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1、海洋工程船舶中压电力系统及设备需求之剖析技术与应用TbChnologyFeatures海洋工程船舶中压电力系统及设备需求之剖析文/七0八研究所吴斐文【引子】作为中科电气(集团)公司院士专家工作站的成员,我应公司领导之邀请于4月份考察参观了该公司的南汇工业园区基地,初步了解了公司基地制造业的规模和产品.本文特就公司选定船舶和海洋工程领域作为发展方向问题简述目前该领域内中压电力系统及设备的现状并兼论公司在中压电气设备研制领域中的现有基础和可创新发展的潜力,供公司领导和业务部门参考.1.概述以开发海洋油气资源为主要目标任务的海洋工程装备,是我国船舶工业新的亮点,已列入国务院振兴船舶工业发展纲要的重点
2、发展方向.加快海洋工程装备制造业的发展,是船舶工业结构调整的重要方向.在推进海洋工程装备制造业发展的同时,还要着力提高我国海洋工程装备的研发设计能力,总装集成能力和海工配套能力.这一系列政策措施已在从中央到各级地方政府,企业,事业及民营单位的规划,计划工作中逐步得到体现.在文献1中列出了我国在近10年中属于国内船东(个别除外)国内建造的主要海工船的17项实例.从表中可见,这些海工船对电气专业来说,采用中压电站的占到了88%.(15项),其中采用电力推进的10项,100%为中压电站;在非电推的7项中,也有71%(5项)为中压电站.可见,海洋工程船舶中压电力系统的应用已成为主角.这个特点应成为所有
3、从事船舶电气事业和产业的部门和人员的共识和工作的出发点.2.中压电力系统及设备现状2.1起点高,趋势猛国内中压电力系统船舶的研制开始于1966年的渤海1号自升式钻井平台(3kV210O0kW),因采用陆用钻机设备上船,不可能作全面分析,其合理性及水平明显有问题.64造船I业WWW.sbipsources.tom2011/5后来到80-90年代在几艘FPSO浮式生产储油轮上也基于同样原因采用了中压系统.真正具有现代意义的中压电力系统应用,笔者认为可以2004年开始的4000t全回转起重打捞船华天龙号研制作为一个新的起点,这既是用户对海洋工程市场寄予巨大期望而开发的具有现代高新技术的海工船,也是造
4、船工业深化科技体制改革,加大自主创新能力的投入产生的结果.这反映在该船采用了大量高新技术的大功率变频调速驱动系统(4000t起重机同时使用总功率达4900kW,12台11o拉力定位锚绞车同时使用总功率约3000kW,4台200Om3/h压载泵同时使用总功率达880kW)以及大功率中压软起动驱动系统(2台全回转舵桨推进器同时使用总功率达3000kW,1台侧向推进功率达2000kW).致使全船电站配置采用了中压4台6.3KV2850kW发电机,是国内首次自主完整设计的中压电力系统船舶.在当时国内外着名大型电气总包公司在华机构也实现不了全船中压电力系统的总集成,而是由船舶总体设计单位七O八所进行全面
5、系统总设计,制定各设备订货技术要求,分别单项订货,由七0八所负责接IZl规划与设计,包括中压电压等级论证,短路电流估算,中压配电板的结构及组成,大功率传动型式的确定,中压电容电流及接地电阻的计算,中压供电原则的分析,直流UPS的计算,大功率变压器预充磁计算等,这些现在大多已由集成总包商做的工作当时并没有人主动来做.这些工作也成了一种榜样模式而成了以后陆续产生附录1中11项产品(有3项在之前已订货)的中压电力系统船舶供应商的集成内容.这一切就发生在最近的67年中,确确实实的起点高,趋势猛的现状.2.2外商垄断面对如此迅猛的发展形势,怎能不引起具有敏捷商业头脑的外商的注意而成了外商垄断的业务.据很
6、粗的估计,仅这11项产品的中压开关柜就达到了约近1亿人民币的业务,平均价格约每屏40万元,值得我们的深思.3.中压电力系统技术特征3.1一般技术要求1)技术规格主要是电压等级,发电机容量及数量,中压开关柜汇流排额定电流及额定耐受电流.按照JEC600925032007电压lkV以上至小于及等于15kV的交流电源系统标准中采用了lEC60038标准电压的规定,船舶中压电力系统的电源系统应有标称电压,标称频率和设备最高电压的优先值选择,如表1所列.我国CCS船舶规范中没有如此规定.但在国标GB厂n562007标准电压中(修改采用IEC60038),没有表1中的6.6,11,(15)kV的标称电压,
