張 優(yōu)，陳超君，周祎隆，郭志剛

應(yīng)用研究

科考船實(shí)驗(yàn)室供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 優(yōu)1，陳超君1，周祎隆1，郭志剛2

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院上海 200011；2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司上海 201913)

現(xiàn)代科考船安裝有大功率變頻器和精密科考儀器，日趨嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波和日益增長(zhǎng)的潔凈電源需求形成嚴(yán)重矛盾；同時(shí)為了保障科考任務(wù)正常進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室供電的連續(xù)性和安全性越發(fā)重要。為了向?qū)嶒?yàn)室設(shè)備提供潔凈、連續(xù)、安全電源，本文分析了隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)組、UPS等設(shè)備的工作原理，介紹了電纜的選型、敷設(shè)、接地等的原則：有利于提高電網(wǎng)抗干擾性、連續(xù)性和安全性。并對(duì)普通隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)組、UPS的抗干擾性能進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比：電機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出的諧波最小，普通隔離變壓器輸出的諧波最大，科考UPS輸出的諧波和電機(jī)-發(fā)電機(jī)組相近，因同時(shí)具有低諧波、不間斷供電的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室供電上具有優(yōu)勢(shì)。

電磁兼容 隔離變壓器 電機(jī)-發(fā)電機(jī)組 UPS 絕緣監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)

0 引言

科考船能夠使科學(xué)工作者直接應(yīng)用專門儀器觀測(cè)海洋、采集樣品和研究海洋，具有多學(xué)科、多功能、多技術(shù)的特色。而船舶電力系統(tǒng)屬于小型孤島電網(wǎng)，容量較小，運(yùn)行工況復(fù)雜，易受負(fù)荷運(yùn)行變化影響，抗干擾能力弱。為了確?？瓶即_、實(shí)時(shí)和連續(xù)地采集和處理數(shù)據(jù)，除了要求船舶搭載的探測(cè)設(shè)備和儀器具有專業(yè)性和精密性外，還要求船舶提供潔凈、連續(xù)、安全的供電。目前科考船電能質(zhì)量存在的主要問(wèn)題有：

1）電網(wǎng)諧波和電磁干擾：現(xiàn)代科考船大多是綜合電力推進(jìn)船舶，安裝有大功率變頻動(dòng)力設(shè)備，諧波的大量注入會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，極大影響電力系統(tǒng)裝置、乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。尤其是諧波和電磁干擾被傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室電網(wǎng)后，可降低精密儀器測(cè)量和處理數(shù)據(jù)的精度，影響作業(yè)的效率，甚至導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。

2）電網(wǎng)波動(dòng)和中斷：船舶上大型電機(jī)起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)電壓、電流的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致電網(wǎng)中斷?？瓶即瑢?shí)驗(yàn)室作為數(shù)據(jù)的采集、分析和處理中心，不能因電源的中斷而導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)的丟失；即使在電源設(shè)備檢修維護(hù)期間，科考工作也應(yīng)保持正常進(jìn)行。供電系統(tǒng)應(yīng)具有冗余性和可維護(hù)性：

3）電網(wǎng)故障和安全：船舶上最常見(jiàn)的故障為接地故障，如不及時(shí)排除可能會(huì)發(fā)展成短路故障，引起全船失電、船舶失去動(dòng)力甚至產(chǎn)生火災(zāi)等后果，必須采取有效措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防，提升故障排除效率，提高電網(wǎng)安全可靠性。

本文結(jié)合船舶電網(wǎng)和科考設(shè)備的特點(diǎn)，基于向其科考實(shí)驗(yàn)室設(shè)備提供潔凈、連續(xù)、安全電源的原則，對(duì)供電基本方案進(jìn)行歸納和總結(jié)，對(duì)科考船舶的設(shè)計(jì)具有參考作用。

1 供電網(wǎng)絡(luò)的潔凈性

電磁兼容問(wèn)題包括電磁干擾源、傳播途徑和設(shè)備抗干擾能力三大要素[2]。本文重點(diǎn)闡述在船舶設(shè)計(jì)中對(duì)干擾源、耦合路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，有效抑制諧波和干擾。

