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1、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题。 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：
2、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
3、 * 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
4、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 2可控硅整流器 3 可控硅逆变器 4 交流电抗器 5同步补偿机 (调相机) 6 励磁用可控硅 整流装置 7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 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
5、机可以输出额定功 率。 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。 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
6、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。 1. 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
7、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、
8、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标准不完全一 致。IEEE标准规定额定电压大于1K
9、V，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23KV、416KV、66KV等 ，而额定频率为50HZ的电力系统，中压的额定值有33KV、60KV 、100KV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
10、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
11、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
12、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
13、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310 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 110
14、kV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，
15、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
16、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
