船舶高压电力系统设计的几个关键技术问题
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摘 要：本文介绍了船舶交流高压电力系统设计中几个关键技术问题，包括交流高压电力系统电压等级的选择、中性点高阻接地的变压器和接地电阻参数的计算、大容量变压器预防起动冲击电流的措施等。
关键词：高压电力系统;电压等级;高阻接地;预充磁
中图分类号：U665.1 文献标识码：A
Abstract： This paper introduces several key technical problems in the design of marine AC high voltage power system， including the selection of voltage level of AC high voltage power system， the calculation of transformer capacity with high resistance grounding at neutral and grounding resistance parameters， and the measures to prevent starting impulse current of large capacity transformer.
Key words： High voltage power system; Voltage level; High resistance grounding; Pre-magnetization
1 前言
通常对于电站容量不大的船舶，大多采用交流低压电力系统。但隨着船舶电力推进技术的发展，越来越多的船舶采用综合电力推进系统，特别是一些特种用途的船舶，如起重船、铺管船、半潜船、豪华邮轮等，因其电站的容量非常大，采用交流低压电力系统已不能满足使用需求，必须采用交流高压电力系统。
本文探讨船舶交流高压电力系统设计中的几个关键技术问题，包括交流高压电力系统电压等级的选择、中性点高阻接地的变压器和接地电阻参数的计算、大容量变压器预防起动冲击电流的措施等。
2 电压等级的选择
船舶及海洋工程的交流电力系统，分为低压和高压两种：交流低压电力系统是指工作于额定频率为 50Hz 或 60 Hz、导体间最高电压不超过 1 kV 的交流系统。常用的有690 V/ 440 V/ 380 V/ 220 V/ 110 V等;交流高压电力系统是指额定电压（线电压）大于 1 kV 但不超过 15 kV、额定频率为 50 Hz 或 60 Hz 的交流系统。常用的有6 kV/ 6.6 kV/ /10 kV/ 11 kV等。
2.1 交流低压电力系统
交流低压电力系统是船舶上最常用的电力系统，其设备及电缆的选用、安装、试验以及维护都比较简单，因此当船舶电站容量较小时，一般都选用交流低压电力系统。
2.2 交流高压电力系统
随着船舶电站的容量增加，电气设备和电缆的体积、重量都会变得更加庞大，输电损耗也会增加，对船上非常狭小的空间来说就不太适用了;另外，电气设备包括电机、变压器、保护开关、汇流排、电缆等在某个电压等级范围内的容量是有限的，当电力系统的容量接近或超过了这个限度后，电力系统的安全性和可靠性就会变差，因此只能靠升高电压等级来扩大容量。
2.3 电压等级的选择
电力系统电压等级是根据电力系统短路容量确定的，某个电压等级下电力系统最大短路容量又是由该电压等级下断路器的分断能力决定的。
目前，690 V交流低压断路器的额定电流最大为6300 A、分断能力最大为100 kA、短路容量最大为119 MVA;交流高压电力系统的最大短路容量（MVA），见表1。
电力系统电压等级选择时，首先应根据电力负荷计算书确定发电机组功率和数量;然后估算电力系统的短路容量;再根据电力系统的短路容量确定电压等级，选择符合分断能力的断路器和相应配电板。
电力系统的短路容量，按如下方法估算：
（1）因变频器特性不会馈送短路电流，因此带变频器的线路，如推进电机等短路电流为零;
