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        艦船中壓電力系統(tǒng)岸電供電系統(tǒng)接地方式研究

        2013-04-28 07:11:20袁立軍羅寧昭劉佳丁洪兵
        船電技術(shù) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:靠港接地裝置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        袁立軍,羅寧昭,劉佳,丁洪兵

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        艦船中壓電力系統(tǒng)岸電供電系統(tǒng)接地方式研究

        袁立軍1,羅寧昭2,劉佳3,丁洪兵4

        (1. 海軍駐上海江南造船(集團(tuán))公司軍代表室,上海 201913;2. 海軍工程大學(xué),武漢 430033;3. 海軍駐438廠軍代表室,武漢 430000; 4. 海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室,上海 200136)

        本文根據(jù)國外中壓船舶的發(fā)展現(xiàn)狀,以及軍用中壓電力系統(tǒng)艦船供電特點(diǎn),給出了一種岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其接地方式。通過仿真驗(yàn)證,該供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制單相間歇性接地故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。

        中壓 接地 艦船

        0 引言

        目前,國內(nèi)外大型民用船舶靠港后,船上強(qiáng)大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)必須持續(xù)運(yùn)行,以保持船舶大功率機(jī)泵及其他設(shè)備和支持系統(tǒng)的正常運(yùn)作[1]。柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí),柴油在燃燒過程中產(chǎn)生大量硫化物和氮氧化物,對(duì)周邊環(huán)境造成污染。國際海事組織(IMO)數(shù)據(jù)表明:NOx和SOx是主要的污染物,全球以柴油為動(dòng)力的船舶每年向大氣排放1000萬噸NOx、850萬噸SOx;污染物通過氣候作用可以傳播至1000 km以外的地區(qū)[2]。隨著民用海運(yùn)業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展,船舶廢棄排放也對(duì)環(huán)境污染的控制造成了巨大壓力。港區(qū)要求靠港民用船舶關(guān)閉輔機(jī)而使用岸電的呼聲日益強(qiáng)。與此同時(shí),海軍艦艇長期停靠基地時(shí), 從經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備維護(hù)的角度出發(fā),艦上的用電也需要依靠基地陸地電網(wǎng)提供[3]。帶有中壓電力系統(tǒng)艦船的服役給港口岸電供電系統(tǒng)帶來了全新的挑戰(zhàn)。無論是在民用還是在軍用領(lǐng)域,中壓岸電系統(tǒng)接地方式研究都剛剛起步,沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為參考。岸電供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、電網(wǎng)接地方式及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究已經(jīng)成為世界船電界的研究熱點(diǎn)[4-9]。

        本文將針對(duì)艦船中壓電力系統(tǒng)岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),電網(wǎng)接地方式進(jìn)行深入的探討,為艦船岸電供電標(biāo)準(zhǔn)制訂提供理論依據(jù)。

        1 民用中壓船舶岸電接地方式

        民用港口供電系統(tǒng)接地保護(hù)專家Dev Paul P.E經(jīng)過多年研究得到如下結(jié)論[9]:

        岸電供電系統(tǒng)分布電容較大,系統(tǒng)不應(yīng)采用浮地方式運(yùn)行。如果系統(tǒng)對(duì)地電容電流大于10 A,根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),接地系統(tǒng)將采用低電阻接地。由于船只頻繁進(jìn)出港口,分布電容會(huì)隨著船只進(jìn)出港而發(fā)生改變,因此,為防止高電阻接地方式中電阻值頻繁發(fā)生變化,即使對(duì)地電容電流小于10 A,也應(yīng)采用低電阻接地方式。

        為了減小雜散電流,需要測(cè)量接地裝置與船殼之間的電阻,如果電阻過大時(shí)應(yīng)當(dāng)在船殼與大地之間設(shè)置獨(dú)立的連接線以降低雜散電流。

        接地裝置需要被連續(xù)監(jiān)測(cè),以防止接地裝置發(fā)生斷線或短路,給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性后果。

        2 軍用艦船岸電接地方式

        軍用艦船靠港時(shí)依靠岸電工作,是目前低壓艦船普遍采用的方式。而岸電一般采用中性點(diǎn)直接接地方式,岸電保障艦船供電時(shí),岸電變壓器中性點(diǎn)直接接地,艦船上的用電設(shè)備通過船體,海水又與大地連接做保護(hù)接地。多艦同時(shí)停靠時(shí),各艦岸電電纜并聯(lián)連接在同一變壓器引出的不同接線樁頭上面。圖1為現(xiàn)階段低壓艦船典型的岸電供電系統(tǒng)圖[5]。

        當(dāng)系統(tǒng)電壓等級(jí)升高到6 kV時(shí),原有的岸電電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不再適用。碼頭上變電站變壓器中性點(diǎn)采用直接接地方式。接地故障電流大,容易產(chǎn)生跨步電壓,嚴(yán)重危害岸上工作人員安全。

        3 軍港岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接地方式設(shè)計(jì)

        根據(jù)Dev Paul的研究結(jié)論,雖然高電阻接地方式優(yōu)勢(shì)較大,但岸電變壓器不適合與艦上采用相同的高電阻接地方式。主要原因是多艦同時(shí)??坎⒙?lián)供電時(shí),各艦船對(duì)地電容疊加導(dǎo)致總對(duì)地電容過大,而且艦船在靠港和離港時(shí)對(duì)地電容發(fā)生變化,高電阻接地方式需要頻繁整定[10]。

