鄭福光

摘 要：近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，以綜合電力推進(jìn)技術(shù)為技術(shù)指導(dǎo)的海洋工程船舶成為了現(xiàn)代社會(huì)船舶的主流趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)力綜合發(fā)展系統(tǒng)的“革命性”變革，由此推進(jìn)了中高壓電力系統(tǒng)和區(qū)域直流配電系統(tǒng)在海洋工程船舶上的廣泛應(yīng)用。本文基于我國(guó)現(xiàn)有的IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及船舶發(fā)展規(guī)范，闡述了船舶綜合電力推進(jìn)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)海洋工程船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的區(qū)域直流配電技術(shù)、中性點(diǎn)接地技術(shù)、諧波抑制、系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探究，為后續(xù)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋工程；綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)；技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：U664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）29-0012-02

當(dāng)前，隨著我國(guó)綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，促進(jìn)了大容量電力電子元件的快速發(fā)展，革新了傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過深入研究船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展思路，結(jié)合當(dāng)前船舶工業(yè)的現(xiàn)狀和市場(chǎng)發(fā)展需求，提出了船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的新思路。綜合電力推進(jìn)技術(shù)是將船舶動(dòng)力系統(tǒng)與輔機(jī)電站系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用，提高船舶操作的靈活性，體現(xiàn)了海洋工程船舶推進(jìn)裝置的動(dòng)力定位功能。

1 船舶綜合電力推進(jìn)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

海洋工程的船舶動(dòng)力系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成的，其中，原動(dòng)機(jī)是動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力來源，推進(jìn)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)船舶高效運(yùn)作的的高效機(jī)動(dòng)。

當(dāng)前，我國(guó)海洋工程的推進(jìn)系統(tǒng)主要有機(jī)械式直接推進(jìn)和電力推進(jìn)兩類，其中，電力推進(jìn)又分為傳統(tǒng)電力推進(jìn)和綜合電力推進(jìn)兩種推進(jìn)技術(shù)。

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)普遍采用中高壓交流電制，提升了系統(tǒng)的功率大幅度上升與響應(yīng)速度，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和發(fā)電機(jī)功率密度，廣泛應(yīng)用于高技術(shù)船舶運(yùn)作。

1.1 綜合電力推進(jìn)的基本特點(diǎn)

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

第一，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，具有較強(qiáng)的集成性；

第二，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品；電壓等級(jí)與功率密度較高、容量較大；

第三，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)具有優(yōu)良的可操控性和隱身性，是水面艦艇動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 綜合電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，綜合電力推進(jìn)具有如下優(yōu)勢(shì)：

其一，具有更好的綜合性、經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性，降低了綜合運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)，減少了污染排放量；

其二，具有更高的可靠性；

其三，具有更舒適的艙室環(huán)境，大幅度提高航行舒適度；

其四，具有更大的有效艙容以及更強(qiáng)的操縱性能。

2 國(guó)內(nèi)外船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國(guó)外船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

俄國(guó)科學(xué)家雅柯賓通過直流電機(jī)和蓄電池的相關(guān)試驗(yàn)，首次 提出了“電力推進(jìn) ”的概念，至今已有一百多年的歷史，其發(fā)展歷程可分為以下三個(gè)階段：

第一階段為1908—1945年的傳統(tǒng)電力推進(jìn)早期應(yīng)用階段，第一艘以直流電力推進(jìn)作為主動(dòng)力的消防船，開創(chuàng)了船舶電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的先河；

第二階段為1945年—1980年的傳統(tǒng)電力推進(jìn)特殊應(yīng)用階段，受電工技術(shù)發(fā)展條件的制約，傳統(tǒng)的低壓直流電力力推進(jìn)系統(tǒng)存在一定的不足，但在潛艇和特種工程船等仍然發(fā)揮重要作用；

第三階段為1980年至今的綜合電力推進(jìn)快速發(fā)展階段，隨著我國(guó)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)取得突破性進(jìn)展。