7、且规定只有标准频率50HZ一种.另外国标中还规定了交流发电机的额定电压有3150,6300,10500,13800,1575.V等规格,而IE将标准中无发电机电压规定.目前船舶中压电力系统的电压等级选择有一些混乱,主要有:?GB中没有的6.6,11kV应用较多;?交流发电机在50Hz系统中采用6600,11000V较多,与GB不符.以上现象与供应商大多为国外公司有关,应该由谁来监管这个最基本的电压参数选择并且遵守那个标准应引起有关方面的注意.发电机容量及数量由海洋工程项目基本设计确定,文献1中列出了部分项目的电站规格,容量由23755760KVV,数量从38台,而笔者从事的课题研究中已扩大到7
8、760kW12台之多,估计单机容量用到1O000kW也为时不远了,个别燃气轮机机组已达到20000kW以上.汇流排额定电流由发电机容量决定,当前主要采用125O250OA,少数用到了3150A.汇流排额定耐受电流与短路电流值有关,当前多数小于25kA(个别16kA),少数用到31.5kA.而在笔者的课题研究中已涉及到11kV50kA的极限系统电站.为了安全可靠的运行,也分析了采用提高电压等级到15kV减小短路电流和维持11kV电压而分成两个独立电网来减小短路电流的比较.2)系统特征表1标称电压大于lkV至小于及等于15kV的交流电流三相系统i系统标称电压瓜V标称频率/Hz设备的最高电压/kVf
9、33.63_33.667.26.650或607.210121112(15)(17.5)a.中性点接地系统中压电力系统电制型式是一个决定系统设备绝缘水平及系统运行可靠性的主要因素.电制型式是指中性点的不同接地方式.主要有不接地,直接接地和高电阻接地三种方式.这三种不同的接地方式在发生单相接地故障时有不同的后果和影响,详见文献2的分析.由于中压电力系统的对地电容电流较大,在不接地即绝缘系统中电容电流会在单相接地故障点(或绝缘薄弱点)产生弧光,可能引起火灾以及由此引起的过电压可能损坏设备并引发多相短路,这种故障隐蔽不易检查排除,带病工作后果难以估计.直接接地系统中,发生故障会被开关立即切断,所以影响
10、最小,但供电可靠性较差,一般用自动重合闸或双回路供电来改进.经高电阻接地系统中,单相接地故障电流是电容电流和电阻电流的合成,可以保证零序保护装置动作并限制接地故障电流(一般10-15A,但有资料介绍可达30A),此电流可动作于信号或跳闸.此外,高电阻接地可限制过电压不超过2.6倍额定相电压,可有效保证设备的正常绝缘能力;而不接地系统的过电压达44.5倍额定相电压,比设备的正常绝缘能力要大,因此绝缘的介电强度要提高.目前接地系统采用发电机中性点接地和配电板汇流排人为中性点接地两种型式都有.b.多段汇流排采用中压电力系统的船舶除了有大功率电力负荷供电需要的除外,均为电力推进甚至动力定位船舶,对供电
11、冗余性要求较高.多段汇流排的供电型式是冗余性设计的首选.因此,除了必须的2段型汇流排以外,3段,4段,5段,6段,7段型汇流排的中压电力系统船舶都有实例,文献3有较多介绍.2011/5WWW造船I业65技与应用TbChnologyFeaturesC.转换供电和配电型式这也是一种冗余性设计的型式,可保证在故障状态时的供电可靠性.在较少的分段汇流排情况下,可用转换的方式来保证冗余性,发电机可转换,配电负荷也可转换.目前看到的最多转换的实例是3000t起重打捞船威力号,6台发电机中有2台可在2段汇流排之间转换,5台推进负荷中有3台可转换.d.配电负荷基本全为变压器在绝大多数的中压电力系统单线图上一眼
12、望去,汇流排输出的配电负荷可能基本上全为变压器.这是因为当前的电力推进负荷或大功率作业设备负荷几乎全为变频调速驱动控制,他们采用各种脉波型式的整流,都需要采用移相变压器.另外,船用低压日用负荷也是通过日用变压器降压后供电,也少不了变压器.这两大因素造成了大量变压器的应用,除非用电负荷电动机是不调速单机驱动,则可能采用在线直接起动或降压起动(如软起动)就不存在变压器了,如海油11730万吨FPSO,32台中压电动机均为直接起动不调速,由6.3KVA汇流排经断路器直接供电.e.用电负荷功率巨大,甚至超过单个发电机的容量,需考虑通电措施在中压电力系统船舶中,无论是电力推进负荷还是大功率作业设备负荷的
