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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第七章 船舶高压电力系统随着船舶电气设备自动化程度的不断提高以及船员生活、工作条件 的逐步改善，船舶电气负荷急速增加，相应的船舶发电机的功率也 随之大幅度增加。目前大型船舶电力系统容量设计值已高达15MVA20 MVA，大型 豪华游轮更高达0MVA。已经被广泛采用近半个多世纪的船舶低压电力系统已无法满足现代 化大型船舶电力系统容量的要求，船舶高压电力系统有不断增加的 趋势，这将给船舶电力系统带来一系列新的变化。电力系统及其自动化 课 件*轮机工程学院船电系促使船舶采用高压电力系统的主要原因 1) 目前，船舶低压工频发电机的设计容量上限为2.5MW，
2、超过这 个极限的发电机在设计技术上是困难的，在经济上也不合算。 如今很多大型船舶的电站容量已达到十几MW甚至几十MW，按 此条件采用常规船用低压发电机，一艘船上将安装十几台甚至 更多的发电机组，这显然是不合理的，实船上也无法实现。 2) 随着船舶电站容量的增大，当船舶电力系统发生短路故障时,短 路电流也大幅度增加。如果采用低电压等级的船舶电力系统， 大幅度增加的短路电流已使目前所能生产出的开关电器与保护 装置的断流容量无法满足要求。 3）如果输送大功率电能仍采用低电压等级，船舶电缆的截面会很 粗，并需多股并联，造成电缆的发热量增大、线路传输损耗严 重，布线与安装上更加困难。随着电压等级的提高，
3、输送同一 功率采用的电缆规格与数量都可大幅下降。在船舶电缆的选择 上，采用高电压等级的优越性最为显著。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、高压变 压器、变配电方式、主开关型式、电缆端头的构造及 处理方法都与低压船舶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方式，与低压 电力系统普遍采用中性点绝缘方式有着明显的区别， 中性点采用何种接地方式也是船舶高压电力系统需要 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新的变化，船舶设计 、使用、管理者必须特
4、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 世界各国以及在不同应用领域关于电力系统电压等级的标 准并不完全一致。美国电气和电子工程师协会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。其中 常用的有33KV /30KV、66KV /60KV、11KV /100KV三个等级，上述等级中分子、分母分别表示额 定频率为60HZ、50Hz的电力系统所对应的额定电压。在中压电压等级之上，IEEE标准还有高压和超高压电压等 级。电力系统及其自动化 课 件*轮机工程学院船电系中国船级社CCS钢质海船入级规范2009（第四分册） 对交流
5、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 更高的电压等级。可见，中国船级社规定，超过低压电压等级的船舶电力系 统就称为船舶高压电力系统，这样，船舶高压电力系统的 电压等级在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 船舶高压电力系统防护要求船舶高压电气设备的外壳防护等级均应与其安装场所相适 应，除至少应符合外壳防护等级的最低要求外，还应满足 下列要求：(1) 旋转电
6、机的外壳防护等级至少应为IP23，其接线盒 的防护等级至少应为IP44。安装在非专职人员可以到达处 所的电动机，其外壳防护等级至少为IP4X，以防止人员接 近或触及电机的带电或转动部分；(2) 变压器的外壳防护等级至少应为IP23，如安装在非 专职人员可以到达的处所时，则其外壳防护等级至少为 IP4X。电力系统及其自动化 课 件*轮机工程学院船电系(3) 具有金属外壳的控制设备、配电设备组件和静止变换 器的外壳防护等级至少应为IP32，如安装在非专职人员可 以到达的处所时，则其外壳防护等级至少为IP4X。(4)由于功率大，损耗的绝对值也大，加上机舱压力水雾灭 火系统对船舶发电机防护性能的要求，
7、所以船舶高压发电 机绝大多数采用空气一水冷却方式，其防护等级一般为 IP54以上，可满足IP44的最低要求。至于冷却水用淡水 还是海水视具体船舶设计而定，但不论何种水质，空气一 水冷却器均应做成双管式，具有泄漏传感器报警装置。 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。 3.1 电力系统中性点运行方式 电力系统的中性点（neutral point）运行
8、方式是指电源或变压器 中性点采用什么方式接地。 3.2 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3.3 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
9、的安全等。电力系统及其自动化 课 件*轮机工程学院船电系（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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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4 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 ，防止带电挂接地线，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
15、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
16、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5 船舶高压电力系统主接线 船舶电站的主接线是指发电机通过开关设备和连接导线所 组成的供配电的电路。把发电机和变配电设备等用单线连 接成的电路图称为船舶高压电力系统主接线图。下图是某 电力推进船舶高压电力系统主接线图，下面对其做简单介 绍。该船舶高压电力系统采用4台3390KVA，6.6K