2.2 我國(guó)船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

二十世紀(jì)的數(shù)十年來，我國(guó)的船舶配套技術(shù)發(fā)展緩慢，幾乎處于停滯狀態(tài)。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，在市場(chǎng)需求的牽引下，我國(guó)逐漸關(guān)注于船舶行業(yè)對(duì)綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，但尚不具備自主研發(fā)能力，推進(jìn)系統(tǒng)大多是從國(guó)外引進(jìn)，換言之，我國(guó)當(dāng)下的電力推進(jìn)系統(tǒng)還不完善。

3 海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本要求

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為當(dāng)下海洋工程船舶的重要推進(jìn)動(dòng)力，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它不僅要考慮船舶的使用環(huán)境，同時(shí)還要考慮艙室內(nèi)的布置等要求，換言之，船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本要求是高轉(zhuǎn)矩密度、低振動(dòng)噪聲、高可靠性。

4 綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探析

4.1 中性點(diǎn)接地技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)海洋工程船舶中對(duì)高壓供電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地處理方式的選擇是一個(gè)較為綜合的問題，通過系統(tǒng)分析可知，與傳統(tǒng)低壓電力系統(tǒng)相比，中高壓電力系統(tǒng)首要需要考慮的就是絕緣問題。目前，在我國(guó)海洋工程船舶中，中高壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)較高，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電弧不僅不能自我熄滅，同時(shí)還進(jìn)一步擴(kuò)大了故障的影響力，產(chǎn)生重大的安全事故。因此，在進(jìn)行船舶中高壓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要重點(diǎn)考慮電容電流問題。

當(dāng)前，我國(guó)海洋工程船舶綜合電力系統(tǒng)推進(jìn)中，對(duì)中性點(diǎn)接地的處理方式主要包括：中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地等，同時(shí)還應(yīng)該考慮電流、成本、安裝技術(shù)等方面的影響。

近年來，隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，海洋工程船舶大多使用經(jīng)高阻接地的接地方式，這種方式可以保障在發(fā)生接地故障時(shí)，所產(chǎn)生的電壓和電流都是零序的，起到了保護(hù)裝置和限制故障電流為目的。

總而言之，高電阻接地在設(shè)計(jì)上滿足通過高阻接地裝置的電流等于或稍大于系統(tǒng)的電容電流的設(shè)計(jì)原則，所以可以得知，在進(jìn)行中性點(diǎn)接地技術(shù)，如何確定系統(tǒng)的電容電流是確定接地電阻的關(guān)鍵。

除此之外，同步發(fā)電機(jī)是海洋工程船舶電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從發(fā)電機(jī)的安全性角度出發(fā)，確定高阻接地阻值。

4.2 系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)

相對(duì)于傳統(tǒng)的低壓電力系統(tǒng)，海洋工程中的船舶中高壓電力系統(tǒng)在系統(tǒng)保護(hù)方面做了較大的調(diào)整，除了常規(guī)的保護(hù)外，中高壓電力系統(tǒng)還要考慮中性點(diǎn)接地方式、接地保障的監(jiān)測(cè)與保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)等保護(hù)技術(shù)。海洋工程船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)大多采用多電站并聯(lián)的運(yùn)行方式，與低壓電力系統(tǒng)通過空氣斷路器本身保護(hù)不同，中高壓電力系統(tǒng)是通過采用數(shù)字式綜合繼電保護(hù)裝置和真空斷路器來完成保護(hù)工作的，而我國(guó)海洋工程船舶電氣綜合推進(jìn)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)又分為如下兩類：

①縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

根據(jù)我國(guó)有關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)社規(guī)范，當(dāng)發(fā)電機(jī)的容量超過一定數(shù)值后，在其內(nèi)部應(yīng)用大量的大容量發(fā)電機(jī)組和變壓器，設(shè)置短路故障保護(hù)。

