船舶高压电力系统教学实验装置的研制

李建全，杨宣靖，林叶春

（武警海警学院，浙江 宁波 315801）

0 引言

随着大型运输船舶、海上重型设备、海洋工程船的快速发展，船舶需要的电力负荷越来越大，以至于低压供电和低压设备完全不能满足实际需要[1]。另外，电力推进船舶的快速发展促使船舶高压电力系统得到广泛应用。

船舶高压电力系统的主要电器有高压真空断路器、SF6断路器、高压隔离开关（负荷开关和接地开关）、高压熔断器、高压变压器等，以及由这些器件构成的高压开关柜，并为系统的各种保护提供控制设备。高压电力系统的保护同样包括发电机、输配电、变压器、用电设备等的保护与相关报警。船舶高压电力系统与低压电力系统对比，船舶高压电力系统接地保护方面有更加严格的要求。

根据设备供应商和船东的实船，设计一套船舶高压电力系统实验装置，包括发电机组、高压配电、负载设备，构建一个完整的船舶高压电力系统吸烟装置系统，采用与当前主流实船的高压电力系统无缝贴合的最先进技术，选用优质名牌的船舶高压电力设备，完成了本船舶高压电力系统实验装置的建设。

1 配电装置结构

高压配电屏高压区采用IP42结构，高压室顶部装有气体减压活门，当有爆炸时，气体可逸出，符合IEC pub.62271-200 （IEC pub.60092-508）和各船级社规范的标准。根据规范要求，高压汇流排通过隔离屏至少分成2个独立的分段，相应的负载对称布置。由于其对称性，选用其中的一半作为教学实验装置。由于一般只有侧推器的电动机（或大功率电动机）、主推电动机变频装置、冷藏变压器（6600 V/450 V，Δ-Y）和主变压器（6600 V/450 V，Δ-Δ）的原边直接使用高压电，一般送电配电使用真空断路器（VCB），有3个负载屏。本教学实验装置使用1套负载控制屏来实现高压负荷的控制，不明确指定是哪种具体设备。本船舶高压电力系统实验装置单线图如图1所示，采用2台发电机屏、1台负载屏兼岸电供电。接地保护屏是检测电力系统的电压和绝缘情况，根据需要可通过高阻放电实现高压或接地的保护。

图1 船舶高压电站实验装置单线图

主发电机与断路器之间、负载与断路器之间、中压汇流排2个接地屏均安装有接地开关，接地开关三相的一端与接地点可靠连接。在停电维修中压线路或设备时，应合上相应的接地开关，以保证被维修线路和设备的可靠接地、防止电荷积累。

高压配电柜主要有母线区、断路器区、低压区和外部电缆连接区4个主要部分组成，其内部还设有接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器等，压力减轻释放器为避免高压爆炸造成危害而特殊设计，其上部应留有足够的空间。

本高压电力系统实验装置由2屏发电机控制屏、并车控制屏、保护接地屏（GPT）、负载控制屏组成。虽然因空间有限，没有单独设置岸电屏和左右母线隔离开关屏，但负载屏的设置可以模拟替代岸电介入或左右母线连接使用，并不影响实训和使用效果。

主要器件：配电装置中主要的器件包括2台真空断路器，2套发电机保护单元，1套自动并车及负载控制单元，1套高阻接地保护单元，1套电动机保护单元，1套真空接触器。

1）真空断路器

选用寺崎电气的框架式高压真空断路器，额定电压为7.2 KV，额定电流为659 A，额定分断电流为25 kA，额定投入电流为65 kA，额定短延时耐电流25 kA /3 s，框架式构成确保框体置于高压柜中的母线区，断路器安置于断路器区。断路器本体拉出来后，另配有1台移动台车，可拉出维修或更换。断路器的控制通过软电缆连接，配有快速接插头，便于维修操作。

2）发电机保护单元

发电机保护单元配有液晶显示主要参数和可调节的内部参数，还配有过载保护指示，可简单明了指示过载的状态[2]。人为干预可通过参数设置按键和复位操作按钮。保护功能包括零序电压监测、保护接地监测、差分保护、逆功率保护、独立的控制电源、长延时、短延时、瞬时过流保护、多功能参数显示、模拟量和数质量输出控制、时间记录和故障记录、自诊断功能。保护功能包括长延时、短延时、瞬时过电流保护；欠压、过压保护；逆功率保护；差动保护；优先脱扣等功能[3]。

3）自动并车及负载控制单元

选用寺崎电气的GAC-21船舶电站控制系统，除常规的同步并车功能外，还具有谐波畸变严重情况下，闭锁并车功能。具体外接电路如图2所示。输入电压信号有电网和发电机，输出有同步调频控制输出和真空断路器（VCB）合闸控制输出。