1.1 提高干擾源的性能

電力推進(jìn)科考船的干擾源主要是動(dòng)力設(shè)備的大功率變頻器。變頻器整流器一般采用6脈波、12脈波、虛擬24脈波、24脈波、有源前端（AFE）等。6脈波、12脈波、虛擬24脈波、24脈波統(tǒng)稱為多脈波整流變頻器，相數(shù)越多變頻器注入電網(wǎng)的諧波含量越小[3]，缺點(diǎn)是設(shè)備多重量大，對(duì)船舶空間要求高。有源前端變頻器（AFE）的整流模塊采用全控型電子器件IGBT和LCL濾波器，既可作為整流器，也可作為逆變器，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)控制，在混合動(dòng)力船舶應(yīng)用中具有靈活、高效的特點(diǎn)[4]，對(duì)輸入電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波小，但易形成諧振回路，存在放大諧波、造成電網(wǎng)不穩(wěn)定的隱患。

近年來(lái)由于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流電網(wǎng)技術(shù)因具有節(jié)能減排、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)無(wú)需同步等特點(diǎn)得到了應(yīng)用。直流電網(wǎng)雖然“隔斷”了推進(jìn)變頻器向交流電網(wǎng)饋送諧波的通道，但因直流-交流逆變器、以及交流電網(wǎng)上變頻器和UPS等設(shè)備的使用，交流電網(wǎng)上的諧波也不能忽視，需采取適當(dāng)抑制措施以提高電能品質(zhì)。

1.2 抑制諧波干擾的影響

除了提高干擾源的性能外，在實(shí)驗(yàn)室供電網(wǎng)絡(luò)上還應(yīng)設(shè)置必要的設(shè)備、采取適當(dāng)?shù)碾娎|敷設(shè)和連接工藝，以消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射。因隔離變壓器、電機(jī)-發(fā)電機(jī)、UPS等設(shè)備具有降低電網(wǎng)諧波和電磁干擾的功能，在科考船上得到了應(yīng)用。

1.2.1采用隔離變壓器

1）普通隔離變壓器

實(shí)驗(yàn)室是各種非線性儀器集中工作的場(chǎng)所，電流的畸變會(huì)影響船舶電網(wǎng)的正常工作；同時(shí)船舶電網(wǎng)上的動(dòng)力、輔助等設(shè)備也較復(fù)雜，變頻電機(jī)引起的諧波、大功率設(shè)備的起動(dòng)沖擊會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備產(chǎn)生影響，因此實(shí)驗(yàn)室供配電網(wǎng)和船舶電網(wǎng)之間需要進(jìn)行隔離。隔離變壓器因初級(jí)和次級(jí)繞組沒(méi)有任何電氣連接，完全獨(dú)立、相互絕緣，除了對(duì)電源電壓進(jìn)行變換外，還能切斷干擾源的耦合傳輸通道，其較大的阻抗還能減小負(fù)載側(cè)電網(wǎng)的短路電路，因此成為實(shí)驗(yàn)室的基本供電設(shè)施，其原理見(jiàn)圖（1）所示。

電網(wǎng)干擾就形式和傳輸途徑而言分為共模干擾和差模干擾。變壓器是靠磁耦合實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的能量變換，抑制差模干擾的能力較弱。初級(jí)、次級(jí)繞組間存在分布電容，雖然對(duì)低頻共模干擾起到一定抑制作用，但對(duì)高頻共模干擾的抑制效果卻隨干擾頻率的升高而下降。要提高對(duì)差模干擾和高頻共模干擾的抑制能力，需要采用屏蔽隔離變壓器。

2）屏蔽隔離變壓器

屏蔽隔離變壓器，即在普通隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈之間插入一層金屬并將之與接地端相連，接地電阻要盡可能小，其原理見(jiàn)圖（2）所示。該金屬層將初級(jí)和次級(jí)線圈之間的耦合電容C分為兩個(gè)小電容C1、C2，隨著電容的減小，電容容抗值會(huì)增大，一定范圍內(nèi)的高頻共模干擾得到抑制。