②零序保護(hù)。

對(duì)于海洋工程船舶中高壓電力系統(tǒng)來說，除了某些特定的船舶外，大多的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)采用中性點(diǎn)接地處理方式，這樣就可以確保在發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生較大的零序電流和零序電壓，從而保障相關(guān)設(shè)備。

4.3 諧波抑制技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)的電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于海洋工程船舶上，但也由此帶來大量的諧波問題，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成一定的危害，污染電網(wǎng)波，影響各種用電設(shè)備的正常工作。

因此，企業(yè)應(yīng)該必須針對(duì)當(dāng)下電力推進(jìn)系統(tǒng)中的諧波問題通過采取有效的措施，進(jìn)行及時(shí)的治理，避免電網(wǎng)因諧波問題而造成不無可挽回的嚴(yán)重后果。目前，針對(duì)諧波問題，國(guó)內(nèi)外普遍采用THD指標(biāo)來對(duì)電網(wǎng)中的電能質(zhì)量進(jìn)行客觀系統(tǒng)地分析與評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，變頻器抑制諧波的方法主要有補(bǔ)償性和預(yù)防型兩種。前者主要指的是在諧波處加濾波器，而濾波器又分為無源濾波和有源濾波器。后者主要指的是從電力系統(tǒng)的本身出發(fā)，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出不會(huì)產(chǎn)生諧波的交流器。

4.4 區(qū)域直流配電技術(shù)

在海洋工程船舶運(yùn)作過程中，除了考慮推進(jìn)器等變頻驅(qū)動(dòng)外，還應(yīng)該考慮多方位的變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備，即通常包括變壓器、逆變器、直流母線、逆變器、斬波電路和負(fù)載設(shè)備等。中壓配電板的工作原理為：通過聯(lián)絡(luò)電纜向區(qū)域直流配電中心輸送電能，則該區(qū)域中心不僅主要負(fù)責(zé)電能變換和分配，同時(shí)還反映了如海洋工程船舶起重和錨絞車等多臺(tái)大功率集中設(shè)備的變頻電機(jī)分布的情況，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的饋電共享和循環(huán)利用，緩解當(dāng)下我國(guó)資源短缺的現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)變頻控制裝置的弊端，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架的同時(shí)，減少了點(diǎn)擊作業(yè)時(shí)穿插電纜和變頻設(shè)備的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的濾波復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的生命力等特點(diǎn)。

在船舶的起重、鋪管等過程中，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能，三相交流電動(dòng)勢(shì)被三相全控橋整流，從而反饋到直流配電板上，促使區(qū)域直流配電板電壓持續(xù)升高。在一定程度上雖然會(huì)促進(jìn)直流交配技術(shù)的發(fā)展，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，倘若直流配電板電壓超過荷載范圍，則會(huì)對(duì)區(qū)域直流配電系統(tǒng)和變頻器產(chǎn)生危害。帶來嚴(yán)重的安全隱患。

除此之外，當(dāng)區(qū)域直流配電的放電電流約為電動(dòng)機(jī)額定電流的一半時(shí)，為了確保變頻器不受損壞，流過制動(dòng)電阻的電流應(yīng)該為額定電流，其電阻值應(yīng)為制動(dòng)電阻的最小值。

5 結(jié) 語

綜上所述，本文主要基于我國(guó)現(xiàn)有的IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及船舶發(fā)展規(guī)范，闡述了船舶綜合電力推進(jìn)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)海洋工程船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的區(qū)域直流配電技術(shù)、中性點(diǎn)接地技術(shù)、諧波抑制、系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探究，為后續(xù)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 繆燕華，吳斐文.海洋工程船綜合電力系統(tǒng)應(yīng)用概述[J].船舶技術(shù)，2009，1：38-42.

[2] 任修明，楊德望.艦船推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展展望[J].船電技術(shù)，2002，5：15-52.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2012，3：28-96.