余群艷

[摘 要]本文主要針對(duì)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(duì)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(shì)。

[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(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)和美國(guó)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(guó)船舶及海洋工程中還處于初級(jí)階段，船舶及海洋工程認(rèn)識(shí)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(cè)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(cè)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(cè)量功能

母聯(lián)屏能對(duì)頻率、母排變壓等進(jìn)行顯示和測(cè)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(cè)量功能

負(fù)載電流能夠被負(fù)載屏進(jìn)行顯示和測(cè)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(hào)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(duì)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(shì)

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(guó)電力系統(tǒng)配電電壓等級(jí)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(cè)必定是大勢(shì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)其系統(tǒng)電壓等級(jí)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(yǔ)

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(duì)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(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]周國(guó)平.16000 kW深水多用途海洋工程拖船設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)造船，2012，12（4）：254-258

[2]李潤(rùn)培.將海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成"國(guó)家隊(duì)"[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，24（1）：56-58

[3]魏莉潔.海洋工程船的發(fā)展對(duì)船舶工程專業(yè)教學(xué)的要求[J].科技信息（學(xué)術(shù)版），2012，85（15）：965-966

[4]楊啟.船舶與海洋工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系構(gòu)建和研究性教學(xué)改革初探[J].2011船舶與海洋工程人才發(fā)展論壇論文集[J].2011.65（66）：654-655

[5]李軍，方泉根，龔少軍.海工船動(dòng)力定位能力分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)航海，2014，37（1）：312-315

[6]劉小龍，侯櫻，趙文峰.海流發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用[J].能源工程，2011，75（6）：564-565