船舶高壓電力系統(tǒng)教學(xué)實驗裝置的研制

李建全，楊宣靖，林葉春

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315801）

0 引言

隨著大型運輸船舶、海上重型設(shè)備、海洋工程船的快速發(fā)展，船舶需要的電力負(fù)荷越來越大，以至于低壓供電和低壓設(shè)備完全不能滿足實際需要[1]。另外，電力推進(jìn)船舶的快速發(fā)展促使船舶高壓電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

船舶高壓電力系統(tǒng)的主要電器有高壓真空斷路器、SF6斷路器、高壓隔離開關(guān)（負(fù)荷開關(guān)和接地開關(guān)）、高壓熔斷器、高壓變壓器等，以及由這些器件構(gòu)成的高壓開關(guān)柜，并為系統(tǒng)的各種保護(hù)提供控制設(shè)備。高壓電力系統(tǒng)的保護(hù)同樣包括發(fā)電機、輸配電、變壓器、用電設(shè)備等的保護(hù)與相關(guān)報警。船舶高壓電力系統(tǒng)與低壓電力系統(tǒng)對比，船舶高壓電力系統(tǒng)接地保護(hù)方面有更加嚴(yán)格的要求。

根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商和船東的實船，設(shè)計一套船舶高壓電力系統(tǒng)實驗裝置，包括發(fā)電機組、高壓配電、負(fù)載設(shè)備，構(gòu)建一個完整的船舶高壓電力系統(tǒng)吸煙裝置系統(tǒng)，采用與當(dāng)前主流實船的高壓電力系統(tǒng)無縫貼合的最先進(jìn)技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)名牌的船舶高壓電力設(shè)備，完成了本船舶高壓電力系統(tǒng)實驗裝置的建設(shè)。

1 配電裝置結(jié)構(gòu)

高壓配電屏高壓區(qū)采用IP42結(jié)構(gòu)，高壓室頂部裝有氣體減壓活門，當(dāng)有爆炸時，氣體可逸出，符合IEC pub.62271-200 （IEC pub.60092-508）和各船級社規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范要求，高壓匯流排通過隔離屏至少分成2個獨立的分段，相應(yīng)的負(fù)載對稱布置。由于其對稱性，選用其中的一半作為教學(xué)實驗裝置。由于一般只有側(cè)推器的電動機（或大功率電動機）、主推電動機變頻裝置、冷藏變壓器（6600 V/450 V，Δ-Y）和主變壓器（6600 V/450 V，Δ-Δ）的原邊直接使用高壓電，一般送電配電使用真空斷路器（VCB），有3個負(fù)載屏。本教學(xué)實驗裝置使用1套負(fù)載控制屏來實現(xiàn)高壓負(fù)荷的控制，不明確指定是哪種具體設(shè)備。本船舶高壓電力系統(tǒng)實驗裝置單線圖如圖1所示，采用2臺發(fā)電機屏、1臺負(fù)載屏兼岸電供電。接地保護(hù)屏是檢測電力系統(tǒng)的電壓和絕緣情況，根據(jù)需要可通過高阻放電實現(xiàn)高壓或接地的保護(hù)。

圖1 船舶高壓電站實驗裝置單線圖

主發(fā)電機與斷路器之間、負(fù)載與斷路器之間、中壓匯流排2個接地屏均安裝有接地開關(guān)，接地開關(guān)三相的一端與接地點可靠連接。在停電維修中壓線路或設(shè)備時，應(yīng)合上相應(yīng)的接地開關(guān)，以保證被維修線路和設(shè)備的可靠接地、防止電荷積累。

高壓配電柜主要有母線區(qū)、斷路器區(qū)、低壓區(qū)和外部電纜連接區(qū)4個主要部分組成，其內(nèi)部還設(shè)有接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器等，壓力減輕釋放器為避免高壓爆炸造成危害而特殊設(shè)計，其上部應(yīng)留有足夠的空間。

