李建全，楊宣靖，林葉春

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315801）

0 引言

隨著大型運(yùn)輸船舶、海上重型設(shè)備、海洋工程船的快速發(fā)展，船舶需要的電力負(fù)荷越來(lái)越大，以至于低壓供電和低壓設(shè)備完全不能滿(mǎn)足實(shí)際需要[1]。另外，電力推進(jìn)船舶的快速發(fā)展促使船舶高壓電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

船舶高壓電力系統(tǒng)的主要電器有高壓真空斷路器、SF6斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)（負(fù)荷開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)）、高壓熔斷器、高壓變壓器等，以及由這些器件構(gòu)成的高壓開(kāi)關(guān)柜，并為系統(tǒng)的各種保護(hù)提供控制設(shè)備。高壓電力系統(tǒng)的保護(hù)同樣包括發(fā)電機(jī)、輸配電、變壓器、用電設(shè)備等的保護(hù)與相關(guān)報(bào)警。船舶高壓電力系統(tǒng)與低壓電力系統(tǒng)對(duì)比，船舶高壓電力系統(tǒng)接地保護(hù)方面有更加嚴(yán)格的要求。

根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商和船東的實(shí)船，設(shè)計(jì)一套船舶高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，包括發(fā)電機(jī)組、高壓配電、負(fù)載設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)完整的船舶高壓電力系統(tǒng)吸煙裝置系統(tǒng)，采用與當(dāng)前主流實(shí)船的高壓電力系統(tǒng)無(wú)縫貼合的最先進(jìn)技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)名牌的船舶高壓電力設(shè)備，完成了本船舶高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)。

1 配電裝置結(jié)構(gòu)

高壓配電屏高壓區(qū)采用IP42結(jié)構(gòu)，高壓室頂部裝有氣體減壓活門(mén)，當(dāng)有爆炸時(shí)，氣體可逸出，符合IEC pub.62271-200 （IEC pub.60092-508）和各船級(jí)社規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范要求，高壓匯流排通過(guò)隔離屏至少分成2個(gè)獨(dú)立的分段，相應(yīng)的負(fù)載對(duì)稱(chēng)布置。由于其對(duì)稱(chēng)性，選用其中的一半作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。由于一般只有側(cè)推器的電動(dòng)機(jī)（或大功率電動(dòng)機(jī)）、主推電動(dòng)機(jī)變頻裝置、冷藏變壓器（6600 V/450 V，Δ-Y）和主變壓器（6600 V/450 V，Δ-Δ）的原邊直接使用高壓電，一般送電配電使用真空斷路器（VCB），有3個(gè)負(fù)載屏。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置使用1套負(fù)載控制屏來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓負(fù)荷的控制，不明確指定是哪種具體設(shè)備。本船舶高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置單線(xiàn)圖如圖1所示，采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)屏、1臺(tái)負(fù)載屏兼岸電供電。接地保護(hù)屏是檢測(cè)電力系統(tǒng)的電壓和絕緣情況，根據(jù)需要可通過(guò)高阻放電實(shí)現(xiàn)高壓或接地的保護(hù)。

圖1 船舶高壓電站實(shí)驗(yàn)裝置單線(xiàn)圖

主發(fā)電機(jī)與斷路器之間、負(fù)載與斷路器之間、中壓匯流排2個(gè)接地屏均安裝有接地開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)三相的一端與接地點(diǎn)可靠連接。在停電維修中壓線(xiàn)路或設(shè)備時(shí)，應(yīng)合上相應(yīng)的接地開(kāi)關(guān)，以保證被維修線(xiàn)路和設(shè)備的可靠接地、防止電荷積累。

高壓配電柜主要有母線(xiàn)區(qū)、斷路器區(qū)、低壓區(qū)和外部電纜連接區(qū)4個(gè)主要部分組成，其內(nèi)部還設(shè)有接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器等，壓力減輕釋放器為避免高壓爆炸造成危害而特殊設(shè)計(jì)，其上部應(yīng)留有足夠的空間。

本高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由2屏發(fā)電機(jī)控制屏、并車(chē)控制屏、保護(hù)接地屏（GPT）、負(fù)載控制屏組成。雖然因空間有限，沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置岸電屏和左右母線(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)屏，但負(fù)載屏的設(shè)置可以模擬替代岸電介入或左右母線(xiàn)連接使用，并不影響實(shí)訓(xùn)和使用效果。

