大功率船用整流装置的适配性研究

2010-07-25黄曼磊

船电技术 2010年7期

黄曼磊

（哈尔滨工程大学自动化学院, 哈尔滨 150001）

1 引言

船舶电力推进系统已有近百年历史，但是由于受各种因素制约，发展缓慢，且大多数只应用在特种船舶上。从20世纪80年代起，供电系统、推进电机和微电子及信息技术的迅猛发展，使船舶电力推进装置打破了长期徘徊局面，得到了大力的发展。电力推进系统基本由机械原动机(柴油机、燃气轮机或核动力)构成，用以驱动交流发电机，发电机再为推进电动机提供动力。电动机可能是直流电动机、交流同步电动机或交流感应电动机。同传统的机械推进方式相比，采用电力推进系统的船舶在经济性、振动噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显优点。

船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置、技术等均发生重大变化，给未来的船舶带来一场革命。电力变换模块是船舶电力推进系统研究的关键技术之一，主要包括大容量电能变换技术研究，中、高压电网的安全性研究等。电力变换装置应用于区域配电系统必须满足区域配电系统的技术要求称之为电力变换装置的适配性。本文主要研究大功率整流装置的适配性，将适配性归纳为如下五个方面的内容分别进行研究：(1)安全性要求；(2)任务与功能要求；(3)供电性能要求；(4)结构设计要求；(5)环境要求。本文研究的大功率整流装置功率为500 kW，输入交流电压为400 V，输出直流电压为1000 V。

2 安全性要求

（1）设备类别

本设备为 AC/DC电力变换装置，主要承担从交流电到直流电的电力变换任务。

（2）电气间隙

电气间隙：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。电气间隙的尺寸应使得进入设备的瞬态过电压和设备内部产生的峰值电压不能使其击穿。电气间隙防范的是瞬态过电压或峰值电压。AC/DC电力变换装置交流侧输入电压为400 V，故交流侧最小电气间隙为20 mm；AC/DC电力变换装置直流侧输出电压为1000 V，故直流侧最小电气间隙为25 mm。

（3）爬电距离

爬电距离：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝缘表面测量的最短距离。爬电距离的尺寸应使得绝缘在给定的工作电压和污染等级下不会产生闪络或击穿（起痕）。爬电距离是考核绝缘在给定的工作电压和污染等级下的耐受能力。AC/DC电力变换装置交流侧输入电压为400 V，故交流侧最小爬电距离为30 mm；AC/DC电力变换装置直流侧输出电压为1000 V，故直流侧最小爬电距离为35 mm。

（4）绝缘电阻

在绝缘试验前，用500 V直流高阻计测量受试部分的绝缘电阻，在环境温度为 20±5 ℃、相对湿度为90%时，其数值不应小于 1 MΩ。设备的电源插头或电源引入端与外壳裸露金属部件之间的绝缘电阻，经相对湿度为 91%～95%、温度为40 ℃、48 h 的受潮预处理后，加强绝缘的设备不小于5 MΩ，基本绝缘的设备不小于 2 MΩ，Ⅲ类设备不小于1 MΩ。

工作电压超过 500 V 的设备，上述绝缘电阻的阻值数应乘以一个系数，该系数等于工作电压除以500 V。

本设备工作电压为直流1000 V，该系数等于2。

（5）绝缘强度

绝缘本身耐受电压的能力。作用在绝缘上的电压超过某临界值时，绝缘将损坏而失去绝缘作用。通常，电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度，简称击穿场强来表示。击穿场强是指在规定的试验条件下，发生击穿的电压除以施加电压的两电极之间的距离。绝缘强度通常以试验来确定。绝缘强度随绝缘的种类不同而有本质上的差别。

（6）机内接地的导电电阻

在380/220 V低压系统中，接地电流很小，一般不超过几安，所以规定接电阻不大于4 Ω，当容量在100千伏安以下时，接地电阻还可放宽至不大于10 Ω。

（7）温升

温升试验的目的在于测定整流器在额定条件下运行时各部件的温升是否超过温升极限。整流器中半导体器件的温升试验可与低压电流试验同时进行。如进行负载试验，温升试验可与额定条件下的负载试验同时进行。试验时，所用的测温元件可以是温度计、热电偶、热敏器件、红外测量及其他等效方法。温度应在变流器各部件上的规定部位测取。对于半导体器件应测量若干个器件，其中必须包括那些冷却条件最差的器件。对采用相位控制的晶闸管整流器，还应按产品技术条件规定，在不同控制率的连续直流电流下测取，取其中的最大值。

当一台整流器由多个装置并联组成而同时进行试验有困难时，可对并联的装置分别进行试验，试验电流应取单个装置的额定电流除以产品技术条件所规定的装置的电流均衡度所得的商。整流器各部件的温升极限见表 1，整流变压器的极限温升见表2。

