劉波 陳明 侯錦福 胡成

摘 要：作為先進(jìn)的船舶動力，電力推進(jìn)的應(yīng)用對諧波干擾抑制、中壓接地、電磁兼容、絕緣等方面提出苛刻要求。通過對電力推進(jìn)系統(tǒng)原理及設(shè)計思路的闡述，結(jié)合中船黃埔文沖船舶有限公司已建電力推進(jìn)船舶所采用的電力推進(jìn)系統(tǒng)，總結(jié)出電力推進(jìn)系統(tǒng)的選擇、安裝及調(diào)試的思路及方法。

關(guān)鍵詞：船舶；綜合電力推進(jìn)；諧波抑制

中圖分類號：U664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

船舶綜合電力推進(jìn)是現(xiàn)代船舶動力發(fā)展的方向。與傳統(tǒng)船舶動力相比，電力推進(jìn)具有巨大的優(yōu)勢：燃油效率高、機動性高、自動化程度高等。船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)將在新建船舶中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)概述

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是同時為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)和船舶日常用電系統(tǒng)提供電能的統(tǒng)一系統(tǒng)，它實現(xiàn)了推進(jìn)動力與電站動力合二為一。

典型的綜合電力推進(jìn)方案框圖，如圖1所示。

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)包括：原動機單元；發(fā)電機單元；配電單元；電力變換單元；電力控制單元；推進(jìn)電機；螺旋槳等。與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)點：操控性好，倒車迅速；節(jié)能性好，發(fā)電機可以根據(jù)負(fù)荷的大小合理地發(fā)出和分配電能；可靠性高；可維修性好等。但是，電力推進(jìn)也不可避免地存在一些不足，如一次性投入成本較高、功率受限制、高負(fù)荷導(dǎo)致電機推力軸承密封易磨損等。

3 綜合電力推進(jìn)現(xiàn)狀

船舶電力推進(jìn)裝置功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進(jìn)器最具代表性。目前世界上吊艙式電力推進(jìn)器系統(tǒng)主要有：Azipod 、SSP、 Mermaid和Dolphin 4種。

ABB開發(fā)的吊艙式電力推進(jìn)器Azipod是將馬達(dá)裝入一個流線型殼體內(nèi)，螺旋槳置于殼體前端，其推進(jìn)效率高于常規(guī)螺旋槳。Azipod操作十分方便，可以在很低轉(zhuǎn)速下運行，又可作為轉(zhuǎn)向裝置。

與傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)相比，吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

（1）優(yōu)良的操縱性，只需通過改變推進(jìn)電機轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)調(diào)速；

（2）節(jié)省了船上空間，不需要傳動軸系；

（3）經(jīng)濟(jì)性好，可根據(jù)船舶電量的需求量來決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)量；

（4）噪聲低、振動小，提高了舒適性。

（5）船舶生命力強，電力推進(jìn)組成元件為電器元件，故障發(fā)生率低；

（6）自動化程度高，可以通過電能的饋送把全船電氣設(shè)備聯(lián)系起來。

3.1 50 000 t半潛船的電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

對于半潛船而言，采用電力推進(jìn)方式，可以避免常規(guī)推進(jìn)方式尾部布置煙囪對貨品裝卸的阻礙，具有布置靈活、安全高效等優(yōu)勢。

由中船黃埔文沖船舶有限公司設(shè)計和建造的50 000 t半潛船，其電力推進(jìn)系統(tǒng)主要裝備了4臺3 840 kW的主柴油發(fā)電機，通過變壓、變頻裝置供電聯(lián)合或獨立2套推進(jìn)電動機，驅(qū)動螺旋槳。該船有以下特點：采用了交流6 600 V中壓電力系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有高電壓、大功率等特點；采用了先進(jìn)的雙獨立機艙、雙螺旋槳電力推進(jìn)系統(tǒng)，在一個機艙或推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生意外的情況下，憑借另一個獨立機艙和推進(jìn)系統(tǒng)，可以繼續(xù)提供穩(wěn)定的動力；在機艙設(shè)置了中壓配電板室和低壓配電板室，并且為左右相互獨立的兩個艙室，兩邊通過常閉的隔離開關(guān)連接，既可獨立使用，也可聯(lián)合使用，有效提高了供電可靠性。