主要器件：配電裝置中主要的器件包括2臺(tái)真空斷路器，2套發(fā)電機(jī)保護(hù)單元，1套自動(dòng)并車(chē)及負(fù)載控制單元，1套高阻接地保護(hù)單元，1套電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元，1套真空接觸器。

1）真空斷路器

選用寺崎電氣的框架式高壓真空斷路器，額定電壓為7.2 KV，額定電流為659 A，額定分?jǐn)嚯娏鳛?5 kA，額定投入電流為65 kA，額定短延時(shí)耐電流25 kA /3 s，框架式構(gòu)成確?？蝮w置于高壓柜中的母線(xiàn)區(qū)，斷路器安置于斷路器區(qū)。斷路器本體拉出來(lái)后，另配有1臺(tái)移動(dòng)臺(tái)車(chē)，可拉出維修或更換。斷路器的控制通過(guò)軟電纜連接，配有快速接插頭，便于維修操作。

2）發(fā)電機(jī)保護(hù)單元

發(fā)電機(jī)保護(hù)單元配有液晶顯示主要參數(shù)和可調(diào)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)，還配有過(guò)載保護(hù)指示，可簡(jiǎn)單明了指示過(guò)載的狀態(tài)[2]。人為干預(yù)可通過(guò)參數(shù)設(shè)置按鍵和復(fù)位操作按鈕。保護(hù)功能包括零序電壓監(jiān)測(cè)、保護(hù)接地監(jiān)測(cè)、差分保護(hù)、逆功率保護(hù)、獨(dú)立的控制電源、長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)過(guò)流保護(hù)、多功能參數(shù)顯示、模擬量和數(shù)質(zhì)量輸出控制、時(shí)間記錄和故障記錄、自診斷功能。保護(hù)功能包括長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)；欠壓、過(guò)壓保護(hù)；逆功率保護(hù)；差動(dòng)保護(hù)；優(yōu)先脫扣等功能[3]。

3）自動(dòng)并車(chē)及負(fù)載控制單元

選用寺崎電氣的GAC-21船舶電站控制系統(tǒng)，除常規(guī)的同步并車(chē)功能外，還具有諧波畸變嚴(yán)重情況下，閉鎖并車(chē)功能。具體外接電路如圖2所示。輸入電壓信號(hào)有電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)，輸出有同步調(diào)頻控制輸出和真空斷路器（VCB）合閘控制輸出。

圖2 自動(dòng)并車(chē)及控制單元外部電路圖

整個(gè)控制系統(tǒng)由GAC-21系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，中央處理器（CPU）為系統(tǒng)的核心單元，配有內(nèi)置的RAM和ROM，EPROM，EEPROM等內(nèi)存和接口擴(kuò)展單元，并配有通訊擴(kuò)展模塊，用于和發(fā)電機(jī)控制屏的保護(hù)單元、真空斷路器（VCB）控制單元、接地保護(hù)等建立聯(lián)系，同時(shí)系統(tǒng)配有相關(guān)的開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出和模擬量的輸入輸出單元。

4）高阻接地保護(hù)單元

寺崎推薦的接地系統(tǒng)的特別之處不同于常規(guī)的高阻接地方式，而是通過(guò)變壓耦合高阻接地。這樣可以避免電力系統(tǒng)與地的直接聯(lián)系，便于絕緣判斷和接地保護(hù)控制。但是無(wú)論是系統(tǒng)電網(wǎng)高壓突加，或是三相本身不平衡，該變壓器副邊回路電壓和就不為0，即可擊穿副邊的電阻，使電網(wǎng)能量快速通過(guò)變壓器和電阻消耗掉，從而保護(hù)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬間高壓或嚴(yán)重三相不平衡。其優(yōu)點(diǎn)還有：①對(duì)接地短路事故點(diǎn)的破壞少；②接地電流少；③接地時(shí)的異常電壓可以通過(guò)接地裝（EVT）來(lái)檢出；④和其他方式相比、可以更早的檢出接地事故。

另外，每個(gè)配電屏均設(shè)有地接開(kāi)關(guān)，用戶(hù)設(shè)備維修保護(hù)接地使用。其一端的三相接到設(shè)備到配電屏的接線(xiàn)端處，另一端通過(guò)配電屏的接地可靠與整個(gè)大地連接[5]。接地開(kāi)關(guān)必須手動(dòng)操作，同時(shí)斷路器與該接地開(kāi)關(guān)具有機(jī)械連鎖，以確保兩者不會(huì)同時(shí)合閘工作。