本高壓電力系統(tǒng)實驗裝置由2屏發(fā)電機控制屏、并車控制屏、保護(hù)接地屏（GPT）、負(fù)載控制屏組成。雖然因空間有限，沒有單獨設(shè)置岸電屏和左右母線隔離開關(guān)屏，但負(fù)載屏的設(shè)置可以模擬替代岸電介入或左右母線連接使用，并不影響實訓(xùn)和使用效果。

主要器件：配電裝置中主要的器件包括2臺真空斷路器，2套發(fā)電機保護(hù)單元，1套自動并車及負(fù)載控制單元，1套高阻接地保護(hù)單元，1套電動機保護(hù)單元，1套真空接觸器。

1）真空斷路器

選用寺崎電氣的框架式高壓真空斷路器，額定電壓為7.2 KV，額定電流為659 A，額定分?jǐn)嚯娏鳛?5 kA，額定投入電流為65 kA，額定短延時耐電流25 kA /3 s，框架式構(gòu)成確?？蝮w置于高壓柜中的母線區(qū)，斷路器安置于斷路器區(qū)。斷路器本體拉出來后，另配有1臺移動臺車，可拉出維修或更換。斷路器的控制通過軟電纜連接，配有快速接插頭，便于維修操作。

2）發(fā)電機保護(hù)單元

發(fā)電機保護(hù)單元配有液晶顯示主要參數(shù)和可調(diào)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)，還配有過載保護(hù)指示，可簡單明了指示過載的狀態(tài)[2]。人為干預(yù)可通過參數(shù)設(shè)置按鍵和復(fù)位操作按鈕。保護(hù)功能包括零序電壓監(jiān)測、保護(hù)接地監(jiān)測、差分保護(hù)、逆功率保護(hù)、獨立的控制電源、長延時、短延時、瞬時過流保護(hù)、多功能參數(shù)顯示、模擬量和數(shù)質(zhì)量輸出控制、時間記錄和故障記錄、自診斷功能。保護(hù)功能包括長延時、短延時、瞬時過電流保護(hù)；欠壓、過壓保護(hù)；逆功率保護(hù)；差動保護(hù)；優(yōu)先脫扣等功能[3]。

3）自動并車及負(fù)載控制單元

選用寺崎電氣的GAC-21船舶電站控制系統(tǒng)，除常規(guī)的同步并車功能外，還具有諧波畸變嚴(yán)重情況下，閉鎖并車功能。具體外接電路如圖2所示。輸入電壓信號有電網(wǎng)和發(fā)電機，輸出有同步調(diào)頻控制輸出和真空斷路器（VCB）合閘控制輸出。

圖2 自動并車及控制單元外部電路圖

整個控制系統(tǒng)由GAC-21系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，中央處理器（CPU）為系統(tǒng)的核心單元，配有內(nèi)置的RAM和ROM，EPROM，EEPROM等內(nèi)存和接口擴展單元，并配有通訊擴展模塊，用于和發(fā)電機控制屏的保護(hù)單元、真空斷路器（VCB）控制單元、接地保護(hù)等建立聯(lián)系，同時系統(tǒng)配有相關(guān)的開關(guān)量的輸入、輸出和模擬量的輸入輸出單元。

4）高阻接地保護(hù)單元

寺崎推薦的接地系統(tǒng)的特別之處不同于常規(guī)的高阻接地方式，而是通過變壓耦合高阻接地。這樣可以避免電力系統(tǒng)與地的直接聯(lián)系，便于絕緣判斷和接地保護(hù)控制。但是無論是系統(tǒng)電網(wǎng)高壓突加，或是三相本身不平衡，該變壓器副邊回路電壓和就不為0，即可擊穿副邊的電阻，使電網(wǎng)能量快速通過變壓器和電阻消耗掉，從而保護(hù)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬間高壓或嚴(yán)重三相不平衡。其優(yōu)點還有：①對接地短路事故點的破壞少；②接地電流少；③接地時的異常電壓可以通過接地裝（EVT）來檢出；④和其他方式相比、可以更早的檢出接地事故。

