戚雙斌

(91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

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艦船電力系統(tǒng)電力品質(zhì)指標(biāo)選擇與測(cè)試方法

戚雙斌

(91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

對(duì)交流電力品質(zhì)的考核指標(biāo)進(jìn)行選擇，歸納出重要必測(cè)指標(biāo)；探討對(duì)已交付用戶使用的艦船電力品質(zhì)測(cè)量選點(diǎn)和指標(biāo)評(píng)估方法，以某新型艦鑒定試驗(yàn)為例，探討從艦船全電力系統(tǒng)角度對(duì)電力品質(zhì)測(cè)試的可行性方法。

艦船；電力系統(tǒng)；電力品質(zhì)；指標(biāo)分析測(cè)試試驗(yàn)

艦船電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的、小型的完整的系統(tǒng)，主要由電源設(shè)備，配電系統(tǒng)和負(fù)載組成。其容量較小，沖擊性負(fù)載的大量使用，使獨(dú)立電網(wǎng)中的短時(shí)電壓波動(dòng)問(wèn)題比較嚴(yán)重；導(dǎo)航等設(shè)備的非線性負(fù)載的使用，使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波；大功率負(fù)載劇烈頻繁的變動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊。這些因素使得的船舶獨(dú)立電力系統(tǒng)與陸用大電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)要求和測(cè)試方法有很大差別[1-4]。目前國(guó)內(nèi)比較全面的對(duì)艦船電力品質(zhì)指標(biāo)提出要求的是在GJB4000-2000中，是艦船通用指標(biāo)。其中所列測(cè)試方法不是很全面，對(duì)于實(shí)船的指標(biāo)測(cè)試不能完全通用。艦船設(shè)計(jì)和建造單位所提供的電力品質(zhì)測(cè)試方案還不夠完整。為此，考慮對(duì)交流電力品質(zhì)的指標(biāo)從電壓、電流、頻率、和連續(xù)性4個(gè)方面進(jìn)行分析，總結(jié)出所需測(cè)試的重要指標(biāo)，對(duì)已交付用戶使用的艦船，在測(cè)試選點(diǎn)、方法及結(jié)果處理等方面進(jìn)行探討。

1 艦船電力系統(tǒng)交流電力品質(zhì)指標(biāo)

首先選一個(gè)界面，對(duì)界面進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試。從用戶角度分析，選擇交流用電設(shè)備(負(fù)載)的輸入端作為測(cè)試指標(biāo)的測(cè)試端，如圖1所示。

圖1 電力品質(zhì)測(cè)試界面

選擇某型電制為“380 V或220 V,50 Hz”的艦船，從電壓、波形、頻率及供電連續(xù)性等幾個(gè)方面對(duì)電力品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析[5-8]。每種艦船設(shè)計(jì)具體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不贅述。

1.1 電壓相關(guān)指標(biāo)

1)用電設(shè)備標(biāo)稱電壓。

2)用電設(shè)備電壓允差。

①三項(xiàng)電壓的平均值允差(不包括瞬態(tài)變化)為(U平均-U標(biāo)稱)/U標(biāo)稱×100%。

②包括①和3)項(xiàng)的任一線電壓允差為(Uab-U標(biāo)稱)/U標(biāo)稱×100%。

3)線電壓不平衡允差?！霸试S的線電壓最大值和最小值之差”為(Umax-Umin)U標(biāo)稱×100%。

4)電壓的周期性變化允差。由于周期性負(fù)載(如重復(fù)脈沖負(fù)載)引起的變化(一般認(rèn)為電壓周期性變化的周期大于1 s、小于10 s)，下列電壓周期性變化允差方程式所用的電壓值全為峰值或全為有效值[2]。電壓周期性變化允差為(Umax-Umin)/(2×U標(biāo)稱)×100%。

5)瞬態(tài)電壓(不包括尖峰電壓)。從擾動(dòng)開(kāi)始至規(guī)定的回復(fù)時(shí)間，恢復(fù)并保存在用電設(shè)備允差以內(nèi)。瞬態(tài)電壓允差不包括用電設(shè)備電壓允差。

①瞬態(tài)電壓允差為(U瞬max(min)-U標(biāo)稱)/380×100%。

②瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間(恢復(fù)至線電壓允差范圍內(nèi)即U標(biāo)min=380×(1-2%)。

6)尖峰電壓(峰值)。時(shí)間持續(xù)很短的電壓變化(有尖峰電壓百分比)，不同系統(tǒng)有不同要求(2 500 V(380 V系統(tǒng))、1 700 V(220 V系統(tǒng)))。

7)瞬態(tài)或故障情況出外，由2)①和4)項(xiàng)組合引起的用電設(shè)備標(biāo)稱電壓的最大偏離(不包括瞬態(tài)情況)為(Uab-380)/380×100%。