5）負(fù)載保護(hù)單元

本高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置負(fù)載保護(hù)單元，具有多種保護(hù)功能，包括常規(guī)的反時(shí)限的過(guò)載保護(hù)、三相電壓平衡、電纜斷線(xiàn)保護(hù)、真實(shí)有效值的監(jiān)測(cè)、漏電接地電流的檢測(cè)等。一般變壓器負(fù)載的起動(dòng)特性與電動(dòng)機(jī)的一致，在負(fù)載起動(dòng)電流處于電網(wǎng)發(fā)電機(jī)能力范圍內(nèi)時(shí)，可以不用考慮預(yù)充磁控制，可以高壓直接供電控制設(shè)備的運(yùn)行。

6）真空接觸器

真空接觸器是真空斷路器的一種，是可控重復(fù)動(dòng)作的形式，并具有電磁保持控制，實(shí)現(xiàn)自然的欠壓或失壓保護(hù)動(dòng)作，其中沒(méi)有另外設(shè)合閘鎖扣和失壓線(xiàn)圈等復(fù)雜機(jī)構(gòu)[4]。外形與真空斷路器接近。

接觸器主回路如圖3所示，內(nèi)置熔斷器，與接地開(kāi)關(guān)機(jī)械連鎖。其控制回路雖然是直流110 V供電，但是其原理與一般繼電接觸回路一致。

圖3 接觸器主回路電路圖

本船舶高壓電力系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的主要特點(diǎn)包括：專(zhuān)為船舶和海工設(shè)計(jì)的高壓開(kāi)關(guān)，全型式認(rèn)可，根據(jù)IEC62271-200標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，全鍍鋅板結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的電弧故障測(cè)試，帶安全保護(hù)罩的斷路器，與外界空氣絕緣的母排，安全的額機(jī)械連鎖，正面操作，真空斷路器（VCB）等均為可抽拉式，均配有接地開(kāi)關(guān)，配有智能保護(hù)設(shè)備。

4 高壓電力系統(tǒng)的操作與維護(hù)

各控制屏內(nèi)均裝有機(jī)械和電氣連鎖裝置，以確保維修保養(yǎng)時(shí)維修人員接觸的線(xiàn)路無(wú)電。維修時(shí)的操作步驟如下：步驟1-待維護(hù)發(fā)電機(jī)卸載脫扣，卸載后，將VCB分閘，確認(rèn)該發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)脫開(kāi)；步驟2-停機(jī)操作，控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止；步驟3-滅磁操作，旋轉(zhuǎn)柜內(nèi)低壓儀表屏內(nèi)的滅磁開(kāi)關(guān)至滅磁位置，確保發(fā)電機(jī)電樞沒(méi)電；并將滅磁開(kāi)關(guān)上的鑰匙拔出，插入接地開(kāi)關(guān)的鑰匙孔內(nèi)；步驟4-用專(zhuān)用工具將真空斷路器（VCB）從“CONNECTED”（工作）位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，拉出到“DISCONNECTED”（脫開(kāi)）位置，因低壓控制回路使用軟電纜連接，仍然接通在回路中，可對(duì)真空斷路器（VCB）的低壓控制電路進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)真空斷路器（VCB）的觸頭與匯流排完全脫開(kāi)，但是控制回路仍然可以操作；步驟5-轉(zhuǎn)動(dòng)接地開(kāi)關(guān)上的鑰匙，再用專(zhuān)用工具合上接地開(kāi)關(guān)。步驟6-僅在真空斷路器（VCB）斷開(kāi)并合上接地開(kāi)關(guān)的情況下，才能打開(kāi)控制屏上部的前面板；步驟7-開(kāi)門(mén)后可以拿到內(nèi)部鑰匙，以開(kāi)啟控制屏的后門(mén)；步驟8-可對(duì)發(fā)電機(jī)組或本配電屏進(jìn)行維護(hù)修理，維護(hù)過(guò)程中，確保接地開(kāi)關(guān)處于接地狀態(tài)。

5 高壓電力系統(tǒng)的功能

5.1 整個(gè)電力系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)

