船舶轴发及高压电站

电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 船舶轴带发电机电站基本原理及分析 从节能、改善工作环境及船舶安全航行出发，越来越多的船舶电站发电方式已不是单一的发电形式。船舶柴油机发电、船舶主机轴带发电、废气透平发电和太阳能风帆发电等，这些发电方式的经济效益和组合方式是世界各国航运界关心和研究的问。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 废气透平发电 T/G系统 船舶主机轴带发电 S/G系统 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 船舶轴带发电机装置是由船舶主机驱动发电机供电的装置 优点： 经济节能：主机效率高，耗油量少，使用低价的重柴油； 改善机舱环境：航行时船舶机舱只有主机运行，噪声和热源减少。 缺点：技术含量高，复杂；非航行状态下，无法发电，须有辅助柴油机。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 分类： 变螺距轴带发电机装置和定螺距轴带发电机装置。 变距螺旋桨+轴带发电机装置 CPP+S/G 航行中靠改变螺距以改变推力。主机转速基本维持不变，发电装置频率基本恒定，此装置只能在切换发电机时作短暂并联运行。 定螺距轴带发电机装置应用最广，可以和其它柴油发电机长期并联运行。 定距桨+定速装置+轴带发电机FPP+CS+S/G 定距桨+轴带发电机+恒频装置FPP+S/G+CF 轴带异步发电机系统AG 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 定距桨+定速装置 +轴带发电机 FPP+CS+S/G 变距螺旋桨+轴带 发电机装置 CPP+S/G 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 定距桨+轴带发电机+恒频装置FPP+S/G+CF 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 轴带异步发电机系统AG 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 (1)轴带发电机：一般为无刷同步发电机，无阻尼绕组 (2)可控硅变流器：包括整流器和逆变器,轴带发电机产生的三相交流电经整流器变为直流电,再由逆变器变为恒频、恒压的三相交流电向电网供电 (3)同步补偿机(调相机)：是一台同步发电机，提供无功功率，维持电网恒压 (4)交流电抗器：限制谐波电流，改善输出电压波形 (5)励磁用可控硅整流装置：改变其控制角，改变轴带发电机励磁电流，调节轴带发电机输出功率 (6)控制系统：实现对轴发装置的自动控制。 西门子晶闸管轴带发电机装置的组成和作用 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 1 轴带发电机 可控硅整流器 3 可控硅逆变器 4 交流电抗器 同步补偿机 (调相机) 6 励磁用可控硅 整流装置 控制系统 8 负载 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 船舶轴带发电机功率输出特性 Ⅰ区，额定功率输出区域，主机转速由100% ne降至75%ne，船舶轴带发电机可以输出额定功率。 Ⅱ区，输出功率递减区域，主机转速由75% ne降至40%ne，船舶轴带发电机输出功率线性下降。 Ⅲ区，船舶轴带发电机停止运转区域，主机转速降至40%ne以下，船舶轴带发电机停止运转。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 西门子可控硅轴带发电机控制系统基本原理 电压与无功功率自动控制原理： 同步补偿器的电压调节器保证电压恒定，它产生的无功功率满足全船负荷的要求。 频率与有功功率自动控制原理： 当主机转速变化时，根据轴带发电机功率输出特性的不同状态，采用两种控制方式： 1)励磁电流自动调节系统 轴带发电机运行在I 区，逆变器的逆变角为最小并保持恒定（30）,当主机转速下降，增大励磁电流，维持输出功率恒定并保证频率不变。 2)逆变角自动调节系统 轴带发电机运行在II 区，此时轴带发电机的励磁电压和励磁电流为最大（恒定），当主机转速下降，只有增加逆变角，使整流电压与逆变电压随转速下降而减少，输出 功率线性递减，自动卸去电网的次要负载，保证频率恒定不变。