8)故障情況除外，由2)①，4)，5)①項(xiàng)組合引起的與用電設(shè)備標(biāo)稱電壓的最大偏離。(包括瞬態(tài)情況)，(Uab-380)/380×100%。

8項(xiàng)指標(biāo)可分2類：一是電網(wǎng)正常運(yùn)行，設(shè)備正常工作，從負(fù)載工作質(zhì)量角度出發(fā)，對(duì)應(yīng)單項(xiàng)線電壓偏差、線電壓不平衡偏差是重點(diǎn)要測(cè)評(píng)估的指標(biāo)，這2項(xiàng)指標(biāo)容易造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓；二是電網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)(尤其大功率負(fù)載啟動(dòng))時(shí)，一般會(huì)造成電壓的突升或突降，過(guò)大的波動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的停機(jī)，或負(fù)載不能正常啟動(dòng)等，此時(shí)重點(diǎn)測(cè)量評(píng)估瞬態(tài)電壓降及回復(fù)時(shí)間。其余指標(biāo)是否需要測(cè)量要結(jié)合具體艦船系統(tǒng)級(jí)負(fù)載要求而定。

1.2 波形相關(guān)指標(biāo)

1)正弦性畸變率。

2)最大的單次諧波含量。

3)偏離系數(shù)。電壓波形和同樣頻率的等效正弦波兩者在對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)上的最大差值與電壓的等效正弦波的最大縱坐標(biāo)之比，此時(shí)兩波的疊加方式應(yīng)使得最大差值極可能小[2]。

一般艦船都有導(dǎo)航雷達(dá)等設(shè)備，容易造成波形畸變和產(chǎn)生諧波，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成影響，其他設(shè)備的工作質(zhì)量下降，有必要對(duì)衡量波形的3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。

1.3 頻率相關(guān)指標(biāo)

1)標(biāo)稱頻率。

2)頻率允差。正常運(yùn)行時(shí)，不包括瞬態(tài)頻率允差和頻率的周期性變化允差。

3)頻率的周期性變化允差。由于周期性負(fù)載(如重復(fù)脈沖負(fù)載)引起的變化

一般認(rèn)為頻率周期形變化不超過(guò)10 s。

頻率的周期性變化允差為(fmax-fmin)/(2×f標(biāo))×100%。

4)瞬態(tài)頻率。

①瞬態(tài)頻率允差。擾動(dòng)開(kāi)始至規(guī)定的恢復(fù)時(shí)間，它恢復(fù)并保持在頻率允差以內(nèi)。瞬態(tài)頻率允差不包括頻率允差，為(f瞬max-f瞬min)/(2×50)×100%。

②回復(fù)時(shí)間。從擾動(dòng)開(kāi)始至頻率回復(fù)至f標(biāo)min=50×(1-①%)的時(shí)間(①%為瞬態(tài)頻率允差)

5)故障情況除外，引起的與標(biāo)稱頻率的最大偏離為(fmax(或fmin)-50)/50×100%。

大功率負(fù)載的頻繁變動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響較大，在頻率指標(biāo)方面重點(diǎn)測(cè)量評(píng)估瞬態(tài)電壓波動(dòng)及回復(fù)時(shí)間。

1.4 供電連續(xù)性相關(guān)指標(biāo)

供電連續(xù)性相關(guān)指標(biāo)主要是典型斷電時(shí)間，體現(xiàn)了對(duì)重要供電設(shè)備要保證供電連續(xù)性和可靠性[4]。由于故障或操作失誤等可能會(huì)造成短暫的供電間斷，不同設(shè)備對(duì)此有不同要求。不需要任何間斷的設(shè)備(如通信的設(shè)備監(jiān)測(cè)控制臺(tái)等)要通過(guò)UPS來(lái)供電。一些允許有短暫斷電的設(shè)備(一些動(dòng)力設(shè)備)，要用2舷電源(或主備電源)轉(zhuǎn)換設(shè)備通過(guò)備用電源來(lái)完成連續(xù)供電。按負(fù)載設(shè)備對(duì)供電連續(xù)的要求又有手動(dòng)和自動(dòng)之分。負(fù)載不同，并不是轉(zhuǎn)換時(shí)間越短越好，一些設(shè)備因有殘余電壓，為防止過(guò)電流斷電后需要有間隔時(shí)間。典型斷電時(shí)間要有具體負(fù)載來(lái)定。

1.5 其他指標(biāo)要求

功率因數(shù)、電流不平衡度、浪涌電流、脈沖負(fù)載限制、躍變負(fù)載限制等。這些指標(biāo)對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)電質(zhì)量有影響，影響整個(gè)電網(wǎng)的平衡，影響負(fù)載工作效果和壽命。功率因數(shù)在發(fā)電機(jī)及集控臺(tái)有顯示值，不必再次測(cè)量；電流不平衡度是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的重要指標(biāo)，是必測(cè)指標(biāo)；其他指標(biāo)是否測(cè)量，視艦船所帶負(fù)載情況及具體要求情況而定。