另外，每個配電屏均設(shè)有地接開關(guān)，用戶設(shè)備維修保護(hù)接地使用。其一端的三相接到設(shè)備到配電屏的接線端處，另一端通過配電屏的接地可靠與整個大地連接[5]。接地開關(guān)必須手動操作，同時斷路器與該接地開關(guān)具有機械連鎖，以確保兩者不會同時合閘工作。

5）負(fù)載保護(hù)單元

本高壓電力系統(tǒng)實驗裝置負(fù)載保護(hù)單元，具有多種保護(hù)功能，包括常規(guī)的反時限的過載保護(hù)、三相電壓平衡、電纜斷線保護(hù)、真實有效值的監(jiān)測、漏電接地電流的檢測等。一般變壓器負(fù)載的起動特性與電動機的一致，在負(fù)載起動電流處于電網(wǎng)發(fā)電機能力范圍內(nèi)時，可以不用考慮預(yù)充磁控制，可以高壓直接供電控制設(shè)備的運行。

6）真空接觸器

真空接觸器是真空斷路器的一種，是可控重復(fù)動作的形式，并具有電磁保持控制，實現(xiàn)自然的欠壓或失壓保護(hù)動作，其中沒有另外設(shè)合閘鎖扣和失壓線圈等復(fù)雜機構(gòu)[4]。外形與真空斷路器接近。

接觸器主回路如圖3所示，內(nèi)置熔斷器，與接地開關(guān)機械連鎖。其控制回路雖然是直流110 V供電，但是其原理與一般繼電接觸回路一致。

圖3 接觸器主回路電路圖

本船舶高壓電力系統(tǒng)教學(xué)實驗裝置的主要特點包括：專為船舶和海工設(shè)計的高壓開關(guān)，全型式認(rèn)可，根據(jù)IEC62271-200標(biāo)準(zhǔn)測試，全鍍鋅板結(jié)構(gòu)，獨立的電弧故障測試，帶安全保護(hù)罩的斷路器，與外界空氣絕緣的母排，安全的額機械連鎖，正面操作，真空斷路器（VCB）等均為可抽拉式，均配有接地開關(guān)，配有智能保護(hù)設(shè)備。

4 高壓電力系統(tǒng)的操作與維護(hù)

各控制屏內(nèi)均裝有機械和電氣連鎖裝置，以確保維修保養(yǎng)時維修人員接觸的線路無電。維修時的操作步驟如下：步驟1-待維護(hù)發(fā)電機卸載脫扣，卸載后，將VCB分閘，確認(rèn)該發(fā)電機從電網(wǎng)脫開；步驟2-停機操作，控制發(fā)動機停止；步驟3-滅磁操作，旋轉(zhuǎn)柜內(nèi)低壓儀表屏內(nèi)的滅磁開關(guān)至滅磁位置，確保發(fā)電機電樞沒電；并將滅磁開關(guān)上的鑰匙拔出，插入接地開關(guān)的鑰匙孔內(nèi)；步驟4-用專用工具將真空斷路器（VCB）從“CONNECTED”（工作）位置逆時針轉(zhuǎn)動，拉出到“DISCONNECTED”（脫開）位置，因低壓控制回路使用軟電纜連接，仍然接通在回路中，可對真空斷路器（VCB）的低壓控制電路進(jìn)行測試，此時真空斷路器（VCB）的觸頭與匯流排完全脫開，但是控制回路仍然可以操作；步驟5-轉(zhuǎn)動接地開關(guān)上的鑰匙，再用專用工具合上接地開關(guān)。步驟6-僅在真空斷路器（VCB）斷開并合上接地開關(guān)的情況下，才能打開控制屏上部的前面板；步驟7-開門后可以拿到內(nèi)部鑰匙，以開啟控制屏的后門；步驟8-可對發(fā)電機組或本配電屏進(jìn)行維護(hù)修理，維護(hù)過程中，確保接地開關(guān)處于接地狀態(tài)。