        艦船靠港后,艦員依舊長期工作和生活在艦船上,岸電電纜很容易在拖拽過程中破損,同時(shí)艦上進(jìn)行設(shè)備例行維修也存在著電纜單相接地的風(fēng)險(xiǎn),岸電變壓器采用低電阻接地方式在發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致艦船失電,影響艦員正常工作。另外,低電阻接地方式接地故障發(fā)點(diǎn)電流過大,不但破壞設(shè)備,巨大能量的電弧會(huì)對(duì)故障點(diǎn)附近的工作人員造成危害。因此必須設(shè)計(jì)岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及接地方式,以滿足中壓電力系統(tǒng)艦船靠港需求。

        在軍船有關(guān)規(guī)范中有下述規(guī)定:“電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證艦船在各種工況下供電的連續(xù)性”[5],能夠保證艦船在各種工況下的供電連續(xù)性的接地方式只有高電阻接地和諧振接地。

        岸電電纜長度較短,電纜部分還可認(rèn)為是架空線,對(duì)地電容一般不大。架空線對(duì)地電容一般在0.0055 μF/km~0.003 μF/km之間。因此具備采用較為經(jīng)濟(jì)、整定簡單的高電阻接地方式的條件。本文針對(duì)大型艦船特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一種靈活的岸電共電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖3為系統(tǒng)電氣圖,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

        1)由于大型艦船電力系統(tǒng)容量較大,靠港時(shí)通常分段提供岸電,因此碼頭變電箱設(shè)置為2~4個(gè)以上,可以滿足不同型號(hào)的艦船同時(shí)??浚冸娤漭敵鰬?yīng)盡量避免并聯(lián),防止環(huán)流。

        2)岸上變電箱內(nèi)的變壓器為△/Y連接,變壓器副邊采用中性點(diǎn)高電阻接地方式,變壓器原副邊隔離,這樣配置有利于多艦同時(shí)停靠的情況。艦船同時(shí)靠港時(shí)并聯(lián)供電,如果配電箱內(nèi)部未配置獨(dú)立的隔離變壓器而通過同一個(gè)變壓器輸出,將會(huì)把各艦船對(duì)地電容并聯(lián),會(huì)超過高電阻接地允許的最大故障電流值。

        3)對(duì)于對(duì)地電容過大的中壓艦船,艦上的諧振接地裝置應(yīng)當(dāng)在岸電工作時(shí)投入運(yùn)行,補(bǔ)償過大的電容電流,對(duì)艦船電力系統(tǒng)提供有效接地保護(hù)。

        4)隔離變壓器副邊電阻取值為400 Ω-500 Ω,使得系統(tǒng)接地參數(shù)與使用艦電的情況保持一致。

        5)岸電供電時(shí)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置與電網(wǎng)隔離。

        4 岸電系統(tǒng)接地故障仿真及結(jié)果分析

        由于采用隔離變壓器,艦船電力系統(tǒng)使用岸電時(shí)發(fā)生接地故障情況與使用艦電基本相同。現(xiàn)對(duì)岸電電纜發(fā)生破損后,產(chǎn)生接地故障進(jìn)行仿真。故障電弧在A相與地之間連續(xù)重燃,重燃時(shí)刻為A相電壓波形負(fù)半周最低點(diǎn),0.5周期后電弧熄滅。系統(tǒng)額定電壓為6.3 kV,電弧電阻為0.1歐姆。圖2為變壓器副邊相對(duì)地電壓和相間電壓的線電壓仿真波形。從圖中可以看出由于接地裝置設(shè)置得當(dāng),使得岸電電纜的接地故障對(duì)艦上電源品質(zhì)影響極少。

        5 結(jié)論

        為保障軍用港口岸電電力系統(tǒng)工作安全穩(wěn)定,應(yīng)在碼頭設(shè)置多個(gè)隔離變壓器,并在隔離變壓器副邊中性點(diǎn)連接高電阻接地裝置,以抑制岸電電纜發(fā)生對(duì)地電弧重燃故障時(shí)產(chǎn)生的過電壓。該種岸電供電網(wǎng)接地方式可使保護(hù)裝置在岸電和艦電供電時(shí)保護(hù)整定具有一致性,且該接地方式有良好的供電連續(xù)性,同時(shí)受艦船分布電容變化影響小,適合在軍港使用。

        [1] 李恒煥.大型船舶靠港使用岸電的研究[J].上海造船,2011, 2:53-54.

        [2] 崔亞欣,孫永濤.高壓岸電上船及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].港口裝卸,2012,1:28-31.

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        [5] 孫厚樨.軍船岸電連接電路的合理設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2000,3:1-3.

        [6] 賈石巖.艦船使用岸電對(duì)溫室氣體排放的控制研究[D]. 大連:大連海事大學(xué),2009年.

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        [10] Dev Paul P.E. A closer look at the grounding of shore-to-ship power supply system. industrial & commercial power systems technical conference,2009: 1-7 .

        Research on Grounding of Shore-to-ship Power Supply System

        Yuan Lijun1, Luo Ningzhao2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

        (1. Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China)

        TM645

        A

        1003-4862(2013)01-0058-03

        2012-05-07

        袁立軍(1972-),男,工程師。研究方向:艦船電氣研究。

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