13、功率均十分巨大,甚至超过单个发电机的容量.当这些负荷通电时,无论是变压器还是电动机(包括其变频装置),都要考虑它们通电时巨大的冲击电流的影响.极端情况下,如果在1台发电机供电时也要通电时更为严重.所以应对这些负荷的接通规定条件并进行冲击电流的计算,不能造成电网电压过大跌落甚至低压跳闸失电,必要时应设计预充磁或预充电电路设计来防止.3.2主要设备66造船工业WWW.shipsources.corn2011/51)发电机组当前中压电力系统船舶绝大多数采用柴油机作为原动机组成发电机组,多数是中速600750r/min,少数功率小的可能是1000mlnI功率更大的可能转速还要低到500或514r/m_
14、n.而FPSO船因采用石油气或天然气为燃料而应用燃气轮机,则转速常为3000r/rain,如采用蒸汽轮机,则转速也应为3000r/min,发电机组的型式应不会有太大变化.目前,柴油发电机组以进口为主.2)中压开关柜中压开关柜是中压电力系统的核心,是连接发电机与用电负荷的纽带,并且从上述中压电力系统特征来看,很多与中压开关柜的组成结构有关,所以显得特别关键.IEC60092503标准指出,开关板应符合经过船用修改的fEC62271200高压开关和控制机构标准和船用附加要求(这些修改和附加要求正在考虑中).此外,一般应符合IEC602651高压开关和IEC60694高压开关设备和控制机构标准的通电
15、规格的相关规定.CCS船舶规范中对中压开关柜的要求原则上是lEC标准要求.目前,船舶中压开关柜主要采用引进技术本土生产的名牌产品,包括西门子,ABB,GE等品牌.中压开关柜的防护性能应符合IP32的lEC标准要求,但目前无论任何品牌的中压开关柜都没有像低压配电板那样的板前照明结构,所以要做到防15.滴水的等级,顶板要带上一块伸出约400500mm的防滴板,使得开关柜上部的光线被遮挡得很暗,不便于观察仪表和操作.而中压开关柜如安装在有绝缘结构的干燥的控制室时,按CCS规范表1.3.2l2的外壳防护最低要求可采用IP20,则是否可不考虑滴水要求,可解决遮光问题,即放宽采用IP30等级,值得有关部门
16、研究.中压开关柜还有一个绝缘型式及水平问题.绝缘型式有两种,一种是常用的空气绝缘,在要求高的场合也可选用SF6绝缘的柜子.绝缘水平是指额定耐受电压标准,lEO标准是IEC600711和lEC600712.lEC60O92503的4.4条绝缘水平指出,船上的条件可能要求某些设备的绝缘水平高于系统标称电压下的数值应引起我们的注意.目前,我国陆上高压输变电设备的绝缘配合标准GB311.11997要求的绝缘水平就比l巨3标准要求的高.如6KV系统,GB为23/30<V1EC为20KV;10KV系统,GB为30/42KVIEC为28KV.因此,船用水平至少应等同陆上水平,而西门子,ABB在国内的产
17、品NXAIR和Zs1的标准也符合GB要求,但供船用产品却经常按lEO要求,实在没道理.3)控制及辅助设备控制设备主要是断路器及保护装置.中压断路器目前主要采用真空型,也有采用SF6型.中压真空断路器都是可抽出式结构,符合IEC60092503标准要求.西门子公司有NXACT系列,ABB公司有VD4和VM1系列真空断路器.中压断路器不像低压断路器自带保护装置,所有的保护功能均由电子式多功能保护继电器来发出信号,无论是过载,过压,欠压,逆动,接地,差动等均是.因此,多功能保护继电器是中压电力系统功能是否正常的核心,非常重要.多功能保护继电器品牌很多,西门子公司有SIPROTEC47SJ62系列,A
18、BB公司有REF541和REM543.我国陆用引进和自主开发的多功能保护继电器也很多,不一一介绍了.辅助设备有DCUPS装置和中性点接地装置.DCUPS装置用于中压开关柜的辅助电力供应,包括断路器合闸,分断操作,保护装置的正常工作和其他控制,监测等辅助电路的用电.目前多数采用DO110V或24V的电源.中性点接地装置用于中性点高电阻接地系统中,作为在发生接地故障时,限制接地故障电流的作用,自动发出声光报警或自动断开故障电路.它可以采用发电机中性点经高电阻接地或经单相接地变压器原边接地,其副边接通高电阻.当发电机数量较多时,可以从汇流排上引入三相电压经三相接地变压器原边中性点接地,其副边三相绕组
