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      船舶綜合電力推進(jìn)應(yīng)用探討

      2014-04-29 00:44:03劉波陳明侯錦福胡成
      廣東造船 2014年6期
      關(guān)鍵詞:船舶

      劉波 陳明 侯錦福 胡成

      摘 要:作為先進(jìn)的船舶動(dòng)力,電力推進(jìn)的應(yīng)用對(duì)諧波干擾抑制、中壓接地、電磁兼容、絕緣等方面提出苛刻要求。通過對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)思路的闡述,結(jié)合中船黃埔文沖船舶有限公司已建電力推進(jìn)船舶所采用的電力推進(jìn)系統(tǒng),總結(jié)出電力推進(jìn)系統(tǒng)的選擇、安裝及調(diào)試的思路及方法。

      關(guān)鍵詞:船舶;綜合電力推進(jìn);諧波抑制

      中圖分類號(hào):U664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      1 前言

      船舶綜合電力推進(jìn)是現(xiàn)代船舶動(dòng)力發(fā)展的方向。與傳統(tǒng)船舶動(dòng)力相比,電力推進(jìn)具有巨大的優(yōu)勢(shì):燃油效率高、機(jī)動(dòng)性高、自動(dòng)化程度高等。船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)將在新建船舶中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

      2 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)概述

      綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是同時(shí)為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)和船舶日常用電系統(tǒng)提供電能的統(tǒng)一系統(tǒng),它實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)動(dòng)力與電站動(dòng)力合二為一。

      典型的綜合電力推進(jìn)方案框圖,如圖1所示。

      綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)包括:原動(dòng)機(jī)單元;發(fā)電機(jī)單元;配電單元;電力變換單元;電力控制單元;推進(jìn)電機(jī);螺旋槳等。與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)相比,電力推進(jìn)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)點(diǎn):操控性好,倒車迅速;節(jié)能性好,發(fā)電機(jī)可以根據(jù)負(fù)荷的大小合理地發(fā)出和分配電能;可靠性高;可維修性好等。但是,電力推進(jìn)也不可避免地存在一些不足,如一次性投入成本較高、功率受限制、高負(fù)荷導(dǎo)致電機(jī)推力軸承密封易磨損等。

      3 綜合電力推進(jìn)現(xiàn)狀

      船舶電力推進(jìn)裝置功率從幾百千瓦到幾十兆瓦,其中以吊艙式推進(jìn)器最具代表性。目前世界上吊艙式電力推進(jìn)器系統(tǒng)主要有:Azipod 、SSP、 Mermaid和Dolphin 4種。

      ABB開發(fā)的吊艙式電力推進(jìn)器Azipod是將馬達(dá)裝入一個(gè)流線型殼體內(nèi),螺旋槳置于殼體前端,其推進(jìn)效率高于常規(guī)螺旋槳。Azipod操作十分方便,可以在很低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,又可作為轉(zhuǎn)向裝置。

      與傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)相比,吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下:

      (1)優(yōu)良的操縱性,只需通過改變推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速;

      (2)節(jié)省了船上空間,不需要傳動(dòng)軸系;

      (3)經(jīng)濟(jì)性好,可根據(jù)船舶電量的需求量來決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量;

      (4)噪聲低、振動(dòng)小,提高了舒適性。

      (5)船舶生命力強(qiáng),電力推進(jìn)組成元件為電器元件,故障發(fā)生率低;

      (6)自動(dòng)化程度高,可以通過電能的饋送把全船電氣設(shè)備聯(lián)系起來。

      3.1 50 000 t半潛船的電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

      對(duì)于半潛船而言,采用電力推進(jìn)方式,可以避免常規(guī)推進(jìn)方式尾部布置煙囪對(duì)貨品裝卸的阻礙,具有布置靈活、安全高效等優(yōu)勢(shì)。

      由中船黃埔文沖船舶有限公司設(shè)計(jì)和建造的50 000 t半潛船,其電力推進(jìn)系統(tǒng)主要裝備了4臺(tái)3 840 kW的主柴油發(fā)電機(jī),通過變壓、變頻裝置供電聯(lián)合或獨(dú)立2套推進(jìn)電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)螺旋槳。該船有以下特點(diǎn):采用了交流6 600 V中壓電力系統(tǒng),電力推進(jìn)系統(tǒng)具有高電壓、大功率等特點(diǎn);采用了先進(jìn)的雙獨(dú)立機(jī)艙、雙螺旋槳電力推進(jìn)系統(tǒng),在一個(gè)機(jī)艙或推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生意外的情況下,憑借另一個(gè)獨(dú)立機(jī)艙和推進(jìn)系統(tǒng),可以繼續(xù)提供穩(wěn)定的動(dòng)力;在機(jī)艙設(shè)置了中壓配電板室和低壓配電板室,并且為左右相互獨(dú)立的兩個(gè)艙室,兩邊通過常閉的隔離開關(guān)連接,既可獨(dú)立使用,也可聯(lián)合使用,有效提高了供電可靠性。