3.2 英國“果敢”號防空驅(qū)逐艦的電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

2006年2月下水的英國海軍45型“果敢”號防空驅(qū)逐艦是世界上第一艘具有全電力推進(jìn)（ FEP） 特點的戰(zhàn)艦，全動能通過電纜以電能的形式輸送給電力推進(jìn)系統(tǒng)，從而節(jié)省了大量的布置空間。另外，其靜音能力是機械推進(jìn)艦艇所無法比擬的，對于反潛作戰(zhàn)非常有益。

4 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1 抑制電網(wǎng)諧波

4.1.1 電網(wǎng)諧波概述

電力推進(jìn)系統(tǒng)大多采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，其調(diào)速范圍廣、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好，缺點是會向電網(wǎng)注入大量諧波。在船舶電網(wǎng)中，有變頻器、推進(jìn)電機、控制單元等非線性負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)這些負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于晶閘管的開關(guān)操作和二極管、晶閘管的非線性特性，將會產(chǎn)生畸變電流，從而產(chǎn)生諧波電壓，使變頻驅(qū)動系統(tǒng)故障率增加，甚至?xí)l(fā)生操舵無反應(yīng)，嚴(yán)重影響船舶航行安全。

通常用總畸變率、諧波含量和n次諧波的含有率，表示畸變波形偏離正弦波的程度。 根據(jù)國際船級社關(guān)于諧波抑制的要求，諧波電壓畸變因數(shù)THD應(yīng)在5%以下，關(guān)鍵場所則要求低于3%。

4.1.2 電網(wǎng)諧波抑制方法

4.1.2.1 提高變流器相數(shù)

通過對6脈沖整流電流進(jìn)行多重化組合，可以得到多重化的整流電路。這樣在采用相同器件時可達(dá)到更大的功率、較高的功率因數(shù)，同時還可起到減少交流側(cè)輸入電流諧波的目的。

4.1.2.2 無源濾波技術(shù)

交流電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)LC濾波器是一種能降低諧波電壓的有效手段。LC濾波器的原理是利用LC回路的電路特性，對基波呈現(xiàn)低電抗，對諧波呈現(xiàn)高阻，從而使諧波可通過濾波器而不能進(jìn)入電源系統(tǒng)。在電網(wǎng)兩端并聯(lián)濾波器時，諧波電流將會反送給負(fù)載。同時，諧波電壓明顯升高，諧波電流在變壓器和電容器之間循環(huán)振動，這樣就能起到較好的抑波作用。

無源濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器等組成。濾波器除起濾波作用外，還可利用電容器進(jìn)行無功補償。LC濾波器的種類可分為調(diào)諧和濾波器、雙調(diào)諧和濾波器、高通濾波器、C型濾波器等。濾波器一般分組使用，從而達(dá)到分類濾波的目的。

4.1.2.3 其他抑制諧波技術(shù)

（1）提高主變壓器的內(nèi)阻抗，可達(dá)到限制諧波和短路電流的目的。變壓器的原邊采用星型接法，變壓器的兩個副邊分別采用星型接法和三角型接法。當(dāng)有兩個二極管供電單元模塊時，可構(gòu)成24-脈波的連接方案，使電網(wǎng)波動平緩，從而最大限度地消除諧波干擾；

（2）采用脈沖電壓調(diào)制技術(shù)，消除電網(wǎng)諧波。在Azipod電力推進(jìn)系統(tǒng)中，有源整流單元ARU通過使用預(yù)定義的優(yōu)化的脈沖模式，降低和消除主電網(wǎng)上的諧波；

（3）采用雙重電抗器組將電站的推進(jìn)負(fù)荷母線與其他負(fù)荷母線進(jìn)行一定的隔離，也可使其他負(fù)荷的配電網(wǎng)的諧波分量維持在較低的水平；

（4）采用電動發(fā)電機組的方式，構(gòu)建日用負(fù)荷電網(wǎng)。

4.2 電磁兼容性

（1）在設(shè)備柜本身的EMC方面，通過柜壁內(nèi)側(cè)非涂漆處理實現(xiàn)。柜體各部分之間通過螺栓連接并采用EMC密封，柜門和內(nèi)部的電纜槽都裝有EMC密封；