2 艦船電力系統(tǒng)電力品質(zhì)測(cè)試選點(diǎn)

電力品質(zhì)測(cè)試貫穿于艦船建造的整個(gè)過(guò)程中。艦船建造完成交付用戶使用前，要從系統(tǒng)角度進(jìn)行一次電力品質(zhì)測(cè)試。此時(shí)測(cè)試應(yīng)重點(diǎn)考慮實(shí)用性、全面性和可行性。實(shí)用性重點(diǎn)考慮負(fù)載的需求，全面性重點(diǎn)是看重要設(shè)備對(duì)應(yīng)重要指標(biāo)，可行性考慮操作人員對(duì)測(cè)試選點(diǎn)接線即安全可操作又能完好的采集測(cè)量結(jié)果。

以某型艦鑒定試驗(yàn)為例，對(duì)“電力品質(zhì)測(cè)試項(xiàng)目”進(jìn)行選點(diǎn)并指明測(cè)試指標(biāo)(指標(biāo)具體值由相關(guān)要求來(lái)定)，見(jiàn)表1。

3 測(cè)試及分析步驟

表1 電力品質(zhì)測(cè)試項(xiàng)目選點(diǎn)及測(cè)試指標(biāo)

目前，未見(jiàn)有完整艦船電力品質(zhì)測(cè)試方案的報(bào)道。一般試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中應(yīng)包括對(duì)被測(cè)設(shè)備狀態(tài)要求、測(cè)量?jī)x表、測(cè)量選點(diǎn)、所測(cè)指標(biāo)、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果評(píng)估等要素[9-10]。

1)測(cè)量?jī)x表的選取。電壓表、電流表、數(shù)字式頻率表、記憶示波器、頻譜分析儀、電流互感器、快速存儲(chǔ)儀或瞬態(tài)尖峰記錄儀。對(duì)儀表的選擇要考慮精度要求。為提高測(cè)試精度及指標(biāo)的可視分析，試驗(yàn)中使用“DRANETZ電能質(zhì)量分析儀”，此設(shè)備能同時(shí)記錄電壓電流波形圖，可采集個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)量值及時(shí)間，方便分析計(jì)算所測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)。

2)設(shè)備狀態(tài)要求。試驗(yàn)艦分別在系泊和航行2種工況下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)電機(jī)向全艦用電設(shè)備供電，用電設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)。

3)測(cè)量選點(diǎn)及所測(cè)指標(biāo)。按照表1進(jìn)行選點(diǎn)，為提高測(cè)試準(zhǔn)確性，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3次。

以表1中某點(diǎn)為例進(jìn)行測(cè)試及處理分析。

圖2是“消防泵啟動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)”中，消防泵輸入端記錄AB項(xiàng)電壓波形及處理情況。

圖2 消防泵啟動(dòng)時(shí)AB項(xiàng)電壓波形

4)數(shù)據(jù)處理。在波形圖中選取3個(gè)點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)，記錄如表2。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)信息采集表

5)結(jié)果評(píng)估。按照指標(biāo)要求瞬態(tài)頻率允差為(+16%～-10%)，瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間2 s，測(cè)試結(jié)果電壓跌落和恢復(fù)時(shí)間均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，這項(xiàng)指標(biāo)合格。

4 結(jié)論

1)艦船電力品質(zhì)指標(biāo)測(cè)試應(yīng)從電壓、電流、頻率、波形4個(gè)方面分析，重點(diǎn)測(cè)量瞬態(tài)變化時(shí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)。

2)在實(shí)例研究分析中，測(cè)試選點(diǎn)比較困難，既要考慮指標(biāo)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確性，又要考慮接線安全且不能影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。建議新型艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段引入艦船建造完成時(shí)電力品質(zhì)測(cè)試的選點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3)所形成的該型號(hào)艦船電力品質(zhì)測(cè)試方案對(duì)后續(xù)的新型號(hào)艦船用前鑒定試驗(yàn)有借鑒作用。

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Research of Power Quality Index and Quality Test Method for Ship Electric Power System

QI Shuang-bin

(No. 91404 Unit of PLA, Qinhuangdao Hebei 066001, China)

The testing indexes of AC power quality was summarized and analyzed, the methods of index assessment of ship in service were discussed. A case study was carried out according to a certain type warship design finalizing test, so as to put forward a feasible method for power quality testing from the perspective of ship overall power system.

warship; power system; power quality; index analysis; test experiment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.015

2016-09-24

戚雙斌(1981—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：船舶電力技術(shù)

U665

A

1671-7953(2017)04-0069-04

修回日期：2016-10-31