      3.2 英國“果敢”號(hào)防空驅(qū)逐艦的電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

      2006年2月下水的英國海軍45型“果敢”號(hào)防空驅(qū)逐艦是世界上第一艘具有全電力推進(jìn)( FEP) 特點(diǎn)的戰(zhàn)艦,全動(dòng)能通過電纜以電能的形式輸送給電力推進(jìn)系統(tǒng),從而節(jié)省了大量的布置空間。另外,其靜音能力是機(jī)械推進(jìn)艦艇所無法比擬的,對(duì)于反潛作戰(zhàn)非常有益。

      4 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝技術(shù)

      4.1 抑制電網(wǎng)諧波

      4.1.1 電網(wǎng)諧波概述

      電力推進(jìn)系統(tǒng)大多采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng),其調(diào)速范圍廣、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好,缺點(diǎn)是會(huì)向電網(wǎng)注入大量諧波。在船舶電網(wǎng)中,有變頻器、推進(jìn)電機(jī)、控制單元等非線性負(fù)載,當(dāng)電流流經(jīng)這些負(fù)載時(shí),與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。由于晶閘管的開關(guān)操作和二極管、晶閘管的非線性特性,將會(huì)產(chǎn)生畸變電流,從而產(chǎn)生諧波電壓,使變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障率增加,甚至?xí)l(fā)生操舵無反應(yīng),嚴(yán)重影響船舶航行安全。

      通常用總畸變率、諧波含量和n次諧波的含有率,表示畸變波形偏離正弦波的程度。 根據(jù)國際船級(jí)社關(guān)于諧波抑制的要求,諧波電壓畸變因數(shù)THD應(yīng)在5%以下,關(guān)鍵場(chǎng)所則要求低于3%。

      4.1.2 電網(wǎng)諧波抑制方法

      4.1.2.1 提高變流器相數(shù)

      通過對(duì)6脈沖整流電流進(jìn)行多重化組合,可以得到多重化的整流電路。這樣在采用相同器件時(shí)可達(dá)到更大的功率、較高的功率因數(shù),同時(shí)還可起到減少交流側(cè)輸入電流諧波的目的。

      4.1.2.2 無源濾波技術(shù)

      交流電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)LC濾波器是一種能降低諧波電壓的有效手段。LC濾波器的原理是利用LC回路的電路特性,對(duì)基波呈現(xiàn)低電抗,對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻,從而使諧波可通過濾波器而不能進(jìn)入電源系統(tǒng)。在電網(wǎng)兩端并聯(lián)濾波器時(shí),諧波電流將會(huì)反送給負(fù)載。同時(shí),諧波電壓明顯升高,諧波電流在變壓器和電容器之間循環(huán)振動(dòng),這樣就能起到較好的抑波作用。

      無源濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器等組成。濾波器除起濾波作用外,還可利用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。LC濾波器的種類可分為調(diào)諧和濾波器、雙調(diào)諧和濾波器、高通濾波器、C型濾波器等。濾波器一般分組使用,從而達(dá)到分類濾波的目的。

      4.1.2.3 其他抑制諧波技術(shù)

      (1)提高主變壓器的內(nèi)阻抗,可達(dá)到限制諧波和短路電流的目的。變壓器的原邊采用星型接法,變壓器的兩個(gè)副邊分別采用星型接法和三角型接法。當(dāng)有兩個(gè)二極管供電單元模塊時(shí),可構(gòu)成24-脈波的連接方案,使電網(wǎng)波動(dòng)平緩,從而最大限度地消除諧波干擾;

      (2)采用脈沖電壓調(diào)制技術(shù),消除電網(wǎng)諧波。在Azipod電力推進(jìn)系統(tǒng)中,有源整流單元ARU通過使用預(yù)定義的優(yōu)化的脈沖模式,降低和消除主電網(wǎng)上的諧波;

      (3)采用雙重電抗器組將電站的推進(jìn)負(fù)荷母線與其他負(fù)荷母線進(jìn)行一定的隔離,也可使其他負(fù)荷的配電網(wǎng)的諧波分量維持在較低的水平;

      (4)采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的方式,構(gòu)建日用負(fù)荷電網(wǎng)。

      4.2 電磁兼容性

      (1)在設(shè)備柜本身的EMC方面,通過柜壁內(nèi)側(cè)非涂漆處理實(shí)現(xiàn)。柜體各部分之間通過螺栓連接并采用EMC密封,柜門和內(nèi)部的電纜槽都裝有EMC密封;