本高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的配置與實(shí)船一致。

系統(tǒng)配有2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，雖然是400 V，50 Hz，但是考慮到使用的安全和高壓供電的管理，使用低壓發(fā)電機(jī)，配以相應(yīng)的電壓互感器來(lái)模擬高壓操作，與實(shí)際效果一樣，配電屏上的電壓表等均為相應(yīng)的高壓指示，內(nèi)置所有的結(jié)構(gòu)和器件全是按實(shí)船標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定。

另外系統(tǒng)還配有30 kW的真實(shí)負(fù)載，供系統(tǒng)調(diào)整負(fù)載和功率分配使用，也與實(shí)船完全一致。本高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置配有DC110VUPS電源作為高壓系統(tǒng)的控制用電。

具體運(yùn)行過(guò)程中，需要監(jiān)視和管理整個(gè)電力系統(tǒng)的內(nèi)容包括：1）觀察配電板上各儀表讀數(shù)，如電壓、頻率、電流、功率等并作記錄。2）根據(jù)工況進(jìn)行發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行或解列，使電站合理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。3）觀察并聯(lián)發(fā)電機(jī)組間功率分配是否合理。如果不合理，應(yīng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)并使之合理分配。交流發(fā)電機(jī)各相電流不得相差10%，且每相電流不應(yīng)超過(guò)額定值。4）檢查運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)的調(diào)壓裝置是否有不正常的振動(dòng)或聲響。若有異常，應(yīng)查明原因，排除故障。5）檢查發(fā)電機(jī)溫度及軸承溫度是否正常，發(fā)電機(jī)的溫升不應(yīng)超過(guò)其絕緣等級(jí)允許的溫升。滾動(dòng)軸承一般不超過(guò)80℃，滑動(dòng)軸承不超過(guò)70℃。6）對(duì)故障待修或正在檢修的電氣設(shè)備，在主配電屏上斷開(kāi)電源時(shí)，必須在其相應(yīng)的開(kāi)關(guān)上懸掛告示牌，以免造成觸電事故或設(shè)備損壞。7）配電板上同步表、兆歐表均按短期工作設(shè)計(jì)，并車(chē)或測(cè)量完畢后，應(yīng)將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳回零位。8）觀察配電板上兆歐表或地氣燈所顯示的船舶電網(wǎng)絕緣情況。如有絕緣不良應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查、排除。

5.2 船舶高壓電站手動(dòng)操作實(shí)訓(xùn)

可實(shí)現(xiàn)配電屏上的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停車(chē)、調(diào)速、同步、合閘、功率分配、卸載等手動(dòng)操作，但是不能在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，在真空斷路器（VCB）上手動(dòng)操作，智能遠(yuǎn)程電動(dòng)操作。

每一步操作需要通過(guò)觀察儀表的指示變化，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，指出下步操作后的結(jié)果，然后進(jìn)行手動(dòng)操作。手動(dòng)操作保護(hù)裝置，調(diào)整觀察參數(shù)；另外，通過(guò)菜單，修改參數(shù)。

主要測(cè)試內(nèi)容包括：1）應(yīng)急手動(dòng)并車(chē)裝置進(jìn)行檢查和效用試驗(yàn)；2）模擬試驗(yàn)運(yùn)行中的主發(fā)電機(jī)預(yù)報(bào)警，備用發(fā)電機(jī)能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)起動(dòng)并合閘供電；3）模擬試驗(yàn)電網(wǎng)失電時(shí)，發(fā)電機(jī)能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)起動(dòng)并合閘供電；4）在網(wǎng)運(yùn)行的主發(fā)電機(jī)剩余功率不足時(shí)，船舶電站功率管理系統(tǒng)PMS是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)起動(dòng)備用機(jī)組并合閘供電；5）試驗(yàn)在網(wǎng)運(yùn)行的主發(fā)電機(jī)剩余功率不足且沒(méi)有備用機(jī)組可用時(shí)，船舶電站功率管理系統(tǒng)PMS是否會(huì)實(shí)現(xiàn)次要負(fù)載分級(jí)卸載功能；6）手動(dòng)修改保護(hù)參數(shù)，然后通過(guò)手動(dòng)操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證修改后的參數(shù)的有效性。

5.3 船舶高壓電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)訓(xùn)

操作控制裝置于電力管理系統(tǒng)（PMS）模式，通過(guò)負(fù)載的變化，觀察真空斷路器（VCB）等設(shè)備的動(dòng)作情況。包括自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組、自動(dòng)同步操作、自動(dòng)并車(chē)、自動(dòng)負(fù)載分配、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、自動(dòng)卸載、自動(dòng)脫扣、自動(dòng)停機(jī)操作。

