杜智慧

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510715 ）

1 前言

艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是指由共同的發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生大功率的電力，同時(shí)滿足艦船所有負(fù)荷—推進(jìn)系統(tǒng)、日用負(fù)載、傳感器系統(tǒng)以及艦載武器等。它將船舶發(fā)電與推進(jìn)用電、艦載設(shè)備用電集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進(jìn)用電及其他設(shè)備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制。這種全新的推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，具有噪音低、調(diào)速性能好、效率高、可靠性好、重量體積小、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

目前綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)普遍采用大功率的變頻器等非線性負(fù)載，在變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波失真（THD）并分布到電網(wǎng)中，形成嚴(yán)重的諧波污染。諧波失真是相對(duì)于正弦電壓或正弦電流波形的偏差，CCS和DNV規(guī)范及GJB等對(duì)諧波都有明確的指標(biāo)要求。

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2012），電壓波形的總諧波失真（THD）為所含諧波的均方分根值與基波的均方根值之比（以百分比數(shù)表示），可用下式計(jì)算：

式中：VTHD——總的諧波電壓失真；

Vh——h階諧波電壓的均方根值；

V1——基波電壓的均方根植；

CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2012）規(guī)定供電電源的電壓諧波（THD）成分不大于5%；DNV規(guī)范規(guī)定，配電系統(tǒng)中的電壓諧波（THD）成分不大于5%；《艦船通用規(guī)范3組電力系統(tǒng)》中將交流電力品質(zhì)特性參數(shù)規(guī)定為：對(duì)于船舶電力系統(tǒng)，正弦波形畸變率在5%之內(nèi)，最大的單次諧波含量為3%。

2 諧波的危害

電力推進(jìn)系統(tǒng)中的諧波會(huì)污染連接到同一個(gè)電網(wǎng)上的電容器、電抗器、變壓器、電纜、電機(jī)，從而產(chǎn)生各類故障。諧波對(duì)船舶電力系統(tǒng)和其他用電設(shè)備危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）引起諧振和諧波電流放大

對(duì)諧波頻率而言，系統(tǒng)的感抗會(huì)大大增加而容抗大大減少，可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。這些諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍、十幾倍甚至幾十倍，對(duì)系統(tǒng)特別是對(duì)電容和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的的威脅，常使電容器和電抗器燒毀。

（2）對(duì)電機(jī)的影響

諧波會(huì)引起電機(jī)附加損耗，使之發(fā)熱達(dá)不到額定功率，損耗隨著諧波成分增加而增加。同時(shí)，諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過熱、絕緣老化，縮短使用壽命甚至損壞。

（3）對(duì)配電系統(tǒng)的影響

諧波電流一方面在供配電線路上產(chǎn)生諧波電壓降；另一方面，增加了線路上電流有效值從而引起附加輸電損耗。配電電纜的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著諧波電壓的最大值升高而增強(qiáng)，這就影響了電纜的使用壽命。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。高次諧波可能在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生電壓諧振，在線路上引起過電壓，可能擊穿電纜、導(dǎo)線及設(shè)備的絕緣，引起重大事故。

（4）對(duì)計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)的干擾

諧波一般通過電容耦合、電磁感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)三種方式影響計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)，載頻低的信號(hào)受影響更大。諧波會(huì)對(duì)測(cè)量、保護(hù)、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設(shè)備造成影響。諧波對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾，主要是影響磁性元件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能，從而影響計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量。諧波還使電纜在電流傳輸過程中產(chǎn)生電磁干擾，干擾船上的敏感電子器件。

（5）對(duì)繼電器和控制電路的影響

諧波會(huì)改變保護(hù)繼電器的性能，引起誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作。

3 諧波的抑制

諧波抑制的目的是采取一定的辦法將諧波減小至標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，以保證船舶電網(wǎng)及用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.1 變頻器的選用與諧波的抑制

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的變頻器是大型船舶電力系統(tǒng)諧波的主要來源，變頻器的配置直接影響到電網(wǎng)的諧波指標(biāo)。在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)船舶的電站容量和推進(jìn)、配電等設(shè)備配置情況，計(jì)算各種工況下該船的THD諧波分析或進(jìn)行仿真，選用合適的變頻技術(shù)方案，如：PMW（脈寬調(diào)頻）、PAM（脈沖幅度調(diào)頻）方式，或選擇6脈沖、12脈沖、虛擬24脈沖或純24脈沖等。

