中圖分類號：U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on the Configuration Scheme of Testing Equipment forHigh-CapacityAC/DC ShipboardPower Stations

YANG Yanan（Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group） Co.，Ltd.，Shanghai20o129，China）

Abstract： This paper addresses the issue that domestic shipyards lack experience in the configuration of mooring test equipment for AC/DC power stations with relevant capacity levels， especially regarding the first applicationoflarge-capacity medium-voltage DC integrated power systems on vessels.Based on thedemand analysis for the mooring test of a ship's large-capacityAC/DC power station，a comprehensive configurationscheme for the power station's test load，cables，andcable trays is proposed.This solution resolves the chalengesof providing the necessary test conditions for high-capacityAC/DC shipboard power stations and offers areference for the application of similar systems on other vessels.

Key words： high-capacity AC/DC power station; testing equipment; configuration scheme

1 引言

隨著我國綜合電力系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域的快速發(fā)展，第二代綜合電力系統(tǒng)—中壓直流綜合電力系統(tǒng)由研發(fā)階段開始進(jìn)入實(shí)船應(yīng)用階段。某船是國內(nèi)首次應(yīng)用大容量中壓直流綜合電力系統(tǒng)，通過中壓直流電站、低壓交流電站為全船供電。全面充分地開展電站系泊試驗(yàn)是檢驗(yàn)和驗(yàn)證綜合電力系統(tǒng)功能特性、性能指標(biāo)精度和運(yùn)行可靠性的唯一手段，也是后續(xù)所有系泊試驗(yàn)基礎(chǔ)，更是保障新船海上航行試驗(yàn)成功的重要前提。但目前國內(nèi)船廠尚無大容量中壓直流電站的試驗(yàn)調(diào)試及驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)，電站調(diào)試工裝配置方案是船廠試驗(yàn)保障能力建設(shè)首先需要攻克的難點(diǎn)。由于大容量交直流電站的電制特殊、總功率等級高且試驗(yàn)工況相對常規(guī)電站復(fù)雜，為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行及保障人員和設(shè)備安全，需要對電站調(diào)試工裝的配置安裝進(jìn)行研究，明確中壓及低壓電站調(diào)試工裝的綜合配置方案。下文將分別從試驗(yàn)負(fù)載、試驗(yàn)電纜導(dǎo)架等方面對調(diào)試工裝的詳細(xì)配置方案進(jìn)行研究和闡述。

2大容量交直流電站試驗(yàn)工裝需求分析

根據(jù)GB/T13032-2010《船用柴油發(fā)電機(jī)組》及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、本船系泊試驗(yàn)大綱的要求，柴油發(fā)電機(jī)組裝船后在船廠碼頭開展系泊試驗(yàn)時，需要完成機(jī)組調(diào)速特性試驗(yàn)，機(jī)組調(diào)壓特性試驗(yàn)以及發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)等。本船電站系泊試驗(yàn)中，需要配置的試驗(yàn)工裝主要有中壓直流電站模擬試驗(yàn)負(fù)載（以下簡稱試驗(yàn)負(fù)載）、低壓交流試驗(yàn)負(fù)載試驗(yàn)、試驗(yàn)負(fù)載饋電電纜（以下簡稱試驗(yàn)電纜）及中壓試驗(yàn)電纜用導(dǎo)架。其中試驗(yàn)負(fù)載是指給電站外加的一套能夠方便、快捷調(diào)節(jié)電阻或電抗的負(fù)載裝置，在船廠系泊試驗(yàn)過程中使用率非常高，是進(jìn)行電站系統(tǒng)調(diào)試、完成電站系統(tǒng)性能評測的關(guān)鍵工裝之一。本船電站包含了中壓直流電制和低壓交流電制，總?cè)萘扛哌_(dá)幾十兆瓦級，相對常規(guī)電站，電站試驗(yàn)負(fù)載需求具備以下幾個特點(diǎn)。

