量功能

母聯(lián)屏能對頻率、母排變壓等進(jìn)行顯示和測量，具備一定的手車、單線圖模擬顯示、接地開關(guān)狀態(tài)及斷路器等功能。

4. 預(yù)勵(lì)磁屏的功能、

聯(lián)鎖功能在預(yù)勵(lì)磁屏跟其相應(yīng)負(fù)載屏之間能夠發(fā)揮作用。比如，在日用變壓器斷路器被接通之前，預(yù)勵(lì)磁屏接觸器會(huì)首先被自動(dòng)接通，其接通結(jié)束以后，預(yù)勵(lì)磁屏接觸器會(huì)被自動(dòng)斷開。

5. 負(fù)載屏的功能

（1）控制功能

負(fù)載屏的控制功能可按照需要，設(shè)重載詢問、電動(dòng)機(jī)防冷凝加熱及變壓器預(yù)勵(lì)磁聯(lián)鎖等功能。

（2）保護(hù)功能

一般情況下會(huì)設(shè)置定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、電弧保護(hù)以及接地故障保護(hù)等功能。

（3）顯示和測量功能

負(fù)載電流能夠被負(fù)載屏進(jìn)行顯示和測量，有著接觸器或斷路器、接地開關(guān)狀態(tài)、單線圖模擬顯示及手車等功能[2]。

二、 船舶及海洋工程中壓配電板的機(jī)械制造

1. 總體結(jié)構(gòu)

船舶及海洋工程中壓配電板的組成有：接觸器柜和斷路器柜，一般結(jié)構(gòu)上分為電纜室、斷路器室、儀表室和母線室，它們互相獨(dú)立且封閉。電纜室、斷路器室和母線室是高壓室，儀表室是低壓室。瀉壓通道在高壓室中各自擁有，上部有封板，可以在燃弧故障發(fā)生時(shí)打開，排氣通道通常設(shè)置在高壓室。

作為船舶及海洋工程中配壓電板，在設(shè)計(jì)上一定要有抗沖擊能力及抗振動(dòng)能力，所以柜體聯(lián)拼減振、柜架減振、車定位減振及手車接地連續(xù)性減振等措施都要考慮到配壓電板設(shè)計(jì)當(dāng)中[3]。

2. 安全聯(lián)鎖

（1）聯(lián)鎖的五個(gè)防止方面

防止誤分誤合接觸器或者斷路器、防止接通接觸器時(shí)合接地開關(guān)或者斷路器、防止接觸器手車或者帶負(fù)荷推拉斷路器、防止帶電間隔被操作人員誤入。這五項(xiàng)防止聯(lián)鎖內(nèi)容是接觸器柜和中壓斷路器柜的基本聯(lián)鎖，其實(shí)現(xiàn)都要通過機(jī)械裝置。

（2） 系統(tǒng)的電氣與屏的聯(lián)鎖

接通發(fā)電機(jī)屏的時(shí)候，無源觸點(diǎn)信號會(huì)被發(fā)電機(jī)屏通過發(fā)電機(jī)控制電路所提供，因而讓發(fā)電機(jī)禁止啟動(dòng)。

（3）主母線接地開關(guān)聯(lián)鎖

接通主母線接地開關(guān)之前，要把主母線與所有相連的電源進(jìn)線斷路器從工作位置中移開。機(jī)械程序鎖可以實(shí)現(xiàn)主母線接地開關(guān)聯(lián)鎖[4]。

三、 船舶及海洋工程中壓配電板的環(huán)境試驗(yàn)

1.溫濕污穢循環(huán)試驗(yàn)

中壓變壓器一般不用考慮鹽霧對絕緣的影響但要考慮溫濕污穢的影響，因此溫濕污穢循環(huán)試驗(yàn)換種說法就是鹽霧與濕熱的綜合試驗(yàn)，此試驗(yàn)方法可以參照《GB 3906-1991附錄E用于嚴(yán)酷氣候條件下的3kV～35kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備的附加要求》進(jìn)行，一般程序如下：

（1） 增加試驗(yàn)品額定電壓，合閘并讓接觸器或斷路器在工作位置。

（2） 把溫度按照每小時(shí)10攝氏度的溫度變化讓其溫度從25到35攝氏度升至55到65攝氏度，上升濕度要控制9個(gè)小時(shí)并大于95%。

（3） 把溫度按照每小時(shí)負(fù)10攝氏度的溫度讓其溫度下降到25至35攝氏度，下降濕度到80%以上，并維持三個(gè)小時(shí)至六個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