如果要求對(duì)高頻差模干擾進(jìn)行抑制，需在屏蔽隔離變壓器上采用低阻抗的金屬條，將上述屏蔽層與初級(jí)的輸入端相連接，其原理見(jiàn)圖（3）所示。由電路原理可知，對(duì)于基波頻率為50 Hz/60 Hz的電源，初級(jí)和屏蔽層之間的容抗很高，基波電源仍通過(guò)變壓器送到負(fù)載側(cè)，該金屬條不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響；但對(duì)于頻率較高的差模干擾，由于初級(jí)繞組和屏蔽層之間的電容容抗趨于變小，極易將高頻干擾信號(hào)傳輸?shù)酱渭?jí)，屏蔽層與初級(jí)繞組之間的低阻抗金屬條可將有害的差模干擾短路，提高了抗干擾能力。

（圖1 幾種隔離變壓器原理圖。其中C、C1、C2分別表示耦合電容，ZE表示對(duì)地電阻）

1.2.2采用濾波器

對(duì)于安裝有特別敏感設(shè)備、或有特殊要求的實(shí)驗(yàn)室，需對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧波分析，并根據(jù)分析結(jié)果在該區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)的輸入回路上設(shè)置有源或無(wú)源濾波器，對(duì)諧波進(jìn)行消除。

濾波器分無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器是利用電器元件對(duì)系統(tǒng)的電感、電容和電阻進(jìn)行匹配，濾除某次諧波，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易形成諧振回路，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。有源濾波器由指令電流運(yùn)算部分和補(bǔ)償電流發(fā)生部分組成，當(dāng)需要對(duì)變頻器產(chǎn)生的高次諧波干擾進(jìn)行抑制的時(shí)候，有源濾波器首先對(duì)高次諧波分量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算得到補(bǔ)償電流，轉(zhuǎn)化為信息傳輸給補(bǔ)償電流發(fā)生電路，通過(guò)這種方式對(duì)高次諧波干擾進(jìn)行抑制[6]，降低或消除電網(wǎng)中的諧波電流成分，提升電網(wǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤，又不會(huì)產(chǎn)生諧振。濾波器是屬于“事后補(bǔ)救”式諧波治理，需根據(jù)實(shí)際需求綜合評(píng)估后實(shí)施。

1.2.3采用電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組

圖2 電機(jī)-發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)示意圖

電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，主要由電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間只是機(jī)械連接，沒(méi)有任何電氣連接，徹底隔離船舶電網(wǎng)的諧波和干擾，其輸出電壓接近理想的正弦波，為實(shí)驗(yàn)室精密設(shè)備提供清潔電源。系統(tǒng)圖如圖2所示。

1.3 優(yōu)化電纜選型和敷設(shè)

船用設(shè)備在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中要考慮電磁兼容，減小所產(chǎn)生的干擾，并使自身有較強(qiáng)的抗干擾能力，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。對(duì)電纜的進(jìn)行合理選型,采用良好的電纜連接、安裝和保護(hù)工藝，有助于提高設(shè)備的電磁兼容性。船舶上電氣或電子設(shè)備之間的電磁干擾，大多是通過(guò)設(shè)備外部電纜間的電磁耦合并從設(shè)備的端口（包括電源、通信、接地等）進(jìn)入設(shè)備的，耦合途徑主要是電容性耦合、電感性耦合和輻射耦合。電纜本身為了抑制這三種耦合，相對(duì)應(yīng)的方法就是電纜的靜電屏蔽、電磁屏蔽和輻射屏蔽[9]。

目前主流的抑制電磁干擾的手段為在強(qiáng)電設(shè)備或電纜外加裝磁性屏蔽材料，對(duì)于磁性屏蔽材料的制造、安裝工藝等相關(guān)技術(shù)研究較多，并取得一定的成果[10]。船舶和實(shí)驗(yàn)室儀器的電力電纜、信號(hào)電纜、控制電纜應(yīng)具有金屬鎧裝層，信號(hào)電纜、控制電纜內(nèi)部應(yīng)具有屏蔽層。電纜內(nèi)部屏蔽層一端接地，可抑制電容性耦合；電纜金屬鎧裝層作為外屏蔽層進(jìn)行兩端或多端接地，可抑制電感性耦合；電纜的內(nèi)屏蔽層和金屬鎧裝層均可抑制輻射耦合。電纜的屏蔽層和金屬鎧裝層必須具有足夠的編織密度，以確保屏蔽的連續(xù)性和可靠性。發(fā)射信號(hào)采用抗干擾能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定的同軸電纜或射頻電纜。光纖電纜因不受外界電磁信號(hào)的干擾、信號(hào)的衰減速度慢、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，特別適用于電磁環(huán)境惡劣的處所，在船舶上得到了推廣。

