试析船舶及海洋工程中压配电板设计与制造

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[摘 要]本文主要针对中压配电板在船舶及海洋工程中的性能和功能做出分析，再经过对其中压配电板的设计与制造归纳出设计特点功能、机械制造及环境试验，试析船舶及海洋工程中压配电板的设计制造趋势。

[关键词]船舶海洋工程；中压配电板；设计制造

中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0015-02

伴随不断提升的船舶及海洋工程电气化水平，尤其是推广应用的船舶及海洋工程综合电力系统，当下已经有越来越多的大型船舶及海洋工程中的电力系统的总装机容量已经达到数十兆瓦。由于受到发电机组单机容量、断路器短路电流分断能力、电缆载流量、发电机组数量等因素的影响，船舶及海洋工程中压配电板得到了广泛应用。虽然在英国和美国已有10多年的使用和研发经验，但中压配电板的设计、制造、研究和试验在我国船舶及海洋工程中还处于初级阶段，船舶及海洋工程认识中压配电板的程度还不够成熟。

一、 船舶及海洋工程中压配电板的设计及功能

1.电气设计特点

船舶及海洋工程中压配电板是由多个接触器柜、断路器柜等按照使用中实际情况的要求组成，一般情况下含有多个母联屏、发电机屏、负载屏和预励磁屏。电气设计的任务就是将母联屏、发电机屏、负载屏和预励磁屏的要求进行一次方案的确定。船舶及海洋工程中压配电板就是属于一次方案，母联屏的电压互感器设置在母线侧，发电机屏的电压互感器设置在电缆侧，母线侧的负载屏设置了接地开关，差动保护用的电流互感器在发电机屏上专门进行了设置。负载屏的作用给大负载提供电力过程中，一般采用断路器柜，比如：日用变压器、推进变压器。而负载屏给小负载提供电力过程中可以采用接触器柜，比如艏侧推[1]。

2.发电机屏的功能

（1）控制功能

发电机屏的控制功能主要有：自动及手动并车、充磁、自动负荷分配、发电机防冷凝加热、调压及调速等功能。

（2） 保护功能

一般情况设有定时限过电流保护、反时限过电流保护、中性点接地电阻保护、接地故障保护、差动保护、逆功保护及电弧保护等功能。

（3） 显示和测量的功能

发电机屏能够对发电机的功率、三相电流、功率因数、三相电压以及频率进行显示和测量。其次，发电机屏有具备着手车、断路器、单线图模拟显示以及手车等功能。

3. 母联屏的功能

（1）控制功能

母联屏的控制功能主要有：自动负荷分配及自动并车与手动并车等功能。

（2） 保护功能

母联屏的保护功能基本与发电机屏的保护功能相同。一般情况设有定时限过电流保护、反时限过电流保护、中性点接地电阻保护、接地故障保护、差动保护、逆功保护及电弧保护等功能。

（3） 显示和测量功能

母联屏能对频率、母排变压等进行显示和测量，具备一定的手车、单线图模拟显示、接地开关状态及断路器等功能。

4. 预励磁屏的功能、

联锁功能在预励磁屏跟其相应负载屏之间能够发挥作用。比如，在日用变压器断路器被接通之前，预励磁屏接触器会首先被自动接通，其接通结束以后，预励磁屏接触器会被自动断开。

5. 负载屏的功能

（1）控制功能

负载屏的控制功能可按照需要，设重载询问、电动机防冷凝加热及变压器预励磁联锁等功能。

（2）保护功能

一般情况下会设置定时限过电流保护、反时限过电流保护、电弧保护以及接地故障保护等功能。

（3）显示和测量功能

负载电流能够被负载屏进行显示和测量，有着接触器或断路器、接地开关状态、单线图模拟显示及手车等功能[2]。

二、 船舶及海洋工程中压配电板的机械制造

1. 总体结构

船舶及海洋工程中压配电板的组成有：接触器柜和断路器柜，一般结构上分为电缆室、断路器室、仪表室和母线室，它们互相独立且封闭。电缆室、断路器室和母线室是高压室，仪表室是低压室。泻压通道在高压室中各自拥有，上部有封板，可以在燃弧故障发生时打开，排气通道通常设置在高压室。

作为船舶及海洋工程中配压电板，在设计上一定要有抗冲击能力及抗振动能力，所以柜体联拼减振、柜架减振、车定位减振及手车接地连续性减振等措施都要考虑到配压电板设计当中[3]。

2. 安全联锁

（1）联锁的五个防止方面

防止误分误合接触器或者断路器、防止接通接触器时合接地开关或者断路器、防止接触器手车或者带负荷推拉断路器、防止带电间隔作人员误入。这五项防止联锁内容是接触器柜和中压断路器柜的基本联锁，其实现都要通过机械装置。