2.1中壓直流電站電制特殊

目前，船廠配置的試驗(yàn)負(fù)載裝置通常為中小功率交流中壓或低壓智能干式負(fù)載箱，通過電力電子變換裝置用于中壓直流電站試驗(yàn)的代價較高。因此，目前國內(nèi)如703所、中國船舶電站公司等陸續(xù)開展了大功率中壓直流干式負(fù)載箱的研制工作[2-3]，并已經(jīng)在中壓直流發(fā)電機(jī)組的出廠試驗(yàn)和陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中成功應(yīng)用。但國內(nèi)行業(yè)內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對中壓直流負(fù)載的規(guī)格、配置等進(jìn)行統(tǒng)一要求，船廠也尚無相關(guān)大功率中壓直流負(fù)載的成熟選型應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2.2不同電源試驗(yàn)負(fù)載調(diào)節(jié)范圍和精度要求不同

本船電站由不同電制、不同容量等級（幾兆瓦至幾十兆瓦）、不同種類（燃發(fā)機(jī)組、柴發(fā)機(jī)組、逆變電源）的電源組成，不同電源的功率特性和功率等級相差較大，對試驗(yàn)負(fù)載的調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度要求不同，在試驗(yàn)負(fù)載總?cè)萘看_定的前提下，單臺試驗(yàn)負(fù)載容量配置過大會影響試驗(yàn)負(fù)載的調(diào)節(jié)精度，配置過小會導(dǎo)致試驗(yàn)負(fù)載布置場地需求、轉(zhuǎn)運(yùn)安裝工作量增大。

2.3試驗(yàn)負(fù)載使用環(huán)境特殊

目前，中壓直流綜合電力系統(tǒng)已完成陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，其電站試驗(yàn)工裝的配置及安裝方案為船廠系泊試驗(yàn)提供了一定的工藝基礎(chǔ)。船廠系泊試驗(yàn)時試驗(yàn)負(fù)載通常是在船上露天甲板或船岸碼頭臨時安裝，在試驗(yàn)負(fù)載使用期間，正是船舶下水后裝作業(yè)的最后階段，周期緊張，船岸之間的建造施工、配建調(diào)試人員流動性較大，對負(fù)載的正常工作環(huán)境條件、安全性、移動性都有更高的要求[4]。

因此，對于船廠來說，試驗(yàn)負(fù)載的配置既要綜合考慮功能性能需求，又要考慮負(fù)載安裝使用的安全性和便捷性，同時還要兼顧后期的擴(kuò)展性，盡量避免一船專購專用的現(xiàn)象。

經(jīng)市場調(diào)研，目前業(yè)內(nèi)有4MW或8MW等級的新研中壓直流干式負(fù)載箱5，考慮到兼顧試驗(yàn)負(fù)載的調(diào)節(jié)精度、安裝場地需求、轉(zhuǎn)運(yùn)效率、通用性及可擴(kuò)展性，采用多臺8MW中壓直流干式負(fù)載箱配置方案，并進(jìn)一步對試驗(yàn)負(fù)載提出以下具體技術(shù)要求。

3.1中壓試驗(yàn)負(fù)載設(shè)計要求

1）環(huán)境要求

不同于設(shè)備出廠試驗(yàn)用試驗(yàn)負(fù)載，系泊試驗(yàn)用中壓試驗(yàn)負(fù)載的存儲條件是室外露天環(huán)境，為保證試驗(yàn)負(fù)載在船廠露天碼頭或港池的特殊環(huán)境條件下能正常工作，對其環(huán)境溫度適應(yīng)性要求為 ，相對濕度 5 0 ～ 9 5 % ，防水防風(fēng)級別上要能保證可以全天候使用?？紤]到碼頭水域的特殊性，負(fù)載箱還必須考慮鹽霧、油霧和霉菌的影響。

2）使用性能要求

考慮到電站的功率儲備系數(shù)以及試驗(yàn)負(fù)載的經(jīng)濟(jì)性，中壓電站試驗(yàn)負(fù)載容量以并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)最大工況試驗(yàn)負(fù)載需求為下限值進(jìn)行配置，考慮到試驗(yàn)負(fù)載老化情況下效率的下降，要求試驗(yàn)負(fù)載還具有不小于1小時的 1 1 0 % 額定負(fù)載過載能力。表1是對中壓直流試驗(yàn)負(fù)載具體的使用性能要求。

3）主要功能要求

3 電站試驗(yàn)負(fù)載配置方案

本船電站試驗(yàn)負(fù)載配置的難點(diǎn)在中壓試驗(yàn)負(fù)載。

中壓負(fù)載箱應(yīng)能單臺或多臺通過網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)為每臺中壓直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)、靜態(tài)特性試驗(yàn)、動態(tài)特性試驗(yàn)以及多臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行帶載試驗(yàn)提供精確的試驗(yàn)負(fù)載，主要功能要求如下：