電力電纜、控制電纜和信號(hào)電纜應(yīng)分類敷設(shè)，防止電纜間的電磁干擾。不同類別的電纜，平行敷設(shè)時(shí)應(yīng)至少相距50 mm，交叉通過(guò)時(shí)應(yīng)盡量垂直并遠(yuǎn)離。電纜在貫穿艙壁和甲板時(shí)，既不能破壞原艙壁和甲板的水密性，也不能破壞相關(guān)處所的電磁兼容性。對(duì)電磁場(chǎng)敏感的儀器間，所有進(jìn)入該處所的電纜（包括臨時(shí)電纜）應(yīng)采用帶電磁屏蔽功能的穿艙件。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備原則上由設(shè)置在該處所內(nèi)的分電箱供電，如需向其他實(shí)驗(yàn)室供電，該電纜應(yīng)敷設(shè)在金屬保護(hù)套管內(nèi)，以增加金屬屏蔽保護(hù)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大功率設(shè)備要設(shè)獨(dú)立供電回路，避免其起動(dòng)或停止時(shí)對(duì)科考電網(wǎng)造成沖擊。對(duì)于一定功率的變頻設(shè)備，變頻器到設(shè)備之間應(yīng)采用3+3E結(jié)構(gòu)的變頻電纜，該結(jié)構(gòu)可以使3個(gè)絕緣接地線芯形成對(duì)稱平衡狀態(tài)，電流分量不會(huì)疊加，有效降低高次諧波對(duì)變頻電纜的不利影響，同時(shí)降低感應(yīng)電壓不平衡并將共態(tài)噪聲傳回傳動(dòng)系統(tǒng)[11]。

2 供電網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的意外失電，可能會(huì)造成計(jì)算機(jī)程序中斷、數(shù)據(jù)丟失等，需設(shè)置不中斷電源UPS。UPS的原理為：通過(guò)蓄電池對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放，在電網(wǎng)故障時(shí)，將蓄電池的電能通過(guò)逆變器不間斷地向負(fù)載供電。在科考船上主要有UPS單機(jī)供電、雙機(jī)供電等方式。

UPS單機(jī)系統(tǒng)是最常用的方案，其原理圖如圖3所示。工作模式為：（1）正常供電：主電源通過(guò)整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電，同時(shí)向蓄電池進(jìn)行充電管理。（2）蓄電池供電：主電源故障或者整流器故障而導(dǎo)致直流母線電壓低于電池電壓時(shí)，蓄電池經(jīng)逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電。（3）旁路供電：逆變器失電或故障時(shí)，旁路電源經(jīng)旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)向負(fù)載供電。（4）維修供電：在逆變器與旁路電源同步情況下，人工將負(fù)載切換到維修旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，UPS退出運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)修理。

圖3 UPS單機(jī)供電原理圖

UPS雙機(jī)供電系統(tǒng)包括兩套UPS，是冗余的供電系統(tǒng)，以并聯(lián)方式最常見(jiàn)，其原理圖如圖4所示。正常運(yùn)行時(shí)2臺(tái)UPS共同工作并平均為全部負(fù)載供電；當(dāng)一臺(tái)UPS故障并退出進(jìn)行維護(hù)時(shí)，由另一臺(tái)正常的UPS獨(dú)立向負(fù)載供電；當(dāng)兩臺(tái)UPS均出現(xiàn)故障時(shí)，旁路電源經(jīng)旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電，系統(tǒng)的可靠性和冗余性較高。

