大功率船用整流裝置的適配性研究

黃曼磊

（哈爾濱工程大學 自動化學院, 哈爾濱 150001）

1 引言

船舶電力推進系統已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發展緩慢，且大多數只應用在特種船舶上。從20世紀80年代起，供電系統、推進電機和微電子及信息技術的迅猛發展，使船舶電力推進裝置打破了長期徘徊局面，得到了大力的發展。電力推進系統基本由機械原動機(柴油機、燃氣輪機或核動力)構成，用以驅動交流發電機，發電機再為推進電動機提供動力。電動機可能是直流電動機、交流同步電動機或交流感應電動機。同傳統的機械推進方式相比，采用電力推進系統的船舶在經濟性、振動噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優點。

船舶綜合全電力推進系統包括：發電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監控和電力管理，是現行船舶平臺的電力和動力兩大系統發展的綜合；它不是電力推進加自動電站的簡單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術等均發生重大變化，給未來的船舶帶來一場革命。電力變換模塊是船舶電力推進系統研究的關鍵技術之一，主要包括大容量電能變換技術研究，中、高壓電網的安全性研究等。電力變換裝置應用于區域配電系統必須滿足區域配電系統的技術要求稱之為電力變換裝置的適配性。本文主要研究大功率整流裝置的適配性，將適配性歸納為如下五個方面的內容分別進行研究：(1)安全性要求；(2)任務與功能要求；(3)供電性能要求；(4)結構設計要求；(5)環境要求。本文研究的大功率整流裝置功率為500 kW，輸入交流電壓為400 V，輸出直流電壓為1000 V。

2 安全性要求

（1）設備類別

本設備為 AC/DC電力變換裝置，主要承擔從交流電到直流電的電力變換任務。

（2）電氣間隙

電氣間隙：兩相鄰導體或一個導體與相鄰電機殼表面的沿空氣測量的最短距離。電氣間隙的尺寸應使得進入設備的瞬態過電壓和設備內部產生的峰值電壓不能使其擊穿。電氣間隙防范的是瞬態過電壓或峰值電壓。AC/DC電力變換裝置交流側輸入電壓為400 V，故交流側最小電氣間隙為20 mm；AC/DC電力變換裝置直流側輸出電壓為1000 V，故直流側最小電氣間隙為25 mm。

（3）爬電距離

爬電距離：兩相鄰導體或一個導體與相鄰電機殼表面的沿絕緣表面測量的最短距離。爬電距離的尺寸應使得絕緣在給定的工作電壓和污染等級下不會產生閃絡或擊穿（起痕）。爬電距離是考核絕緣在給定的工作電壓和污染等級下的耐受能力。AC/DC電力變換裝置交流側輸入電壓為400 V，故交流側最小爬電距離為30 mm；AC/DC電力變換裝置直流側輸出電壓為1000 V，故直流側最小爬電距離為35 mm。

（4）絕緣電阻

在絕緣試驗前，用500 V直流高阻計測量受試部分的絕緣電阻，在環境溫度為 20±5 ℃、相對濕度為90%時，其數值不應小于 1 MΩ。設備的電源插頭或電源引入端與外殼裸露金屬部件之間的絕緣電阻，經相對濕度為 91%～95%、溫度為40 ℃、48 h 的受潮預處理后，加強絕緣的設備不小于5 MΩ，基本絕緣的設備不小于 2 MΩ，Ⅲ類設備不小于1 MΩ。

工作電壓超過 500 V 的設備，上述絕緣電阻的阻值數應乘以一個系數，該系數等于工作電壓除以500 V。

本設備工作電壓為直流1000 V，該系數等于2。

（5）絕緣強度

絕緣本身耐受電壓的能力。作用在絕緣上的電壓超過某臨界值時，絕緣將損壞而失去絕緣作用。通常，電力設備的絕緣強度用擊穿電壓表示；而絕緣材料的絕緣強度則用平均擊穿電場強度，簡稱擊穿場強來表示。擊穿場強是指在規定的試驗條件下，發生擊穿的電壓除以施加電壓的兩電極之間的距離。絕緣強度通常以試驗來確定。絕緣強度隨絕緣的種類不同而有本質上的差別。