（1）具備優(yōu)化分段式投入方式可設(shè)置工作模式（單機(jī)特性，并聯(lián)運(yùn)行）及功率和試驗(yàn)時間等，所有試驗(yàn)自動加載一鍵式操作；（2）模擬負(fù)載可同時突增和突減，系統(tǒng)應(yīng)具有發(fā)電機(jī)組靜態(tài)、突加、突卸測試，數(shù)據(jù)實(shí)時采集、顯示、分析等功能，可以自動生成各種圖表、曲線及檢測報告；（3）多臺負(fù)載的操作可以在同一臺電腦的同一頁面操作負(fù)載的加減工作；能通過RS485口或以太網(wǎng)接口從電站系統(tǒng)的電量采集模塊獲取信息；（4）自帶絕緣檢測功能，能夠?qū)ぷ麟娫催M(jìn)行相序自動檢測和轉(zhuǎn)換；（5）對負(fù)載箱內(nèi)的散熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行集成控制，并監(jiān)測各風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況；（6）數(shù)據(jù)存儲采用本地存儲，集中顯示，數(shù)據(jù)完整和安全。

4）物理特性要求

考慮到試驗(yàn)負(fù)載的轉(zhuǎn)運(yùn)便捷性、通用性，要求負(fù)載箱按通用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱設(shè)計，采用40英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，負(fù)載箱的正面、側(cè)面的進(jìn)線及維修空間不大于 3 m 。負(fù)載箱室外露天安裝，需滿足電氣部分IP44的防護(hù)等級要求；負(fù)載箱的進(jìn)風(fēng)及排風(fēng)均需考慮防雨措施；負(fù)載箱在規(guī)定的環(huán)境條件、按照使用維護(hù)說明書使用以及維修保養(yǎng)情況下，預(yù)期工作壽命 ? 4 0 年，電子元器件壽命 ? 1 0 年。

5）負(fù)載箱附屬設(shè)備要求

由于中壓負(fù)載箱的冷卻風(fēng)機(jī)通常由外部電源供電，而船廠碼頭的岸電箱通常為 6 3 0 A 及以上大電流供電斷路器，因此，還需要負(fù)載箱自帶風(fēng)機(jī)電源分電箱，設(shè)置1600A總開關(guān)（框架斷路器），8路250A分路開關(guān)（塑殼斷路器）、2路50A微型斷路器及浪涌等元件，并配置380/220V變壓器。

3.2低壓交流試驗(yàn)負(fù)載配置方案

本船采用多個低壓交流電站實(shí)現(xiàn)分區(qū)供配電，低壓電站系泊試驗(yàn)項(xiàng)目包含逆變電源、柴發(fā)機(jī)組、主配電板及岸電等多個設(shè)備的功能和性能試驗(yàn)，并且這幾種電源輸出特性差異大，并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)工況多，低壓主配電板上的同步點(diǎn)多達(dá)20個。因此，低壓電站的試驗(yàn)項(xiàng)目多、調(diào)試流程復(fù)雜、試驗(yàn)周期非常緊張。為了保證建造節(jié)點(diǎn)，必須采用多個低壓電站同步調(diào)試的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)負(fù)載總?cè)萘考皢闻_容量組合方式的選擇既要考慮單臺低壓電源特性調(diào)試需求，也要考慮各種電源并聯(lián)運(yùn)行調(diào)試需求，并兼顧試驗(yàn)負(fù)載后期老化后效率下降。低壓試驗(yàn)負(fù)載為市場成熟產(chǎn)品，根據(jù)上述原則確定低壓試驗(yàn)負(fù)載選型為多臺 4 . 5 M W 低壓交流3 8 0 V 智能干式負(fù)載箱（含移動式遠(yuǎn)程遙控終端）。