UPS的逆變器會(huì)對(duì)輸出電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。為了實(shí)現(xiàn)變頻變壓并抑制高頻諧波，通常采用成熟正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM），對(duì)調(diào)制波和載波的選取適當(dāng)?shù)念l比和調(diào)制比，在輸出回路采用濾波器和隔離變壓器，有效提高基波幅值、降低了低次諧波干擾。由于感性負(fù)載本身對(duì)高次諧波具有濾波作用，高次諧波對(duì)感性負(fù)載的影響很小，UPS的電網(wǎng)質(zhì)量滿足設(shè)備的使用需求。應(yīng)注意的是，在采用SPWM的供電系統(tǒng)中，高頻諧波中的d/d、d/d會(huì)產(chǎn)生共模干擾和差模干擾。d/d和d/d越大，設(shè)備的電磁輻射能量越強(qiáng)，因此UPS設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足IEC60533《船舶電氣設(shè)備和電子設(shè)備的電磁兼容性》。另外，兩臺(tái)UPS的輸出端并接在一起，存在環(huán)流，電能消耗較大；如輸出端發(fā)生短路故障，導(dǎo)致兩臺(tái)UPS同時(shí)停機(jī)，需在平時(shí)多加注意設(shè)備的維護(hù)和檢修。

圖4 UPS雙機(jī)并聯(lián)供電原理圖

3 供電網(wǎng)絡(luò)的安全性

船舶低壓供電系統(tǒng)通常為三相三線絕緣、設(shè)備外殼接地保護(hù)的IT系統(tǒng)，沒(méi)有專用中線和接地線。IT系統(tǒng)中電氣設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地。當(dāng)由于相線碰殼、絕緣損害、金屬外殼聚集大量的靜電等因素導(dǎo)致外殼帶電時(shí)，保護(hù)接地可以大大減少工作人員觸電的危險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)室儀器的電源盡量采用三孔插頭和插座，利用專用接地端提供保護(hù)。對(duì)于一些帶兩孔插頭的設(shè)備，如這些設(shè)備的金屬殼體需要進(jìn)行安全接地，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室配置專用的接地銅條，采用專用的接地電纜將設(shè)備的金屬外殼和接地銅條進(jìn)行牢固的連接。實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)儀器應(yīng)采用獨(dú)立的導(dǎo)線進(jìn)行接地, 不能將多臺(tái)儀器的接地端子串聯(lián)后再共用一根導(dǎo)線接地，因?yàn)檫@種接法不僅會(huì)因公共阻抗產(chǎn)生電位，也會(huì)由某端地線斷開(kāi)導(dǎo)致整個(gè)接地線路開(kāi)路，形成安全隱患。

實(shí)驗(yàn)室電線、水管比較集中，設(shè)備易因受潮、破損、腐蝕等原因造成線路漏電。船舶電源為IT系統(tǒng)，單相發(fā)生接地故障時(shí)的故障電流很小，不會(huì)造成故障回路保護(hù)器的切斷，但是故障相的對(duì)地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，如設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行，則會(huì)加快電氣設(shè)備及電纜的絕緣老化，如絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，則發(fā)展成相間短路而使事故擴(kuò)大，所以對(duì)于IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)非常重要。

傳統(tǒng)的絕緣檢測(cè)方法是在配電板母排上設(shè)置絕緣檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能對(duì)船舶的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的絕緣監(jiān)測(cè)，而對(duì)發(fā)生故障的原因、線路等無(wú)法提供更加精確的信息，故障點(diǎn)的排查困難且工作量很大[12]。為了提高故障排查的效率，應(yīng)采用先進(jìn)的絕緣監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)，工作原理見(jiàn)圖5[13]：絕緣監(jiān)視儀連續(xù)測(cè)量IT電網(wǎng)內(nèi)相線和地之間的絕緣阻值，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣值降至預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，絕緣監(jiān)視儀輸出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)其內(nèi)部的絕緣故障測(cè)試電流發(fā)生裝置發(fā)送測(cè)試電流信號(hào)，并由安裝在發(fā)生絕緣故障回路中的測(cè)量電流互感器監(jiān)測(cè)到該電流信號(hào)后進(jìn)行精確定位[14～15]，提高工作效率，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

圖5 絕緣監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)原理圖

4 案例應(yīng)用

某科考船采用了直流供配電技術(shù)，變速發(fā)電機(jī)分別通過(guò)6脈波整流器向直流母排提供電源，發(fā)電機(jī)須承受6脈波整流器帶來(lái)的諧波的危害，設(shè)備本身的性能應(yīng)滿足要求。直流母排雖然“隔離”了大功率變頻設(shè)備向日用電網(wǎng)和設(shè)備提供的諧波的途徑，但交流電網(wǎng)上尤其是實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)的諧波應(yīng)加以重視。實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖6。