图2 自动并车及控制单元外部电路图

整个控制系统由GAC-21系统实现调节控制，中央处理器（CPU）为系统的核心单元，配有内置的RAM和ROM，EPROM，EEPROM等内存和接口扩展单元，并配有通讯扩展模块，用于和发电机控制屏的保护单元、真空断路器（VCB）控制单元、接地保护等建立联系，同时系统配有相关的开关量的输入、输出和模拟量的输入输出单元。

4）高阻接地保护单元

寺崎推荐的接地系统的特别之处不同于常规的高阻接地方式，而是通过变压耦合高阻接地。这样可以避免电力系统与地的直接联系，便于绝缘判断和接地保护控制。但是无论是系统电网高压突加，或是三相本身不平衡，该变压器副边回路电压和就不为0，即可击穿副边的电阻，使电网能量快速通过变压器和电阻消耗掉，从而保护电网出现瞬间高压或严重三相不平衡。其优点还有：①对接地短路事故点的破坏少；②接地电流少；③接地时的异常电压可以通过接地装（EVT）来检出；④和其他方式相比、可以更早的检出接地事故。

另外，每个配电屏均设有地接开关，用户设备维修保护接地使用。其一端的三相接到设备到配电屏的接线端处，另一端通过配电屏的接地可靠与整个大地连接[5]。接地开关必须手动操作，同时断路器与该接地开关具有机械连锁，以确保两者不会同时合闸工作。

5）负载保护单元

本高压电力系统实验装置负载保护单元，具有多种保护功能，包括常规的反时限的过载保护、三相电压平衡、电缆断线保护、真实有效值的监测、漏电接地电流的检测等。一般变压器负载的起动特性与电动机的一致，在负载起动电流处于电网发电机能力范围内时，可以不用考虑预充磁控制，可以高压直接供电控制设备的运行。

6）真空接触器

真空接触器是真空断路器的一种，是可控重复动作的形式，并具有电磁保持控制，实现自然的欠压或失压保护动作，其中没有另外设合闸锁扣和失压线圈等复杂机构[4]。外形与真空断路器接近。

接触器主回路如图3所示，内置熔断器，与接地开关机械连锁。其控制回路虽然是直流110 V供电，但是其原理与一般继电接触回路一致。

图3 接触器主回路电路图

本船舶高压电力系统教学实验装置的主要特点包括：专为船舶和海工设计的高压开关，全型式认可，根据IEC62271-200标准测试，全镀锌板结构，独立的电弧故障测试，带安全保护罩的断路器，与外界空气绝缘的母排，安全的额机械连锁，正面操作，真空断路器（VCB）等均为可抽拉式，均配有接地开关，配有智能保护设备。

4 高压电力系统的操作与维护

各控制屏内均装有机械和电气连锁装置，以确保维修保养时维修人员接触的线路无电。维修时的操作步骤如下：步骤1-待维护发电机卸载脱扣，卸载后，将VCB分闸，确认该发电机从电网脱开；步骤2-停机操作，控制发动机停止；步骤3-灭磁操作，旋转柜内低压仪表屏内的灭磁开关至灭磁位置，确保发电机电枢没电；并将灭磁开关上的钥匙拔出，插入接地开关的钥匙孔内；步骤4-用专用工具将真空断路器（VCB）从“CONNECTED”（工作）位置逆时针转动，拉出到“DISCONNECTED”（脱开）位置，因低压控制回路使用软电缆连接，仍然接通在回路中，可对真空断路器（VCB）的低压控制电路进行测试，此时真空断路器（VCB）的触头与汇流排完全脱开，但是控制回路仍然可以操作；步骤5-转动接地开关上的钥匙，再用专用工具合上接地开关。步骤6-仅在真空断路器（VCB）断开并合上接地开关的情况下，才能打开控制屏上部的前面板；步骤7-开门后可以拿到内部钥匙，以开启控制屏的后门；步骤8-可对发电机组或本配电屏进行维护修理，维护过程中，确保接地开关处于接地状态。

5 高压电力系统的功能

5.1 整个电力系统的模拟实验

本高压电力系统实验装置的配置与实船一致。

系统配有2台发电机组，虽然是400 V，50 Hz，但是考虑到使用的安全和高压供电的管理，使用低压发电机，配以相应的电压互感器来模拟高压操作，与实际效果一样，配电屏上的电压表等均为相应的高压指示，内置所有的结构和器件全是按实船标准来制定。