4負(fù)載試驗(yàn)電纜配置方案

電站試驗(yàn)負(fù)載電纜主要敷設(shè)場所為機(jī)艙、通道等船上場所及露天碼頭，需要選用耐磨抗彎型船用電纜。根據(jù)電站系統(tǒng)、試驗(yàn)負(fù)載容量等相關(guān)性能指標(biāo)，結(jié)合試驗(yàn)電纜工作環(huán)境條件，試驗(yàn)電纜選型如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)電纜從船上配電板敷設(shè)至試驗(yàn)負(fù)載的出艙電纜路徑，進(jìn)行三維模型中試驗(yàn)負(fù)載電纜放樣，計算單根試驗(yàn)電纜所需長度。形成試驗(yàn)電纜配置方案如下：

1）每個中壓試驗(yàn)負(fù)載箱配置10根 1 5 0 m 中壓直流電力電纜及電纜接線終端，并自帶 8 0 m 輔助電源用低壓交流電力電纜；2）每個低壓試驗(yàn)負(fù)載箱配置52根 1 5 0 m 低壓交流電力電纜。

5中壓試驗(yàn)電纜導(dǎo)架配置方案

中壓試驗(yàn)電纜工作電壓高，通電狀態(tài)下載流量高、電動力大，其電纜直徑大、彎曲半徑大、單位重量重等特性，因此需要重點(diǎn)考慮試驗(yàn)電纜出艙路線及沿途施工人員安全問題。中壓試驗(yàn)電纜需按照中壓直流電纜敷設(shè)工藝進(jìn)行臨時固定敷設(shè)，開展中壓電纜臨時敷設(shè)導(dǎo)架（以下簡稱電纜導(dǎo)架）的選型配置研究。

5.1 電纜導(dǎo)架分類及特點(diǎn)

電纜導(dǎo)架分為槽式、托盤式、梯級式、網(wǎng)格式等結(jié)構(gòu)，梯級式電纜導(dǎo)架重量輕、散熱透氣好，適用于直徑較大的電纜敷設(shè)；托盤式電纜導(dǎo)架載荷大、造型美觀；槽式電纜導(dǎo)架是一種全封閉式型電纜導(dǎo)架，抗干擾和耐腐蝕防護(hù)效果較好，但安裝維護(hù)沒有前兩種形式的導(dǎo)架簡單。

5.2電纜導(dǎo)架配置方案

中壓試驗(yàn)電纜從船上中壓配電板敷設(shè)至碼頭試驗(yàn)負(fù)載，其中船上部分的試驗(yàn)電纜臨時使用船上的固定電纜導(dǎo)架，碼頭部分的試驗(yàn)電纜需要配置臨時電纜導(dǎo)架。考慮到船廠碼頭的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、人員流動性大、電站試驗(yàn)周期長等因素，不適合按常規(guī)陸上室外電纜敷設(shè)方式挖制電纜溝槽敷設(shè)電纜。

中壓負(fù)載箱每箱配置12根中壓電纜（每根電纜外徑 ），彎曲半徑為電纜外徑9倍以上，考慮到盡量減少電纜敷設(shè)占用場地，在中壓負(fù)載箱底部預(yù)留進(jìn)線孔，抬高安裝負(fù)載箱，將中壓電纜導(dǎo)架布置在負(fù)載箱底部，實(shí)現(xiàn)電纜底部進(jìn)線。考慮到中壓電纜敷設(shè)密度大、散熱需求高，同時兼顧電纜的露天敷設(shè)環(huán)境，碼頭試驗(yàn)電纜導(dǎo)架采用梯型導(dǎo)架加電纜保護(hù)罩的方式，在生產(chǎn)設(shè)計階段按導(dǎo)架放樣長度配置電纜保護(hù)罩，在電纜敷設(shè)后通過螺栓連接在導(dǎo)架上。圖1為電纜導(dǎo)架及保護(hù)罩三維示意圖。負(fù)載箱拾高安裝采用如圖2所示的箱腳型支架，均勻分布支撐在負(fù)載箱的邊緣和中部。

6 結(jié)語

通過對大容量交直流電站系泊試驗(yàn)需求分析，明確了電站試驗(yàn)負(fù)載、電纜及導(dǎo)架的綜合配置方案，為下一步公司生產(chǎn)保障部門的工裝采購招標(biāo)、碼頭安裝保障提供了采購支撐和技術(shù)依據(jù)，有效解決了電站系泊試驗(yàn)的條件保障難題，為該項(xiàng)目系泊試驗(yàn)的順利開展提供了工藝技術(shù)支撐，可為其它船舶應(yīng)用大容量交直流電站提供參考。

參考文獻(xiàn)

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