故障時(shí)提供報(bào)警及故障內(nèi)容顯示，每個(gè)故障需要單獨(dú)的機(jī)上保護(hù)裝置的復(fù)位操作。

實(shí)訓(xùn)要求操作觀察設(shè)備的狀態(tài)，分析設(shè)備需要的動(dòng)作，故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)采取的措施。

5.4 船舶高壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)

2個(gè)發(fā)電機(jī)配電屏和負(fù)載屏均設(shè)有保護(hù)單元，保護(hù)單元均可通過(guò)各控制屏底部正面的接線(xiàn)柜接入模擬的電壓和電流信號(hào)，以代替配電屏內(nèi)的電壓和電流互感器的信號(hào)。這些信號(hào)被送到前述的保護(hù)單元中，可以計(jì)算除過(guò)流、過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、逆功率、欠頻、過(guò)頻、零序漏電電流等的監(jiān)測(cè)和計(jì)算，判斷設(shè)備運(yùn)行是否處于合理狀態(tài)，除給出報(bào)警信號(hào)外，還控制真空斷路器（VCB）保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以給出過(guò)載、過(guò)流、欠壓、過(guò)壓等保護(hù)動(dòng)作，但是逆功率、欠頻、過(guò)頻可通過(guò)實(shí)際設(shè)備的調(diào)速調(diào)載來(lái)實(shí)現(xiàn)，不必使用模擬的方法。

出廠前，高壓配電屏等高壓配電裝置都需要進(jìn)行型式實(shí)驗(yàn)中的非暴力破壞的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于內(nèi)部短路、外部短路等破壞性實(shí)驗(yàn)，有檢驗(yàn)部門(mén)抽取每個(gè)批次同類(lèi)型的個(gè)別樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行型式認(rèn)定實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)裝置不做該實(shí)驗(yàn)。

5.5 負(fù)載供電操作

負(fù)載屏給負(fù)載供電是通過(guò)1臺(tái)真空接觸器供電，其控制原理與低壓一樣，只有吸合線(xiàn)圈有電才能可靠吸合；主回路使用真空觸點(diǎn)，與真空斷路器一樣。操作中使用常規(guī)的起保?？刂苹芈?，帶起動(dòng)按鈕和停止按鈕。由于接觸器本身沒(méi)有保護(hù)功能，所以系統(tǒng)配置的電機(jī)保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)過(guò)載、短路、缺相等控制。接觸器內(nèi)置熔斷器起到短路保護(hù)的作用。

5.6 不間斷電源（UPS）管理操作實(shí)訓(xùn)

不間斷電源（UPS）系統(tǒng)是高壓電力控制系統(tǒng)的應(yīng)急供電系統(tǒng)，如果UPS不能正常工作，在船舶失電后，高壓電力控制系統(tǒng)將不能工作，處于癱瘓狀態(tài)。因此，對(duì)UPS的操作和管理應(yīng)予以重視，同時(shí)UPS的功能試驗(yàn)也是高壓電力系統(tǒng)的船舶必檢內(nèi)容。

平時(shí)保持電瓶間整潔，并確保通風(fēng)良好。保持電瓶及接線(xiàn)柱清潔，確保接線(xiàn)緊固。日常經(jīng)常檢查UPS系統(tǒng)各參數(shù)是否正常，平日UPS系統(tǒng)采用浮充電制，每月充分放電1次，后手動(dòng)充足，再轉(zhuǎn)浮充。檢修UPS時(shí)，應(yīng)將UPS轉(zhuǎn)為旁路供電，保證高壓電力系統(tǒng)控制系統(tǒng)的供電。UPS的蓄電池應(yīng)5年更換一次。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)裝置的研制，在確保安全的情況下，可實(shí)際操作船舶高壓電力系統(tǒng)，滿(mǎn)足教學(xué)以及國(guó)家海事局船舶電氣的評(píng)估實(shí)訓(xùn)要求，同時(shí)可以給船舶檢驗(yàn)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)提供設(shè)備。由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作與實(shí)際系統(tǒng)完全一致，因此，對(duì)本科生教學(xué)、學(xué)院現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐體驗(yàn)和船員職業(yè)培訓(xùn)有重要意義。