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 第七章 船舶高压电力系统简介 船舶电站功率日趋增大，船舶高压电力系统有不断增加的趋 势，将会给船舶电气系统带来一系列的新变化。 促使船舶采用高压电力系统的主要原因是： 1）对500V以下的电力系统来说，短路电流的增大使开关电器与保护装置的断流容量难以满足要求； 2）制造500V以下的大功率发电机（2000kw以上）和电动机（200kw以上）在技术上是困难的（已接近功率极限），在经济上也不合算； 3）输送大功率电能仍采用500V以下电压，将使电缆的截面很粗，并需多股并联，造成布线与安装困难。随着电压的提高，输送同一功率采用高压时电缆规格与数量都大为下降。特别是在船舶条件下，由于敷设工作量降低所带来的效益也是不可低估的。 上述原因，船舶高压电力系统已成为大型客轮、油轮、电力推进船舶及某些特殊工程船船等的必选。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 采用船舶高压电力系统后，保护装置、接地、变压器、配电方式、开关型式、电缆端头的构造及处理方法都与500V以下船舶低压电力系统有很大差别，特别是船舶高压电力系统往往采用中性点接地系统，与低压电力系统普遍采用中性点绝缘系统有着本质的区别，中性点采用何种接地方式也是船舶中压电力系统需要解决的关键技术。目前，从国内外应用来看，船舶高压电力系统普遍采用高电阻接地方式。船舶高压电力系统给船舶电气系统带来一系列的新变化，船舶设计、使用管理者必须特别注意。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 1 船舶高压电力系统电压等级 高压电力系统的定义，世界各国以及在不同的领域的不完全一致。IEEE标准规定额定电压大于1KV，小于10KV的电力系统为中压交流电力系统 。在中压之上，还有高压和超高压。对于额定频率为60HZ的电力系统，中压的额定值有2．3KV、4．16KV、6．6KV等，而额定频率为50HZ的电力系统，中压的额定值有3．3KV、6．0KV、10．0KV等。 中国船级社钢质海船入级规范2009第4篇电气装置第14节交流高压电气装置特殊要求中指出： 交流高压电气装置适用于额定电压(相间电压)超过1kV的交流三相电气装置。除另有明文规定外，低压电气设备的构造和安装一般也适用于交流高压电气装置。系统额定电压应不超过15kV。但如有特殊需要，经CCS同意可以采用更高的电压。即：1KV至15KV之间。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 2 船舶高压电力系统中性点接地方式 目前, 船舶高压电力系统在国内尚处于起步阶段。特别是随着船舶高压电力系统的推广使用，中性点接地技术越来越引起船舶设计者的广泛重视。中性点采用何种接地方式是船舶高压电力系统需要解决的关键技术、热点问题。 2.1 电力系统中性点运行方式 电力系统的中性点（neutral point）运行方式是指电源或变压器中性点采用什么方式接地。 2.1.1 中性点运行方式分类 通常中性点运行方式分为以下几种： （1）不接地方式，又称中性点绝缘； （2）直接接地方式，中性点直接与接地装置连接； （3）消弧线圈接地方式，中性点经电抗器（称消弧线圈）与接地装置连接。 （4）电阻接地方式，中性点经过电阻与接地装置连接； 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 2.2.2 中性点接地方式分析 电力系统中性点的接地方式是一项综合性技术问题，必须考虑以下几个方面的因素：电力系统供电的安全性、连续性和可靠性；过电压保护和绝缘技术措施的配合；继电保护构成和断路器跳闸方式；配电网和线路的结构；人身和设备的安全等。 （1）中性点不接地方式 由于不接地方式的中性点对地绝缘，较安全、可靠，当电力系统发生单相接地故障时，不会影响三相电压各相之间的对称关系，一线接地也不形成短路，可以继续带接地故障运行2小时，供电连续性好。中性点不接地电力系统，单相接地电流由电力系统对地分布电容电流决定。对于输电线路距离较近的低压电力系统，输电线路各相对地的电容较小，因此接地故障电流也很小，瞬时性故障往往自动消除。