      (2)在電纜選型方面,變頻電纜必須具備優(yōu)良的電磁兼容性,能抑制電磁干擾,減少整個(gè)系統(tǒng)中的電磁輻射。屏蔽是實(shí)現(xiàn)電磁兼容、減少電磁輻射最好的方式。一般來說,電纜至少需要屏蔽90%以上的電磁輻射,銅帶繞包的覆蓋密度達(dá)100%,而銅絲編織屏蔽達(dá)不到要求;

      (3)在電纜選擇方面,電機(jī)和變頻器之間的電力線必須為對(duì)稱三線屏蔽電纜或變頻電纜。為了抑制電磁干擾,主電纜采用高頻接地。電纜在托架內(nèi)走線布置,與變頻器聯(lián)接的電纜要與其他系統(tǒng)的電纜分開布置;

      (4)在接線方面,電纜必須通過EMC屏蔽模塊進(jìn)入機(jī)柜;信號(hào)電纜、控制電纜、中壓電纜必須并行接入,不能交叉進(jìn)入控制屏。

      4.3 中壓接地技術(shù)

      中壓電力系統(tǒng)絕大多數(shù)采用中性點(diǎn)接地系統(tǒng),主要為中性點(diǎn)高電阻接地方式,其原因是:中壓系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),不接地系統(tǒng)可能引發(fā)火災(zāi)。接地系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)出故障點(diǎn),并可自動(dòng)切除故障;中壓電力設(shè)備的絕緣水平較低,當(dāng)運(yùn)行中產(chǎn)生的過電壓超過設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時(shí),安全運(yùn)行性能將會(huì)受到破壞。

      在電力推進(jìn)系統(tǒng)中,變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)之間加裝接地電纜,實(shí)現(xiàn)可靠接地。

      4.4 絕緣性

      中壓會(huì)引起導(dǎo)體和地之間閃弧,故電纜不能與其他電纜端子接觸,并至少保持55 mm的間距。

      主電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的電纜,必須滿足下列要求:

      (1) 使用三芯單獨(dú)屏蔽的鎧裝電纜,如果電纜長度不超過100 m,也可以使用三根單芯電纜;

      (2)使用銅芯電纜,如果使用鋁芯電纜,則對(duì)電纜頭有特殊要求;

      (3)電纜最大長度不能超過300 m;

      (4)電纜橫截面積,推薦使用的電纜導(dǎo)體為 3×240 mm2,屏蔽層為 3 × 35 mm2;

      (5)如果電纜屏蔽層的總截面積小于單相導(dǎo)體截面積的50%,需沿著電纜增加一根地線,以防止工廠接地網(wǎng)電勢(shì)差造成屏蔽層過載。

      (6)用于 LSU的電纜,按 3.3 kV 、有效值/6 kV 峰值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

      4.5 冗余設(shè)計(jì)

      (1)對(duì)中壓配電板,可拆成兩個(gè)甚至更多獨(dú)立安裝的配電板,這樣既有利于布置,又可提高冗余度;

      (2)電能饋送方面,一般均考慮冗余,即有兩路供電。一個(gè)饋電單元供兩個(gè)用電設(shè)備,兩個(gè)饋電單元可互相轉(zhuǎn)換備份,達(dá)到電能饋送的冗余。

      5 其它

      (1)針對(duì)機(jī)艙設(shè)備密集、電纜通道和風(fēng)管較多的情況,布置電纜時(shí),由于中壓電纜外徑較粗且重量大,要注意到設(shè)備的進(jìn)線方式及電纜彎曲半徑要求,考慮單層敷設(shè),拐彎處要平滑過渡;對(duì)中壓配電間地板夾層內(nèi)的低壓電纜和信號(hào)電纜,采用改從機(jī)艙下平臺(tái)走的方式,減輕夾層內(nèi)電纜密集及分類敷設(shè)的壓力。

      (2)為了滿足RPS要求,中壓配電板和低壓配電板分為相互獨(dú)立的左右兩個(gè)艙室布置,兩邊通過常閉的隔離開關(guān)連接,既可獨(dú)立使用,也可聯(lián)合使用,有效提高了供電可靠性。

      6 結(jié)束語

      由于綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的操作性好、經(jīng)濟(jì)性高,已受到越來越多的關(guān)注。吊艙式電力推進(jìn)方式是當(dāng)前最流行的應(yīng)用方式??闺娏χC波干擾、電磁兼容性、中壓接地技術(shù)、提高絕緣性等將是綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中需要研究的重點(diǎn)??梢韵嘈?,在不久的將來,船舶動(dòng)力將迎來“全電船”的新時(shí)代。

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