變頻器有電壓型交-直-交變頻器和電流型交-直-交變頻器，通用型變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。6脈沖變頻器是最基本的類型，應(yīng)用非常廣泛。目前發(fā)展出12脈沖變頻裝置、虛擬24脈沖、純24脈沖變頻裝置等。與6脈沖變頻裝置相比，12脈沖變頻裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)快、諧波量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)。如今在很多大容量、高壓的場(chǎng)合，6脈沖變頻器已無法達(dá)到要求。

目前多采用12脈沖變頻器,整流脈沖數(shù)越多,其整流輸出的脈動(dòng)頻率越高、脈動(dòng)周期越短、脈動(dòng)的幅值越小、輸出的電壓越高,也就越接近交流電壓的峰值。

6脈沖變頻器的波形如圖1示意；12脈沖變頻器的波形如圖2示意。

圖1 6脈波晶閘管整流電路輸入波形

圖2 12脈波晶閘管整流電路輸入波形

這種整流電路的優(yōu)點(diǎn)是把整流電路的脈波數(shù)由6提高到12，從而大大改善了輸入電流波形（見圖2），降低輸入諧波電流，總諧波電流失真約10%左右。雖然12脈波整流電路的諧波電流大大下降，但還不能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的總諧波失真小于5%的要求，虛擬24脈沖和24脈沖變頻器的總諧波失真（THD）才能滿足要求。24脈沖變頻器一般是由兩個(gè)并聯(lián)的12脈沖變頻器組成，由于要多一倍的整流逆變單元及移相變壓器，故總的設(shè)備重量和體積顯著增加，價(jià)格也較貴。

目前比較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段是采用虛擬24脈沖方案，圖3為虛擬24脈沖的典型原理圖。圖中將虛擬24脈沖分為A部分（T1、C1、M1）和B（T2、C2、M2）部分，每部分單獨(dú)來看都是12脈沖系統(tǒng)，當(dāng)他們同時(shí)工作時(shí)即母聯(lián)開關(guān)閉合時(shí)，可組成虛擬24脈沖系統(tǒng)，減少主供電回路的諧波量，可保證電網(wǎng)的總電壓諧波含量不大于5%，最大單次電壓諧波不大于3%。

圖3 虛擬24脈沖典型原理圖

3.2 有源濾波器的應(yīng)用

傳統(tǒng)的濾波手段是設(shè)置無功補(bǔ)償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。此外，這種補(bǔ)償方法損耗大，且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，難以對(duì)變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

近年來發(fā)展迅速的一種抑制諧波方案是采用有源濾波器（APF），它是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置。其基本原理是以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償，見圖4。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。

圖4 有源電力濾波裝置的工作原理圖

有源濾波器（APF）最大的優(yōu)點(diǎn)是：大幅度較少諧波，幾乎無諧波污染，可以將能量反饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的目的。在對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求非常高的場(chǎng)合，APF具有很高效的使用價(jià)值。在具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，既能提高系統(tǒng)的制動(dòng)性能，又能達(dá)到節(jié)能的目的。

4 變頻電纜的選用及敷設(shè)

由于船舶電網(wǎng)存在諧波的原因，連接電力推進(jìn)電機(jī)和推進(jìn)變頻器、推進(jìn)變壓器的電纜，在電流傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，這對(duì)船上的電子通信系統(tǒng)會(huì)嚴(yán)重干擾，同時(shí)外界電磁波也可能對(duì)其進(jìn)行干擾。為了抑制電磁干擾，減少整個(gè)船舶電網(wǎng)中的電磁輻射，同時(shí)提高電纜自身的抗干擾能力，故需采用專用的變頻電力電纜。