交流電網(wǎng)上的諧波來(lái)源主要有兩種，一種是DC-AC逆變器產(chǎn)生的諧波，另一種是交流電網(wǎng)上使用的變頻器、UPS等設(shè)備所產(chǎn)生的諧波。DC-AC逆變器產(chǎn)生的諧波可以通過(guò)在其輸出端設(shè)置濾波器進(jìn)行抑制。為了提高實(shí)驗(yàn)室的供電質(zhì)量，本船提供了3種AC230V科考電源。

1）科考普通電源：采用普通隔離變壓器，向?qū)嶒?yàn)室的普通設(shè)備和電器供電。

2）科考潔凈電源：采用電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組和屏蔽隔離變壓器向敏感儀器供電。電機(jī)-發(fā)電機(jī)機(jī)組向電網(wǎng)提供潔凈電源，如果發(fā)生故障，將自動(dòng)切換到備用的屏蔽隔離變壓器，連續(xù)提供相對(duì)潔凈的電能。

3）科考UPS電源：設(shè)置雙套UPS，正常時(shí)由兩臺(tái)UPS共同向全部負(fù)載供電；當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，由正常的UPS向全部負(fù)載供電；當(dāng)兩臺(tái)UPS均故障時(shí)，由旁路電源通過(guò)旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)向全部負(fù)載供電。為了降低整流裝置對(duì)全船AC400V電網(wǎng)的諧波干擾，整流器采用12脈波，并在輸入端設(shè)置有源濾波器。為了提高輸出電源的質(zhì)量，在輸出端設(shè)置LC無(wú)源濾波器和屏蔽隔離變壓器。

圖6 實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)示意圖

經(jīng)分析，本船在進(jìn)出港工況時(shí)，在網(wǎng)運(yùn)行的變頻設(shè)備、UPS數(shù)量較多且負(fù)荷較大，該工況被列為諧波控制和驗(yàn)證的典型工況。選取科考普通電源配電板、科考潔凈電源配電板、科考UPS電源配電板作為測(cè)試點(diǎn)，在空載時(shí)采用專業(yè)的電能質(zhì)量分析儀，基于快速傅立葉變換理論，對(duì)諧波進(jìn)行在線分析，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 進(jìn)出港工況諧波測(cè)試結(jié)果

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2018）和船東的要求，低壓配電電網(wǎng)中總的電壓諧波失真小于5%，單次電壓諧波失真小于3%。表1顯示，所有AC220V科考電網(wǎng)上的諧波均優(yōu)于船級(jí)社和船東的要求?？瓶计胀娫磁潆姲逵善胀ǜ綦x變壓器供電，諧波是測(cè)試數(shù)據(jù)中最大的。科考潔凈電源配電板，當(dāng)由電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，諧波最小；當(dāng)由屏蔽隔離變壓器供電時(shí)，諧波優(yōu)于普通隔離變壓器供電時(shí)的測(cè)量值。科考UPS電源配電板與電機(jī)－發(fā)電機(jī)供電時(shí)的諧波值相接近，因具有諧波低、不間斷供電的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室供電上更具有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

近幾年我國(guó)海洋科考事業(yè)得到了政府和科研機(jī)構(gòu)的支持，海洋科考船的研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，科研目的、科研手段和科考裝備的發(fā)展均對(duì)實(shí)驗(yàn)室供電提出了更高的要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)也迫在眉睫。在科考船舶的電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波大的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)備安全、人員安全的需求，從電源設(shè)備配置選型、設(shè)備接地處理和接地監(jiān)測(cè)、電源、信號(hào)和控制電纜的選型和施工等方面充分論證，保障科考船實(shí)驗(yàn)室電源的潔凈、連續(xù)和安全，為科考數(shù)據(jù)的精確性、實(shí)時(shí)性和連續(xù)性提供可靠的工作平臺(tái)。

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The Design of Power Distribution for the Laboratory of Scientific Research Ship

Zhang You1, ChenChaojun1, Zhou Yilong1, Guo Zhigang2

（1.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011 China；2.Jiangnang Shipyard (Group) Co. Ltd）

U674.81

A

1003-4862（2021）09-0035-06

2021-07-30

張優(yōu)（1969-），女，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣及自動(dòng)化。E-mail：zhangyou231@sina.com