因接地电流小，对通信电路的干扰也小。 中性点不接地方式的缺点是当一相接地时，另外两相对地电压升高，最大至相电压的倍，易使绝缘薄弱处击穿，造成两相接地短路。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 对高电压、长距离输电线路单相接地的电容电流一般很大，该电容电流超前电压，当故障点的电容电流在第一个半波过零熄弧时，加在故障点上的电压正好为峰值，若电容电流过大，空气游离严重，极易将故障点重新击穿，这种重燃有时难以避免。在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃，出现所谓间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成间歇性弧光过电压，可能击穿设备绝缘，造成短路故障。 为避免发生间歇电弧，要求3～10 kV电网单相接地电流小于30A，35kV以上电网单相接地电流小于10A。因此，中性点不接地方式对高电压、长距离输电线路不适宜。 船舶低压电力系统一般采用中性点不接地方式。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 （2）直接接地方式 中性点直接接地方式的优点是一相接地时，其他两相对地电压不升高，不存在间歇电弧造成的过电压危险。因此，可降低整个电力系统的绝缘水平。这对于 110kV及以上的超高压电网降低造价尤为重要，因此 110kV及以上电网普遍采用直接接地方式。另外，中性点直接接地系统单相接地时，短路电流很大，可使保护继电器迅速、准确地动作，提高保护的可靠性。但由于短路电流很大，需要选择容量较大的开关及设备，并有造成系统不稳定和对通信线路造成强烈干扰等的缺点。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 （3）消弧线圈接地方式 消弧线圈接地方式是利用电抗器的感性电流补偿电网的容性电流，可使接地电流大为减少。若感性电流等于容性电流，则可达到完全补偿，对熄灭接地电弧非常有利。但实际上完全补偿是不可能的，这是由于存在线路电阻、接地点电阻、漏电阻，变压器和消弧线圈的有功损耗等，使故障点流过一个不大的剩余电流。在正常运行时，如果三相线路对地分布电容不对称，或出现一相断线时，可能出现消弧线圈与分布电容的串联谐振，这时电力系统中性点可能出现危险的高电位。为此，消弧线圈一般采用过补偿运行，即电感电流大于电容电流，这是消弧线圈接地方式的一个缺点。此外，系统运行较复杂，设备投资也较大。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 （4）高电阻接地方式 高电阻接地方式的最大特点是当电力系统发生单相接地故障时，可以继续带接地故障运行2小时，但也可以选择定时或快速跳闸。 高电阻接地系统的设计应符合中性点接地电阻小于或等于电力系统各相对地分布电容的总容抗，即RN ≤ Xco的准则，以限制由于电弧接地故障产生的瞬态过电压。 电力系统采用电阻接地方式的目的是给接地故障点注入阻性电流，使接地故障电流呈阻容性质，减小接地故障电流与电压的相位差角，降低故障点电流过零熄弧后的重燃率。当阻性电流足够大时，重燃将不再发生，这样可以防止间歇性弧光接地过电压和谐振过电压；电力系统中性点采用高电阻接地还可以限制单相接地故障电流，而且，阻容性电流大于容性电流还可提高零序保护灵敏度，以作用于断路器跳闸，满足继电保护的要求。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 3 船舶高压配电盘 高压配电盘与低压配电盘有很大的不同： 每一屏只有一条电路；每屏内部具有相互隔离的开关室、电缆室、低压室等不同功能的结构； 每屏内部具有联锁保护的操作要求，俗称“五防措施”。 所谓“五防”即防止误跳、合断路器，防止带负荷拉、合隔离开关，防止带挂接地线，防止带接地线合隔离开关，防止人员误入带电间隔。 高压配电盘每屏顶部具有泄弧通道，以泄放掉故障电弧产生的有害气体和金属离子。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 高压配电盘绝大多数采用抽出式真空断路器、SF6断路器等，小功率馈电可采用抽出式熔断器及真空接触器。断路器及接触器的通断均需通电，所以其操作电源均需采用UPS供电，可以是直流，也可以是交流。 