（6）機內接地的導電電阻

在380/220 V低壓系統中，接地電流很小，一般不超過幾安，所以規定接電阻不大于4 Ω，當容量在100千伏安以下時，接地電阻還可放寬至不大于10 Ω。

（7）溫升

溫升試驗的目的在于測定整流器在額定條件下運行時各部件的溫升是否超過溫升極限。整流器中半導體器件的溫升試驗可與低壓電流試驗同時進行。 如進行負載試驗，溫升試驗可與額定條件下的負載試驗同時進行。試驗時，所用的測溫元件可以是溫度計、熱電偶、熱敏器件、紅外測量及其他等效方法。溫度應在變流器各部件上的規定部位測取。對于半導體器件應測量若干個器件，其中必須包括那些冷卻條件最差的器件。對采用相位控制的晶閘管整流器，還應按產品技術條件規定，在不同控制率的連續直流電流下測取，取其中的最大值。

當一臺整流器由多個裝置并聯組成而同時進行試驗有困難時， 可對并聯的裝置分別進行試驗， 試驗電流應取單個裝置的額定電流除以產品技術條件所規定的裝置的電流均衡度所得的商。整流器各部件的溫升極限見表 1，整流變壓器的極限溫升見表2。

表1 整流器各部件的溫升極限

（8）泄漏電流

Ⅰ、Ⅱ類設備工作時的泄漏電流應符合表 3的規定，Ⅲ類設備不作泄漏電流檢驗。

表2 整流變壓器的極限溫升

表3 泄漏電流

（9）外殼防護等級

絕緣防護即是采用絕緣技術將危險的帶電部分與外界全部隔開，防止在正常工作條件下與危險的帶電部分的任何接觸，是一種完全的防護。用以覆蓋帶電部分的絕緣層應該足夠牢固，不采用破壞性手段不應被除去。使用的絕緣必須能長期承受在運行中可能受到的機械、化學、電氣、及熱應力的影響（例如摩擦、碰撞、拉壓、扭曲、高低溫及變化、電蝕、大氣污穢、電解液等產生的應力影響）；由于油漆、瓷漆、普通紙、棉織物、金屬氧化膜及類似材料極易在使用中改變（降低）其絕緣性能，因此不能單獨用作直接接觸防護。

（10）保護功能

保護系統的試驗主要包括各種過電流保護器件（如過電流繼電器、自動開關等限流電器）的過流整定，各種過電壓保護器件（如浪涌過電壓抑制器、重復過電壓阻容吸收器等）的正確工作，裝置冷卻系統的保護器件（如風速、流量、水壓等繼電器）的正常動作，安全操作的接地裝置和開關的正確設置以及各種保護器件的互相協調。

對保護器件功能的試驗，應盡可能在不致使在整流器部件（易損件除外）受到超過其額定過載沖擊條件下進行。

3 任務與功能要求

電力變換裝置的功能應滿足艦船區域配電系統任務的需求。本文研究的電力變換裝置為AC/DC電力變換裝置，其基本功能為：對發電機輸出母線與日用配電母線進行隔離，主要是隔離推進與非推進母線；將發電機配電板輸出的交流電變換為直流電，向各配電分區供電；與艦船控制系統進行數據交換；提供自動故障檢測、隔離和重構功能；支持負載切除功能；根據艦船控制系統的調度執行電能管理功能；人機交互功能。

艦船電氣系統及其部件通常在極為惡劣和苛刻的條件下工作，如十分寬的溫度和濕度變化范圍，鹽霧、霉菌及核輻射等侵蝕性的特殊工作環境，極為復雜的高空電磁環境，強的振動、沖擊和加速度等，同時還要求艦船電氣設備具有高的可靠性、好的維護性（甚至不需要修理而能長期正常工作）、體積小、重量輕等。