（2）根据英国劳氏规范，电力系统短路电流按发电机额定电流的10倍+其它电动机额定电流的3倍计算;如果有发电机的X”参数，发电机馈送短路电流按发电机额定电流/X”计算更为准确;其它电动机的负荷大小，按电网负荷减去带变频器线路的负荷后的60%计算;峰值短路电流为对称短路电流的2.5倍。根据计算所得短路电流，用来校核断路器的分断能力、峰值短路电流用来校核断路器的接通能力。
根据参考文献[4]，电站容量与电压等级的对应关系，见表2所列。
3 中性点高阻接地变压器和接地电阻参数计算
电力系统中性点接地有多种方式：中性点直接接地;中性点经低电阻接地;中性点不接地;中性点经高电阻接地;中性点经消弧线圈接地等。
3.1 交流低压电力系统
船舶交流低压电力系统，通常采用中性点不接地方式。
3.2 交流高压电力系统
船舶交流高压电力系统，绝大多数采用中性点经高电阻接地方式，其主要理由如下：
（1）当电力网的电压较高、电缆较长时，电容电流会比较大，尤其是交联聚乙烯绝缘的电缆，当发生单相接地故障时，不接地系统的电弧不能自动熄灭，可能引发火灾; （2）高压电力设备的绝缘水平比低压的低，当运行中产生的过电压超过设备的耐受电压标准时，设备的安全运行性能将受到破坏，不接地系统的操作过电压要高于高电阻接地系统。
对于交流高压电力系统来说，中性点经高阻接地的初衷就是限制接地故障电流，因此通过高阻接地装置的接地电阻性电流原则上应等于或稍大于系统的接地电容电流。正确确定系统电容电流的最好办法是在最大运行方式下实测。在设计时需要考虑的接地电容电流主要是高压发电机、高压电动机和高压电缆的电容电流，先分别计算每一个高压发电机、每一个高压电动机和每一根高压电缆的接地电容电流，再将上述接地电容电流累加得出系统的接地电容电流。
交流高压电力系统中性点高电阻接地方式，通常有下列三种：
（1）系统中性点利用高压发电机的中性点，电阻器直接接入高压发电机的中性点，每台发电机都需配置。采用此种方式，对电阻器要求耐压高、阻值大、电流小。
4 大容量变压器预防启动冲击电流的措施
变压器的起动类似于电动机的启动，在启动过程中会产生很大的冲击電流，其非周期分量可达十几倍额定电流。在船舶交流高压电力系统中，高压变压器的容量一般都非常大，因此其启动冲击电流将会引起非常大的电压瞬时跌落，甚至导致发电机跳闸。
为了防止这种现象发生，大容量变压器往往采用预充磁方式启动以减少冲击电流。预充磁启动方式的原理是：在大容量变压器主开关合闸前，先采取措拖在变压器内部通过预充磁建立稳态的交变磁场，当其主开关合闸时，由于内部磁通的稳定，不会造成系统磁通的突变，冲击电流随之消失。
大容量变压器预充磁启动通常有两种方式：一种是大容量变压器的主断路器先不合闸，其初级绕组先通过起动电阻接通高压配电板母线进行预充磁，经延时后再合闸大容量变压器主断路器并切除起动电阻，完成起动过程;另一种是为大容量变压器设一个等电压变比的小容量变压器即预充磁变压器，其连接方式如图3所示，在投入大容量变压器之前先投入预充磁变压器为大容量变压器预充磁，经延时后再投入大容量变压器并切除预充磁变压器。因预充磁变压器容量很小，其合闸冲击电流即使倍数大但电流基数小，不会对交流高压电力系统产生什么影响。根据参考文献[5]，一般预充磁变压器的容量可按大容量变压器容量的1%选择。
5 结束语
随着海洋经济及文化旅游产业的发展，采用综合电力推进系统的船舶品类和数量越来越多，因此很有必要研究交流高压电力系统的供配电技术。本文抛砖引玉对交流高压电力系统的一些关键技术问题进行了探讨，希望能给船舶交流高压电力系统的设计提供借鉴或参考。
参考文献
[1]海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南[M].石油工 业出版社.
[2]火力发电厂厂用电设计技术规程（DL/T 5153-2014）.
[3]导体和电器选择设计技术规定（DL/T 5222-2005）.
[4] 徐丹铮，缪燕华，吴斐文.大功率电力系统船舶的电气设计（上）[J]. 船舶，2009（5）.
[5]任雅广，陈次祥.船用大容量变压器空载合闸及预充磁分析[J].机电 设备，2009（4）.
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