變頻電力電纜屏蔽由分相屏蔽和總屏蔽構(gòu)成：分相屏蔽一般采用銅帶、銅絲編織、銅絲銅帶組合或鋁塑復(fù)合帶縱包；總屏蔽可采用銅絲銅帶組合屏蔽、銅絲編織屏蔽、銅帶屏蔽、銅絲編織銅帶屏蔽等?？偲帘?鋁塑復(fù)合帶屏蔽能提供100%覆蓋，此結(jié)構(gòu)的屏蔽電纜可抗電磁感應(yīng)、接地不良和電源線傳導(dǎo)干擾，減小電感，防止感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過大。屏蔽層既起到抑制電磁波對(duì)外發(fā)射的作用，又可作為短路電流的通道，能起到中性線芯的保護(hù)作用。

變頻電力電纜均需采用對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)，對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)有3芯和3+3芯兩種。對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)有更好的電磁兼容性，對(duì)抑制電磁干擾起到一定的作用，能抵消高次諧彼中的奇次頻率，提高了抗干擾性，減少了整個(gè)系統(tǒng)中的電磁輻射。

變頻電力電纜為了防止脈沖電壓對(duì)絕緣的影響，一般選用交聯(lián)絕緣，選擇實(shí)心絕緣而不是選擇繞包絕緣，對(duì)于電纜護(hù)套材料無特殊要求。

5 施工工藝的注意事項(xiàng)

（1）采取合理的電纜敷設(shè)工藝

船上的各類電纜分類分束敷設(shè)，相互間距離一般在50 mm以上。其中變頻電力電纜要單獨(dú)敷設(shè)，距離其他類電纜應(yīng)≥200 mm。

（2）電纜連接及接地

在變頻電力電纜兩端點(diǎn)做好內(nèi)、外屏蔽的接地處理，電纜屏蔽層要可靠接到PE點(diǎn)上，接地盡可能采用單獨(dú)的接地線。

為防止諧波電磁干擾對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)及電子通信系統(tǒng)的影響，可對(duì)船上的電纜采取以下接地工藝：①對(duì)于單芯電纜，只在電源端接地；②對(duì)于RS485/RS422等串口通信信號(hào)，可采用雙屏蔽電纜，對(duì)絞線內(nèi)屏蔽在電源端接地；③對(duì)于模擬量或脈沖信號(hào)，可采用雙屏蔽電纜，對(duì)絞線內(nèi)屏蔽在電源端接地；④其他電纜兩端接地。

（3）EMC電磁兼容工藝處理

為了保護(hù)船上敏感的電子設(shè)備免受電磁干擾危害，可采取對(duì)電子設(shè)備外殼地、數(shù)字地多點(diǎn)接地的措施，以確保設(shè)備的屏蔽效能。對(duì)船上電子、通信導(dǎo)航設(shè)備比較集中的艙室確定電磁屏蔽房間，如變頻器間、報(bào)務(wù)室、雷達(dá)室、計(jì)算機(jī)室等，要求所有金屬艙壁、地板、頂板和門窗形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電面，其面上任何兩點(diǎn)的直流電阻不大于10mΩ。電纜穿過電磁屏蔽室要采用屏蔽接地工藝。

（4）變頻器的布置

變頻器在船上的布置一是要考慮對(duì)變頻器的保護(hù)，選擇安裝在恒溫艙室，振動(dòng)小、散熱、通風(fēng)佳；二是要考慮設(shè)置單獨(dú)的推進(jìn)變頻器間，變頻器間需遠(yuǎn)離敏感電子設(shè)備集中區(qū)域，同時(shí)為了減少變頻電纜拉敷距離，選擇距推進(jìn)電機(jī)盡量近的區(qū)域。

6 結(jié)語

對(duì)于諧波抑制，優(yōu)先選用虛擬24脈沖方案或24脈沖方案，可以主動(dòng)抑制諧波，從根本上減少諧波；當(dāng)諧波超出規(guī)范要求時(shí)，可選用有源濾波器，但要考慮經(jīng)濟(jì)承受能力；選用變頻電力電纜及采用合理的電纜敷設(shè)工藝及接地工藝，可以減少諧波對(duì)電網(wǎng)及船上的電器、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的損害；通過采用合理的設(shè)備選型及設(shè)計(jì)，并采用科學(xué)的施工工藝，能有效的控制船舶電網(wǎng)中的諧波。

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