（2） 系统的电气与屏的联锁

接通发电机屏的时候，无源触点信号会被发电机屏通过发电机控制电路所提供，因而让发电机禁止启动。

（3）主母线接地开关联锁

接通主母线接地开关之前，要把主母线与所有相连的电源进线断路器从工作位置中移开。机械程序锁可以实现主母线接地开关联锁[4]。

三、 船舶及海洋工程中压配电板的环境试验

1.温湿污秽循环试验

中压变压器一般不用考虑盐雾对绝缘的影响但要考虑温湿污秽的影响，因此温湿污秽循环试验换种说法就是盐雾与湿热的综合试验，此试验方法可以参照《GB 3906-1991附录E用于严酷气候条件下的3kV～35kV交流金属封闭开关设备的附加要求》进行，一般程序如下：

（1） 增加试验品额定电压，合闸并让接触器或断路器在工作位置。

（2） 把温度按照每小时10摄氏度的温度变化让其温度从25到35摄氏度升至55到65摄氏度，上升湿度要控制9个小时并大于95%。

（3） 把温度按照每小时负10摄氏度的温度让其温度下降到25至35摄氏度，下降湿度到80%以上，并维持三个小时至六个小时的时间。

（4） 喷盐雾让湿度上升到95%以上。

（5） 进行两次以上程序的循环。

2.振动及冲击试验

船舶及海洋工程中压配电板的振动及冲击试验可以按照《GJB150.18―86军用设备环境试验方法冲击试验》进行，如果以下条件在试验以后能够符合，就可视为合格。

（1） 能够进行正确无误的断路器分合闸

（2） 机械结构没有破损、没有松动等情况，能够进行正确无误地手车摇出与摇进。

（3） 接触器和断路器在断开的触点地方没有瞬间闭合、其弹跳时间在接通触点地方小于20ms。

（4） 能够符合升温要求[5]。

四、 船舶及海洋工程中压配电板的设计与制造趋势

1.智能化

（1）综合保护装置

当前使用尤为广泛的综合保护装置有着十分智能化的功能，把这一装置装在船舶及海洋工程中压配电板上能起到一个统一协调单元的作用。深入发挥综合保护装置的自适应保护功能，能够使船舶及海洋工程中压配电板的保护功能及控制功能得到更加协调和完善的状态。

（2） 在近几年中我国电力系统配电电压等级排在前三名的开关故障，分别为机械故障、绝缘故障和温升故障。为了了解开关设备的及时状态信息，从原有的按定期检修变为了按状态检修，在线监测必定是大势所趋。

2.小型化

船舶及海洋工程中压配电板的小型化，首要小型化的就是断路器。改进和增强灭弧室外部绝缘，是小型化断路器的关键方法。在断路器小型化的进步过程中，出现了固封极柱，这让其小型化的速度大大加快。用导电端子和真空灭弧室等环氧树脂包封成极柱，接着和操作机构形成断路器就是固封极柱式断路器。环氧树脂的使用可以成为绝缘介质，可以缩小相与相之间的距离，中压配电板和真空断路器的体积能够得到减小。

3.可靠性高

（1）专用保护单元

虽然综合保护装置有很全面的功能，但是因为是保护、控制与显示结合一体，这样对电力系统和装置的可靠性在一定程度上会受到影响。依据当前船舶及海洋工程中压配电板的设计，出现不工作或者有故障的情况下，综合保护装置的接触器或断路器不能合闸，那么就会达到电力不能从发电机中被输出。但如果能让每个接触器柜和断路器柜都在船舶及海洋工程中压配电板上配置一个专用的保护单元作为综合保护装置的后备，就大大保障了供电系统的持续性工作。

（2） 电弧光保护装置

原有的电弧保护继电器对于断电源中电弧发生严重燃烧爆炸故障中，是不能够快速将其熄灭的，电弧故障过程中虽然能够保护人员安全，但受损的配电板通常不能再用。然而电弧光保护装置能够在发生故障的同时检测过电流增量与弧光增量，并在最短时间内发出指令，让断电源从故障中切除，其时间控制在100ms以内，这样就很好的让配电板在故障中得到了保护，不会造成过大的损害，通常只需要清除电弧光短路的地方被弧光引起的碳迹，然后对其系统电压等级工频耐试验做出相应符合的标准，就能够再次进行运行[6]。

结束语

综上所述，随着不断发展的电力电子技术，船舶海洋工程领域的电力系统装置也在不断改进和完善，对于需要高功率推进的海洋船舶而言，中压配电板的应用对低压系统的功率上限等一些问题都得到了很好的解决，这无疑是满足船舶用电需求的最佳方案。

参考文献：

[1]周国平.16000 kW深水多用途海洋工程拖船设计及关键技术研究[J].中国造船，2012，12（4）：254-258

[2]李润培.将海洋工程国家重点实验室建成"国家队"[J].实验室研究与探索，2011，24（1）：56-58

[3]魏莉洁.海洋工程船的发展对船舶工程专业教学的要求[J].科技信息（学术版），2012，85（15）：965-966

[4]杨启.船舶与海洋工程创新人才培养体系构建和研究性教学改革初探[J].2011船舶与海洋工程人才发展论坛论文集[J].2011.65（66）：654-655

[5]李军，方泉根，龚少军.海工船动力定位能力分析系统研究与应用[J].中国航海，2014，37（1）：312-315

[6]刘小龙，侯樱，赵文峰.海流发电机的发展和应用[J].能源工程，2011，75（6）：564-565