5 高壓電力系統(tǒng)的功能

5.1 整個電力系統(tǒng)的模擬實驗

本高壓電力系統(tǒng)實驗裝置的配置與實船一致。

系統(tǒng)配有2臺發(fā)電機組，雖然是400 V，50 Hz，但是考慮到使用的安全和高壓供電的管理，使用低壓發(fā)電機，配以相應(yīng)的電壓互感器來模擬高壓操作，與實際效果一樣，配電屏上的電壓表等均為相應(yīng)的高壓指示，內(nèi)置所有的結(jié)構(gòu)和器件全是按實船標(biāo)準(zhǔn)來制定。

另外系統(tǒng)還配有30 kW的真實負(fù)載，供系統(tǒng)調(diào)整負(fù)載和功率分配使用，也與實船完全一致。本高壓電力系統(tǒng)實驗裝置配有DC110VUPS電源作為高壓系統(tǒng)的控制用電。

具體運行過程中，需要監(jiān)視和管理整個電力系統(tǒng)的內(nèi)容包括：1）觀察配電板上各儀表讀數(shù)，如電壓、頻率、電流、功率等并作記錄。2）根據(jù)工況進(jìn)行發(fā)電機的并聯(lián)運行或解列，使電站合理、經(jīng)濟(jì)運行。3）觀察并聯(lián)發(fā)電機組間功率分配是否合理。如果不合理，應(yīng)進(jìn)行手動調(diào)節(jié)并使之合理分配。交流發(fā)電機各相電流不得相差10%，且每相電流不應(yīng)超過額定值。4）檢查運行中的發(fā)電機的調(diào)壓裝置是否有不正常的振動或聲響。若有異常，應(yīng)查明原因，排除故障。5）檢查發(fā)電機溫度及軸承溫度是否正常，發(fā)電機的溫升不應(yīng)超過其絕緣等級允許的溫升。滾動軸承一般不超過80℃，滑動軸承不超過70℃。6）對故障待修或正在檢修的電氣設(shè)備，在主配電屏上斷開電源時，必須在其相應(yīng)的開關(guān)上懸掛告示牌，以免造成觸電事故或設(shè)備損壞。7）配電板上同步表、兆歐表均按短期工作設(shè)計，并車或測量完畢后，應(yīng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)扳回零位。8）觀察配電板上兆歐表或地氣燈所顯示的船舶電網(wǎng)絕緣情況。如有絕緣不良應(yīng)及時進(jìn)行檢查、排除。

5.2 船舶高壓電站手動操作實訓(xùn)

可實現(xiàn)配電屏上的發(fā)動機起動、停車、調(diào)速、同步、合閘、功率分配、卸載等手動操作，但是不能在發(fā)電運行狀態(tài)下，在真空斷路器（VCB）上手動操作，智能遠(yuǎn)程電動操作。

每一步操作需要通過觀察儀表的指示變化，判斷設(shè)備的運行狀態(tài)，指出下步操作后的結(jié)果，然后進(jìn)行手動操作。手動操作保護(hù)裝置，調(diào)整觀察參數(shù)；另外，通過菜單，修改參數(shù)。

主要測試內(nèi)容包括：1）應(yīng)急手動并車裝置進(jìn)行檢查和效用試驗；2）模擬試驗運行中的主發(fā)電機預(yù)報警，備用發(fā)電機能否在規(guī)定時間內(nèi)自動起動并合閘供電；3）模擬試驗電網(wǎng)失電時，發(fā)電機能否在規(guī)定時間內(nèi)自動起動并合閘供電；4）在網(wǎng)運行的主發(fā)電機剩余功率不足時，船舶電站功率管理系統(tǒng)PMS是否在規(guī)定時間內(nèi)起動備用機組并合閘供電；5）試驗在網(wǎng)運行的主發(fā)電機剩余功率不足且沒有備用機組可用時，船舶電站功率管理系統(tǒng)PMS是否會實現(xiàn)次要負(fù)載分級卸載功能；6）手動修改保護(hù)參數(shù)，然后通過手動操作實驗驗證修改后的參數(shù)的有效性。

5.3 船舶高壓電力系統(tǒng)實驗裝置實訓(xùn)