高压配电盘母线按ccs规范要求“应将主配电板至少分成2个独立的分段，通过至少1个断路器或其他合适的隔离设备分隔开，每1分段至少由1台发电机供电。如2个独立配电板由电缆进行连接，则在电缆的每一端应设有断路器”。 由于分段断路器的下端不可能再从该屏中接汇流排引上连接到第二分段母线，只能旁接至另一屏再引上连接第二分段母线，这屏就称为提升屏或母联开关屏，是低压配电盘中不会有的特殊的一屏结构。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 高压断路器本体不像低压断路器那样带有保护装置，而是通过独立的继电保护装置综合所有的保护功能来控制断路器。目前采用的均为数字式多功能继电器，具有强大的测量、显示、控制功能。中压配电盘的保护除了短路、过载、低压过压、逆功率等是与低压配电板相同外还有中压电力系统需要的纵差、零序、零序纵差等保护。零序电流实质上就是单相接地保护，是中性点接地系统所必须的。 高压配电板的控制与低压配电板类似，对于高压发电机而言，具有与低压发电机完全相同的同步控制要求，包括调压、调速、同步检测以及自动准同步或手动准问步控制。除了在高压配电盘上进行控制外，还可在机舱操控台上进行控制。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 4 高压变压器预充磁 从电机学原理来看，变压器合闸时类同于电动机起动，都有大电流冲击，其非周期分量可达十几倍额定电流。在高压电力系统中的高压降压日用变压器容量一般也相当大，可能与高压发电机容量相当，所以其合闸冲击电流可能会引起发电机跳闸。 为了防止这种现象发生，高压变压器往往采用预充磁方式合闸，以减少冲击电流，在延时若干秒钟后再接通高压变压器的主供电断路器，类似于电动机降压起动装置被旁路切换。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 预充磁通常有两种方式： 高压变压器初级绕组先通过电阻接至高压配电板母线，经延时后变压器主断路器接通旁路电阻，然后再断开电阻电路； 另一种从低压电网接通一台等压变比的小型变压器与高压变压器的次级绕组并联，高压变压器的初级绕组会感应一个高电压，经延时后，高压变压器主断路器合闸，然后再断开小变压器电路。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 5 船舶高压电力系统的隔离开关与接地开关 船舶高压电力系统，操作人员即使没有直接接触带电设备，如果不慎距离带电设备太近，小于规定的安全操作距离，也将可能受到严重的触电事故。船舶高压电力系统的变压器、电流、电压互感器、断路器等一般要求安装在完全封闭的开关柜中。当需要带电操作某些设备时，要严格按照安全#操作#，使用专用的绝缘工具进行。维修时，必须停电进行。同时，船舶高压电力系统设计中安装了必要的隔离开关与接地开关，以保证操作人员的安全。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 由于断路器的断开点在外部是看不见的，不同于传统的船舶低压电力系统，船舶高压电力系统为了保证在维修时操作人员的人身安全，在船舶高压主发电机断路器与中压汇流排之间，还有在中压汇流排连接断路器的两端，以及在变压器的断路器与中压汇流排之间，都串联了隔离开关。 隔离开关是具有可见断开点的开关，但无灭弧装置，因此不能带负荷分、合闸。 使用时，与断路器的分、合闸操作顺序有先后规定，有时也与断路器有机械或者电气的连锁。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 为了确保维修操作人员的人身安全，使其正在接触的线路无电，船舶中压电力系统供配电线路上还安装了多处接地开关。 接地开关的一端与母线（线路）相连，另一端与接地点可靠相连。 与隔离开关相同，接地开关也没有灭弧装置，也不能带负荷分、合闸。在停电维修某段线路和设备时，应合上相应的接地开关，已保证被维修线路和设备可靠的接地，防止线路上电荷积累，或者在断路器意外合闸时，由于线路三相接地，短路电流会使断路器立即跳闸。 电力系统及其自动化 课 件 * 轮机工程学院船电系 6 船舶高压电力系统继电保护 高压配电盘的保护除了短路、过载、低压过压、逆功率等是与低压配电板相同外还有高压电力系统需要特殊保护。 发电机定子内部纵差动保护 同步发电机的转子接地保护 同步发电机的定子接地保护