4 供電性能要求

（1）輸入電源電壓波動范圍

直流電源的電壓變化為額定電壓的＋6 %～-l 0 %；

交流電源的電壓變化為額定電壓的＋6%～-10%，頻率變化為額定頻率的±5 %；

蓄電池電源的電壓變化為額定電壓的±20%。

直流電壓紋波的峰-谷值不超過額定值的 15%。

波形為正弦，波形畸變率不大于5 %。

（2）電壓對稱度

多相系統的電壓，負序分量或零序分量不超過正序分量的5 %。

（3）輸出電壓及電壓調整率測量

試驗的目的是檢驗整流器的輸出電壓及電壓調整率是否滿足規定的要求。

對于固定輸出電壓的整流器，在輕載和額定連續負載情況下，電源電壓在整個規定范圍內變化時，測量輸出電壓的變化，對可變輸出電壓的整流器，則測量輸出電壓的變化范圍。測得的電壓變化值應在產品技術條件的允差范圍內。如有要求時，也應對溫度等其他條件的變化進行允差范圍試驗。

（4）輸出頻率測量

在規定的電源電壓范圍內，在輕載、連續額定負載或規定的負載電流范圍內，用頻率計測量輸出頻率。

（5）輸出電流測量

測量交流輸出電流的儀表，一般是指示基波電流的方均根值。對輸出非正弦波電流的測試，應注意選用合適的交流電流表。在規定的輸入電壓范圍內測量輸出電流。

（6）諧波和紋波的測量

對于直流輸出的整流器，使電源電壓為額定值，紋波在規定的范圍內，在輕載和額定連續負載兩種情況下測量電源電流和負載電流的各項紋波參數。

電流相對峰-谷紋波系數，由示波器測得的最大值和最小值以及電流直流值來確定。

電流紋波系數，由示波器測得的最大值和最小值來確定。

電流波形系數，由電流的方均根值和直流值來確定。

算得的各項紋波系數，應符合產品技術條件的要求。

5 結構設計要求

（1）結構

整流器的組件或半導體元件，應安裝成可從裝置中取出而無需拆開整個裝置。整流器的冷卻方式最好是干式空氣冷卻。

（2）安裝

整流器的組件或設備應使進出于組件、配套設備或外殼（如有）的循環冷卻空氣不會受到阻礙，進入整流器組件的冷卻空氣溫度不應超過該組件元件所允許的環境溫度。空氣自冷式箱體應設計成有足夠的通風口，對于全封閉式整流器應具有足夠的輻射表面，以使其運行溫度不超過允許的限度。整流器組件及其配套設備不應安裝在電阻器、蒸氣管、發動機排氣管等熱輻射源的附近。

（3）區域配電系統結構設計

為了維持供電網絡的可靠性和生命力，設計供電網絡的基本要求主要有：發電機組和線路局部損壞時，供電網絡可以繼續在最大范圍內維持供電；電網嚴重破壞時，繼續保持最重要設備不間斷供電；將電力系統設備故障的影響面縮小和限制在最小的范圍內。基于上面的要求，在設計供電網絡時，往往采取下面的措施：選擇可靠性較高的電網拓撲結構形式；按負載的重要性實行分級供電；采用分段母線方式供電。

6 環境要求

整流裝置在下述條件下應能正常工作：

（1）環境空氣溫度

高溫：55℃；

低溫：-10℃。

（2）相對濕度

95%。

（3）振動

船舶正常營運中所產生的振動。

（4）沖擊

船舶正常營運中所產生的沖擊。

（5）三防(防潮、防霉、防鹽霧)

船舶正常營運中所遇到的潮濕空氣、霉菌和鹽霧。

（6）有害粉塵、蒸汽或油霧、含易爆物質的環境

船舶正常營運中所遇到的粉塵、蒸汽或油霧、易爆物質。

（7）傾斜、搖擺

橫傾：22.5°；橫搖：22.5°；

縱傾：10°；縱搖：10°。

7 結論

通過上述研究可以知道，船用整流裝置要求高可靠、可維護性和高效率，低的發熱溫升，良好的工作特性以及電磁兼容性。

[1] 葉巍.談電源設備的適配性[J].電源技術應用，2000,(4): 186～187

[2] 郭國才，石艷.最佳的電力船推進方案[J].船電技術，2005,(1): 5～8

[3] 高海波，陳輝，林治國.民用船舶電力推進系統的發展[J].中國水運，2005,(1): 45～46

[4] 馬偉明.艦船動力發展的方向——綜合電力系統[J].海軍工程大學學報，2002,(6): 1～5,9

[5] 林曦.船用半導體變流器通用技術條件.中華人民共和國國家標準，1993年7月31日發布.