（4） 噴鹽霧讓濕度上升到95%以上。

（5） 進(jìn)行兩次以上程序的循環(huán)。

2.振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)

船舶及海洋工程中壓配電板的振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)可以按照《GJB150.18—86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行，如果以下條件在試驗(yàn)以后能夠符合，就可視為合格。

（1） 能夠進(jìn)行正確無誤的斷路器分合閘

（2） 機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有破損、沒有松動(dòng)等情況，能夠進(jìn)行正確無誤地手車搖出與搖進(jìn)。

（3） 接觸器和斷路器在斷開的觸點(diǎn)地方?jīng)]有瞬間閉合、其彈跳時(shí)間在接通觸點(diǎn)地方小于20ms。

（4） 能夠符合升溫要求[5]。

四、 船舶及海洋工程中壓配電板的設(shè)計(jì)與制造趨勢

1.智能化

（1）綜合保護(hù)裝置

當(dāng)前使用尤為廣泛的綜合保護(hù)裝置有著十分智能化的功能，把這一裝置裝在船舶及海洋工程中壓配電板上能起到一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)單元的作用。深入發(fā)揮綜合保護(hù)裝置的自適應(yīng)保護(hù)功能，能夠使船舶及海洋工程中壓配電板的保護(hù)功能及控制功能得到更加協(xié)調(diào)和完善的狀態(tài)。

（2） 在近幾年中我國電力系統(tǒng)配電電壓等級排在前三名的開關(guān)故障，分別為機(jī)械故障、絕緣故障和溫升故障。為了了解開關(guān)設(shè)備的及時(shí)狀態(tài)信息，從原有的按定期檢修變?yōu)榱税礌顟B(tài)檢修，在線監(jiān)測必定是大勢所趨。

2.小型化

船舶及海洋工程中壓配電板的小型化，首要小型化的就是斷路器。改進(jìn)和增強(qiáng)滅弧室外部絕緣，是小型化斷路器的關(guān)鍵方法。在斷路器小型化的進(jìn)步過程中，出現(xiàn)了固封極柱，這讓其小型化的速度大大加快。用導(dǎo)電端子和真空滅弧室等環(huán)氧樹脂包封成極柱，接著和操作機(jī)構(gòu)形成斷路器就是固封極柱式斷路器。環(huán)氧樹脂的使用可以成為絕緣介質(zhì)，可以縮小相與相之間的距離，中壓配電板和真空斷路器的體積能夠得到減小。

3.可靠性高

（1）專用保護(hù)單元

雖然綜合保護(hù)裝置有很全面的功能，但是因?yàn)槭潜Ｗo(hù)、控制與顯示結(jié)合一體，這樣對電力系統(tǒng)和裝置的可靠性在一定程度上會(huì)受到影響。依據(jù)當(dāng)前船舶及海洋工程中壓配電板的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)不工作或者有故障的情況下，綜合保護(hù)裝置的接觸器或斷路器不能合閘，那么就會(huì)達(dá)到電力不能從發(fā)電機(jī)中被輸出。但如果能讓每個(gè)接觸器柜和斷路器柜都在船舶及海洋工程中壓配電板上配置一個(gè)專用的保護(hù)單元作為綜合保護(hù)裝置的后備，就大大保障了供電系統(tǒng)的持續(xù)性工作。

（2） 電弧光保護(hù)裝置

原有的電弧保護(hù)繼電器對于斷電源中電弧發(fā)生嚴(yán)重燃燒爆炸故障中，是不能夠快速將其熄滅的，電弧故障過程中雖然能夠保護(hù)人員安全，但受損的配電板通常不能再用。然而電弧光保護(hù)裝置能夠在發(fā)生故障的同時(shí)檢測過電流增量與弧光增量，并在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)出指令，讓斷電源從故障中切除，其時(shí)間控制在100ms以內(nèi)，這樣就很好的讓配電板在故障中得到了保護(hù)，不會(huì)造成過大的損害，通常只需要清除電弧光短路的地方被弧光引起的碳跡，然后對其系統(tǒng)電壓等級工頻耐試驗(yàn)做出相應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)，就能夠再次進(jìn)行運(yùn)行[6]。

結(jié)束語

綜上所述，隨著不斷發(fā)展的電力電子技術(shù)，船舶海洋工程領(lǐng)域的電力系統(tǒng)裝置也在不斷改進(jìn)和完善，對于需要高功率推進(jìn)的海洋船舶而言，中壓配電板的應(yīng)用對低壓系統(tǒng)的功率上限等一些問題都得到了很好的解決，這無疑是滿足船舶用電需求的最佳方案。

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