（2）在電纜選型方面，變頻電纜必須具備優(yōu)良的電磁兼容性，能抑制電磁干擾，減少整個系統(tǒng)中的電磁輻射。屏蔽是實現(xiàn)電磁兼容、減少電磁輻射最好的方式。一般來說，電纜至少需要屏蔽90%以上的電磁輻射，銅帶繞包的覆蓋密度達(dá)100%，而銅絲編織屏蔽達(dá)不到要求；

（3）在電纜選擇方面，電機和變頻器之間的電力線必須為對稱三線屏蔽電纜或變頻電纜。為了抑制電磁干擾，主電纜采用高頻接地。電纜在托架內(nèi)走線布置，與變頻器聯(lián)接的電纜要與其他系統(tǒng)的電纜分開布置；

（4）在接線方面，電纜必須通過EMC屏蔽模塊進(jìn)入機柜；信號電纜、控制電纜、中壓電纜必須并行接入，不能交叉進(jìn)入控制屏。

4.3 中壓接地技術(shù)

中壓電力系統(tǒng)絕大多數(shù)采用中性點接地系統(tǒng)，主要為中性點高電阻接地方式，其原因是：中壓系統(tǒng)對地電容電流較大，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，不接地系統(tǒng)可能引發(fā)火災(zāi)。接地系統(tǒng)能自動檢測出故障點，并可自動切除故障；中壓電力設(shè)備的絕緣水平較低，當(dāng)運行中產(chǎn)生的過電壓超過設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時，安全運行性能將會受到破壞。

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，變壓器、變頻器、推進(jìn)電機之間加裝接地電纜，實現(xiàn)可靠接地。

4.4 絕緣性

中壓會引起導(dǎo)體和地之間閃弧，故電纜不能與其他電纜端子接觸，并至少保持55 mm的間距。

主電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)的電纜，必須滿足下列要求：

（1） 使用三芯單獨屏蔽的鎧裝電纜，如果電纜長度不超過100 m，也可以使用三根單芯電纜；

（2）使用銅芯電纜，如果使用鋁芯電纜，則對電纜頭有特殊要求；

（3）電纜最大長度不能超過300 m；

（4）電纜橫截面積，推薦使用的電纜導(dǎo)體為 3×240 mm2，屏蔽層為 3 × 35 mm2；

（5）如果電纜屏蔽層的總截面積小于單相導(dǎo)體截面積的50%，需沿著電纜增加一根地線，以防止工廠接地網(wǎng)電勢差造成屏蔽層過載。

（6）用于 LSU的電纜，按 3.3 kV 、有效值/6 kV 峰值進(jìn)行設(shè)計。

4.5 冗余設(shè)計

（1）對中壓配電板，可拆成兩個甚至更多獨立安裝的配電板，這樣既有利于布置，又可提高冗余度；

（2）電能饋送方面，一般均考慮冗余，即有兩路供電。一個饋電單元供兩個用電設(shè)備，兩個饋電單元可互相轉(zhuǎn)換備份，達(dá)到電能饋送的冗余。

5 其它

（1）針對機艙設(shè)備密集、電纜通道和風(fēng)管較多的情況，布置電纜時，由于中壓電纜外徑較粗且重量大，要注意到設(shè)備的進(jìn)線方式及電纜彎曲半徑要求，考慮單層敷設(shè)，拐彎處要平滑過渡；對中壓配電間地板夾層內(nèi)的低壓電纜和信號電纜，采用改從機艙下平臺走的方式，減輕夾層內(nèi)電纜密集及分類敷設(shè)的壓力。

（2）為了滿足RPS要求，中壓配電板和低壓配電板分為相互獨立的左右兩個艙室布置，兩邊通過常閉的隔離開關(guān)連接，既可獨立使用，也可聯(lián)合使用，有效提高了供電可靠性。

6 結(jié)束語

由于綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的操作性好、經(jīng)濟(jì)性高，已受到越來越多的關(guān)注。吊艙式電力推進(jìn)方式是當(dāng)前最流行的應(yīng)用方式?？闺娏χC波干擾、電磁兼容性、中壓接地技術(shù)、提高絕緣性等將是綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中需要研究的重點?？梢韵嘈?，在不久的將來，船舶動力將迎來“全電船”的新時代。