19、串联后接通高电阻.接地故障发生时,高电阻电路内会产生另序电流,该电流可接入到多功能保护继电器中去.中性点高电阻接地系统中的电阻器应是高压电阻器而接地变压器中的高电阻则可为低压电阻器,这是两种方法的主要设备区别之处.4.对中科电气(集团)公司中压电气设备研制的评述1)现有产品情况a中压开关柜引进德国特瑞德(TAVRIDAELETRIC)电气公司的LlSA中压开关柜技术,包括生产图纸及主要部件,已批量生产和出口.中压开关柜按照EC62271200标准制造及试验,包括内部燃弧故障在内(IAC级:AFLR,31.5kA/ls)的完整型式试验.开关柜为金属铠装式或间隔式金属封闭式开关设备,可单母线或双母
20、线结构,有泄压罩或气体排放管道.开关柜具有接地开关和安全联锁功能以及多种接线方案.也满足GB39062006标准.额定电流有630,1250,1600,2000A.额定电压12kV,额定工频耐受电压42kV额定短路开断电流lSC31.5KA,额定频率5O/60Hz,额定母线电流2500A.单母线柜前接线柜宽650mm(6301250A),800mm(1600,2000A),柜深1260mm,柜高2200mm/2500mm(带泄压通道).防护等级IP4X(630,1250A),IP3X(1600,2000A).b永磁式真空断路器LlSA中压开关柜配备了特瑞德公司的lSM真空断路器.它使用了三个单
21、线圈的永磁机构,每相一个.结构简单(无机械锁扣,分合闸线圈及储能电机,弹簧),小型化(比西门子,ABB的轻,小),寿命长(平均25年免维护),高可靠性(活动部件少,可监测故障>90%),低操作功率(是常规的1/2-1/5).额定电流有630,800,1000,1200,1600A,额定电压12,15,17.5,24kV,额定短路电流12.5,16,20,25,31.5kA.2)向船用发展的创新工作a中压开关柜及永磁式真空断路器的船检认可中科电气(集团)公司的中压开关柜及永磁式真空断路器研制已有一段历史及出IZl业绩,产品符合lEC相关标准要求,具有型式试验合格证书,并且具有一定的技术特点
22、.在我国当前船用中压开关柜及真空断路器基本由西门子公司和ABB公司垄断市场的局面下,完全具备有异军突起冲破垄断的基础条件.虽然还没有在船上用过,但CCS并没有其他特殊的要求,只要产品是按照lEO标准制造和试验的,符合IEC标准规定的要求就可以.因此,只要按照CCS产品检验处的规定,提供充分的材料,向CCS提出船检认可申请,按照一定的步骤能够完成这个工作.这也是供用户应用的基础.b积极找用户试用为此,应先开展广泛的宣传工作,包括走出去请进来,是潜在用户有初步的认识了解.针对西门子和ABB的产品做一些分析对比工作,包括技术性能,重量,尺寸,价格,维修保养,技术服务等各个方面.主动进行市场调查,明确
23、重点用户方向,协助用户进行规划,随时跟踪项目进展,向用户提供信息.目前,由于船舶市场的多样化,这个用户包括船东,设计单位或船厂,尽可能找到项目的第一决策方进行沟通.在第一个用户上,完全可实行试用模式,以增强用户采用的信心.必要时,联合项目集成供应商,以排除不进行单项采购造成的被动局面.C提高研制的本土化率为了增强产品竞争力,提高经济效益,提高产品研制中的本土化率以减少进13比率是根本关键,包括产品的硬件和软件.目前,主要竞争对手西门子,ABB的中压开关柜都已移师中国上海和厦门,具有一定的本土化率.公司应对自己的产品结构组成做好分析,找出重点的部件进行攻关,制定长期规划,逐年取得提高.主要参考文献:1吴斐文海洋工程船舶电气系统及设备的现状及展望上海市造船工程学会2010年学术年会船舶电气专场专题报告2徐丹铮,缪燕华,吴斐文大功率电力系统船舶的电气设计(上)船舶2009年第5期3毕雨佳,吴斐文DP2/DP3船舶电力系统设计要点上海造船2008年第4期皿2011/5WWW.shipsources.corn造船I业67