另外系统还配有30 kW的真实负载，供系统调整负载和功率分配使用，也与实船完全一致。本高压电力系统实验装置配有DC110VUPS电源作为高压系统的控制用电。

具体运行过程中，需要监视和管理整个电力系统的内容包括：1）观察配电板上各仪表读数，如电压、频率、电流、功率等并作记录。2）根据工况进行发电机的并联运行或解列，使电站合理、经济运行。3）观察并联发电机组间功率分配是否合理。如果不合理，应进行手动调节并使之合理分配。交流发电机各相电流不得相差10%，且每相电流不应超过额定值。4）检查运行中的发电机的调压装置是否有不正常的振动或声响。若有异常，应查明原因，排除故障。5）检查发电机温度及轴承温度是否正常，发电机的温升不应超过其绝缘等级允许的温升。滚动轴承一般不超过80℃，滑动轴承不超过70℃。6）对故障待修或正在检修的电气设备，在主配电屏上断开电源时，必须在其相应的开关上悬挂告示牌，以免造成触电事故或设备损坏。7）配电板上同步表、兆欧表均按短期工作设计，并车或测量完毕后，应将转换开关扳回零位。8）观察配电板上兆欧表或地气灯所显示的船舶电网绝缘情况。如有绝缘不良应及时进行检查、排除。

5.2 船舶高压电站手动操作实训

可实现配电屏上的发动机起动、停车、调速、同步、合闸、功率分配、卸载等手动操作，但是不能在发电运行状态下，在真空断路器（VCB）上手动操作，智能远程电动操作。

每一步操作需要通过观察仪表的指示变化，判断设备的运行状态，指出下步操作后的结果，然后进行手动操作。手动操作保护装置，调整观察参数；另外，通过菜单，修改参数。

主要测试内容包括：1）应急手动并车装置进行检查和效用试验；2）模拟试验运行中的主发电机预报警，备用发电机能否在规定时间内自动起动并合闸供电；3）模拟试验电网失电时，发电机能否在规定时间内自动起动并合闸供电；4）在网运行的主发电机剩余功率不足时，船舶电站功率管理系统PMS是否在规定时间内起动备用机组并合闸供电；5）试验在网运行的主发电机剩余功率不足且没有备用机组可用时，船舶电站功率管理系统PMS是否会实现次要负载分级卸载功能；6）手动修改保护参数，然后通过手动操作实验验证修改后的参数的有效性。

5.3 船舶高压电力系统实验装置实训

操作控制装置于电力管理系统（PMS）模式，通过负载的变化，观察真空断路器（VCB）等设备的动作情况。包括自动起动备用机组、自动同步操作、自动并车、自动负载分配、自动调频调载、自动卸载、自动脱扣、自动停机操作。

故障时提供报警及故障内容显示，每个故障需要单独的机上保护装置的复位操作。

实训要求操作观察设备的状态，分析设备需要的动作，故障发生时，应采取的措施。

5.4 船舶高压保护实验实训

2个发电机配电屏和负载屏均设有保护单元，保护单元均可通过各控制屏底部正面的接线柜接入模拟的电压和电流信号，以代替配电屏内的电压和电流互感器的信号。这些信号被送到前述的保护单元中，可以计算除过流、过载、欠压、过压、逆功率、欠频、过频、零序漏电电流等的监测和计算，判断设备运行是否处于合理状态，除给出报警信号外，还控制真空断路器（VCB）保护动作。通过实验可以给出过载、过流、欠压、过压等保护动作，但是逆功率、欠频、过频可通过实际设备的调速调载来实现，不必使用模拟的方法。

出厂前，高压配电屏等高压配电装置都需要进行型式实验中的非暴力破坏的实验。对于内部短路、外部短路等破坏性实验，有检验部门抽取每个批次同类型的个别样品进行实验，进行型式认定实验。本实验装置不做该实验。

5.5 负载供电操作

负载屏给负载供电是通过1台真空接触器供电，其控制原理与低压一样，只有吸合线圈有电才能可靠吸合；主回路使用真空触点，与真空断路器一样。操作中使用常规的起保停控制回路，带起动按钮和停止按钮。由于接触器本身没有保护功能，所以系统配置的电机保护单元实现过载、短路、缺相等控制。接触器内置熔断器起到短路保护的作用。

5.6 不间断电源（UPS）管理操作实训

不间断电源（UPS）系统是高压电力控制系统的应急供电系统，如果UPS不能正常工作，在船舶失电后，高压电力控制系统将不能工作，处于瘫痪状态。因此，对UPS的操作和管理应予以重视，同时UPS的功能试验也是高压电力系统的船舶必检内容。

平时保持电瓶间整洁，并确保通风良好。保持电瓶及接线柱清洁，确保接线紧固。日常经常检查UPS系统各参数是否正常，平日UPS系统采用浮充电制，每月充分放电1次，后手动充足，再转浮充。检修UPS时，应将UPS转为旁路供电，保证高压电力系统控制系统的供电。UPS的蓄电池应5年更换一次。

6 结语

通过本实验装置的研制，在确保安全的情况下，可实际操作船舶高压电力系统，满足教学以及国家海事局船舶电气的评估实训要求，同时可以给船舶检验及相关专业培训提供设备。由于本实验系统操作与实际系统完全一致，因此，对本科生教学、学院现场实践体验和船员职业培训有重要意义。