表1 整流器各部件的温升极限

（8）泄漏电流

Ⅰ、Ⅱ类设备工作时的泄漏电流应符合表 3的规定，Ⅲ类设备不作泄漏电流检验。

表2 整流变压器的极限温升

表3 泄漏电流

（9）外壳防护等级

绝缘防护即是采用绝缘技术将危险的带电部分与外界全部隔开，防止在正常工作条件下与危险的带电部分的任何接触，是一种完全的防护。用以覆盖带电部分的绝缘层应该足够牢固，不采用破坏性手段不应被除去。使用的绝缘必须能长期承受在运行中可能受到的机械、化学、电气、及热应力的影响（例如摩擦、碰撞、拉压、扭曲、高低温及变化、电蚀、大气污秽、电解液等产生的应力影响）；由于油漆、瓷漆、普通纸、棉织物、金属氧化膜及类似材料极易在使用中改变（降低）其绝缘性能，因此不能单独用作直接接触防护。

（10）保护功能

保护系统的试验主要包括各种过电流保护器件（如过电流继电器、自动开关等限流电器）的过流整定，各种过电压保护器件（如浪涌过电压抑制器、重复过电压阻容吸收器等）的正确工作，装置冷却系统的保护器件（如风速、流量、水压等继电器）的正常动作，安全操作的接地装置和开关的正确设置以及各种保护器件的互相协调。

对保护器件功能的试验，应尽可能在不致使在整流器部件（易损件除外）受到超过其额定过载冲击条件下进行。

3 任务与功能要求

电力变换装置的功能应满足舰船区域配电系统任务的需求。本文研究的电力变换装置为AC/DC电力变换装置，其基本功能为：对发电机输出母线与日用配电母线进行隔离，主要是隔离推进与非推进母线；将发电机配电板输出的交流电变换为直流电，向各配电分区供电；与舰船控制系统进行数据交换；提供自动故障检测、隔离和重构功能；支持负载切除功能；根据舰船控制系统的调度执行电能管理功能；人机交互功能。

舰船电气系统及其部件通常在极为恶劣和苛刻的条件下工作，如十分宽的温度和湿度变化范围，盐雾、霉菌及核辐射等侵蚀性的特殊工作环境，极为复杂的高空电磁环境，强的振动、冲击和加速度等，同时还要求舰船电气设备具有高的可靠性、好的维护性（甚至不需要修理而能长期正常工作）、体积小、重量轻等。

4 供电性能要求

（1）输入电源电压波动范围

直流电源的电压变化为额定电压的＋6 %～-l 0 %；

交流电源的电压变化为额定电压的＋6%～-10%，频率变化为额定频率的±5 %；

蓄电池电源的电压变化为额定电压的±20%。

直流电压纹波的峰-谷值不超过额定值的 15%。

波形为正弦，波形畸变率不大于5 %。

（2）电压对称度

多相系统的电压，负序分量或零序分量不超过正序分量的5 %。

（3）输出电压及电压调整率测量

试验的目的是检验整流器的输出电压及电压调整率是否满足规定的要求。

对于固定输出电压的整流器，在轻载和额定连续负载情况下，电源电压在整个规定范围内变化时，测量输出电压的变化，对可变输出电压的整流器，则测量输出电压的变化范围。测得的电压变化值应在产品技术条件的允差范围内。如有要求时，也应对温度等其他条件的变化进行允差范围试验。

（4）输出频率测量

在规定的电源电压范围内，在轻载、连续额定负载或规定的负载电流范围内，用频率计测量输出频率。

（5）输出电流测量

测量交流输出电流的仪表，一般是指示基波电流的方均根值。对输出非正弦波电流的测试，应注意选用合适的交流电流表。在规定的输入电压范围内测量输出电流。

（6）谐波和纹波的测量

对于直流输出的整流器，使电源电压为额定值，纹波在规定的范围内，在轻载和额定连续负载两种情况下测量电源电流和负载电流的各项纹波参数。

电流相对峰-谷纹波系数，由示波器测得的最大值和最小值以及电流直流值来确定。

电流纹波系数，由示波器测得的最大值和最小值来确定。

电流波形系数，由电流的方均根值和直流值来确定。

算得的各项纹波系数，应符合产品技术条件的要求。

5 结构设计要求

（1）结构

整流器的组件或半导体元件，应安装成可从装置中取出而无需拆开整个装置。整流器的冷却方式最好是干式空气冷却。

（2）安装

整流器的组件或设备应使进出于组件、配套设备或外壳（如有）的循环冷却空气不会受到阻碍，进入整流器组件的冷却空气温度不应超过该组件元件所允许的环境温度。空气自冷式箱体应设计成有足够的通风口，对于全封闭式整流器应具有足够的辐射表面，以使其运行温度不超过允许的限度。整流器组件及其配套设备不应安装在电阻器、蒸气管、发动机排气管等热辐射源的附近。

（3）区域配电系统结构设计

为了维持供电网络的可靠性和生命力，设计供电网络的基本要求主要有：发电机组和线路局部损坏时，供电网络可以继续在最大范围内维持供电；电网严重破坏时，继续保持最重要设备不间断供电；将电力系统设备故障的影响面缩小和限制在最小的范围内。基于上面的要求，在设计供电网络时，往往采取下面的措施：选择可靠性较高的电网拓扑结构形式；按负载的重要性实行分级供电；采用分段母线方式供电。