操作控制裝置于電力管理系統(tǒng)（PMS）模式，通過負(fù)載的變化，觀察真空斷路器（VCB）等設(shè)備的動作情況。包括自動起動備用機組、自動同步操作、自動并車、自動負(fù)載分配、自動調(diào)頻調(diào)載、自動卸載、自動脫扣、自動停機操作。

故障時提供報警及故障內(nèi)容顯示，每個故障需要單獨的機上保護(hù)裝置的復(fù)位操作。

實訓(xùn)要求操作觀察設(shè)備的狀態(tài)，分析設(shè)備需要的動作，故障發(fā)生時，應(yīng)采取的措施。

5.4 船舶高壓保護(hù)實驗實訓(xùn)

2個發(fā)電機配電屏和負(fù)載屏均設(shè)有保護(hù)單元，保護(hù)單元均可通過各控制屏底部正面的接線柜接入模擬的電壓和電流信號，以代替配電屏內(nèi)的電壓和電流互感器的信號。這些信號被送到前述的保護(hù)單元中，可以計算除過流、過載、欠壓、過壓、逆功率、欠頻、過頻、零序漏電電流等的監(jiān)測和計算，判斷設(shè)備運行是否處于合理狀態(tài)，除給出報警信號外，還控制真空斷路器（VCB）保護(hù)動作。通過實驗可以給出過載、過流、欠壓、過壓等保護(hù)動作，但是逆功率、欠頻、過頻可通過實際設(shè)備的調(diào)速調(diào)載來實現(xiàn)，不必使用模擬的方法。

出廠前，高壓配電屏等高壓配電裝置都需要進(jìn)行型式實驗中的非暴力破壞的實驗。對于內(nèi)部短路、外部短路等破壞性實驗，有檢驗部門抽取每個批次同類型的個別樣品進(jìn)行實驗，進(jìn)行型式認(rèn)定實驗。本實驗裝置不做該實驗。

5.5 負(fù)載供電操作

負(fù)載屏給負(fù)載供電是通過1臺真空接觸器供電，其控制原理與低壓一樣，只有吸合線圈有電才能可靠吸合；主回路使用真空觸點，與真空斷路器一樣。操作中使用常規(guī)的起保?？刂苹芈?，帶起動按鈕和停止按鈕。由于接觸器本身沒有保護(hù)功能，所以系統(tǒng)配置的電機保護(hù)單元實現(xiàn)過載、短路、缺相等控制。接觸器內(nèi)置熔斷器起到短路保護(hù)的作用。

5.6 不間斷電源（UPS）管理操作實訓(xùn)

不間斷電源（UPS）系統(tǒng)是高壓電力控制系統(tǒng)的應(yīng)急供電系統(tǒng)，如果UPS不能正常工作，在船舶失電后，高壓電力控制系統(tǒng)將不能工作，處于癱瘓狀態(tài)。因此，對UPS的操作和管理應(yīng)予以重視，同時UPS的功能試驗也是高壓電力系統(tǒng)的船舶必檢內(nèi)容。

平時保持電瓶間整潔，并確保通風(fēng)良好。保持電瓶及接線柱清潔，確保接線緊固。日常經(jīng)常檢查UPS系統(tǒng)各參數(shù)是否正常，平日UPS系統(tǒng)采用浮充電制，每月充分放電1次，后手動充足，再轉(zhuǎn)浮充。檢修UPS時，應(yīng)將UPS轉(zhuǎn)為旁路供電，保證高壓電力系統(tǒng)控制系統(tǒng)的供電。UPS的蓄電池應(yīng)5年更換一次。

6 結(jié)語

通過本實驗裝置的研制，在確保安全的情況下，可實際操作船舶高壓電力系統(tǒng)，滿足教學(xué)以及國家海事局船舶電氣的評估實訓(xùn)要求，同時可以給船舶檢驗及相關(guān)專業(yè)培訓(xùn)提供設(shè)備。由于本實驗系統(tǒng)操作與實際系統(tǒng)完全一致，因此，對本科生教學(xué)、學(xué)院現(xiàn)場實踐體驗和船員職業(yè)培訓(xùn)有重要意義。