船用中压开关柜

摘要：随着中国造船工业的快速发展，中国已从造船大国变成造船强国，越来越多的世界级船舶如FPSO(浮式生产储油卸油装置)、LNG(液化天然气船)、破冰船及大型邮轮等都可以在中国制造。而电力系统作为船舶驱动的核心，船舶电压也已从低压发展到中压发电、驱动系统，中压开关设备则是船舶安全行驶、工作的关键设备。

关键词：开关柜；中压；船舶驱动；FPSO；可靠性；

引言
船舶系统一般由多个柴油发电机发电，电缆进入中压开关进线柜，然后经出线柜电缆连接到变频驱动马达推进器。与陆用设施相比，海上船舶和工程对于持续安全可靠运行的要求要高很多，而环境条件要恶劣很多。在这样的条件下，为了确保电气和控制系统的安全、可靠运行，需要更慎重的进行系统和产品设计。对船舶电力网的基本要求是生命力强、即要求电网在发生故障或局部破损等情况下，仍能保证对负载的连续供电，并限制故障的发展和将故障的影响限于最小范围之内。船用开关柜除了需要满足开关设备的基本要求，还需要满足船用的一些特殊环境及使用要求，通过相应的试验验证和相关的船级社的设计验证。

船用开关柜的基本要求
产品使用环境要求如表1
表1  船用高压柜使用条件

外壳防护等级
一般中压开关柜船用防护等级有IP42W，用于安装在配电室中的开关柜，存在暴露于滴水和/或通常的机械损伤的危险；IP44W，用于安装在机房中的开关柜，存在较大的水和（或）机械损伤危险的地点；IP56SW，用于室外安装的开关柜。W表示适用于盐，热和潮湿环境的开关柜；

产品参数要求
中压系统采用三相三线绝缘系统或三相三线中性点接地系统；当采用中性点接地系统时使用中性点高电阻接地方式，能够最大程度保证供电连续性，同时可以避免由于绝缘系统产生的很高的过电压倍数，降低对电动机等低绝缘设备的耐压要求，降低成本。通过接地变压器GPT在二次侧开口三角线圈的开口两端处串接一个能短时通过接地电流的大容量电阻，当高压侧单相接地时，系统产生零序电压，经一次侧变到二次侧后在接地变压器GPT的开口三角绕组两端产生电压，通过接地电阻和二次绕组产生电流，从而GPT高压侧绕组中感应出小的电流，所以通过GPT中性接地点的接地电流就是三倍的感应电流。因为经过GPT的二次侧补偿的单相接地电阻电流较小，故称为高阻接地系统，接地电阻值是按照单相接地时流经接地电阻的电阻电流和系统的电容电流相等的原则来确定的。GPT有安装于开关柜内部的，也有通过接触器柜作为控制出线安装在柜外部的。

产品特征要求
前后扶手：在开关柜的前后设有坚固的绝缘手柄，如开关柜的后面是开启的，则其后面的绝缘扶手应水平安装；其目的是为操作人员提供固定的扶手。

门锁位装置：仪表室、断路器室门应提供门在开启位置时的锁位装置，保证在操作、检修时不会摇摆造成摇晃，造成人员伤害、损坏设备。

船用开关柜通常采用4~5台开关柜安装在同一底座上，一组开关柜出厂时完整装配，现场整体起吊到船舱内，再完成组间的连接装配等工作，减少现场工作量。

由于需要满足振动的要求，开关柜需要采用减震措施，通常采用在公共底座与开关柜柜体间安装橡胶垫实现减震功能。

IP防护等级设计，如前所述，船用开关柜防护等级需要满足IP42，有些特殊应用还要满足IP44要求，IP4X是代表防止≥?1mm直径的固体异物进入开关柜内部，而IPX2是防止与垂直15o范围内滴水进入开关柜造成有害影响，IPX4是防止向外壳±180o各方向溅水造成的有害影响。对于IP42，柜顶及门板、封板安装密封条可以满足需要，百叶窗可以用作对于柜体的通风，而对于IP44，由于180o溅水，任何通风孔都会造成水进入柜体，需要对导电回路的温升设计或降容来满足要求。

内部故障防护措施
由于船用开关柜安装在船舱内，空间高度有限，而一般变电站使用开关柜柜顶距离天花板都比较大，因此内部故障燃弧后不会反弹到柜前，而由于船舱高度低，一般距离柜顶部只有500mm，内部故障产生的电弧冲击波会迅速反弹造成人员伤害；且防护等级要求IP42，柜顶需要防滴水；而船舱隔室又不允许使用压力释放通道将电弧压力释放到外部。因此一般采用燃弧缓冲通道顶部泄压，即压力先释放到柜顶公共缓冲隔室，然后通过顶部压力释放孔排到柜外，如图所示，缓冲隔室可以大幅度减少冲击压力，且大部分燃烧物都可以阻隔在隔室里，释放到柜体外的压力、燃烧物就不会对外界造成损失、伤害。

其它设计要求
高压开关设备的电气间隙应符合表2要求

若电气间隙低压表值，则应进行冲击电压试验。
爬电距离按绝缘材料的特性和开关及故障时产生瞬间过电压加以考虑，应能适应系统的额定电压。

开关设备应符合下列要求
金属封闭 结构或绝缘材料封闭型机构；
断路器应是抽出式结构或具有等效措施，在母排带电情况下，能安全地将断路器断开
抽出式断路器不论在工作位置还是断开位置，应有机械锁定机构，在断路器抽出状态下，带电静触头被自动覆盖；
应提供足够数量的接地和短路设备，以保证电路安全地进线维修工作；
电缆入口应有能防止漏水沿着电缆 开关柜内部的措施；
仪表、开关、指示灯、按钮、操作手柄等应有标明其用途和操作位置的耐久铭牌。

船用开关柜的试验及认可
振动试验
按照IEC60068-2-6标准试验Fc要求进行振动试验试验严酷程度如下：
从2 + Hz 到13.2Hz 位移1.0mm(峰值) 从13.2Hz 到100Hz 加速度0.7 G
扫描率= 1 倍频程/分    扫描次数=1
持续时间测试，每次持续时间90 分钟，在放大因数Q>2 的共振频率点上进行（最多三 个共振频率点）；如果没有放大因数大于2 的频率被检测到，将在最大的放大因数频率
上做持续时间测试；如果没有共振频率，则在30Hz 频率上做90 分钟持续试验。

倾斜、摇摆试验
安照IEC60092-504标准，开关柜按正常安装，按前、后、左、右四个方向各倾斜22.5，每一位置的试验时间应能充分评估设备的特性，试验持续时间不少于15分钟
前后、左右二个水平轴向至与垂直角度22.5°摇摆，一个位置转到另一位置的时间为10s，
试验持续时间不少于15分钟。

交变湿热试验
验证在湿热影响下，设备能正常工作，按照IEC 60068-2-30 出版物，试验Db进行试验；试验条件：
(1) 温度：45℃ ±2 ℃；
(2) 相对湿度：90％～ 95％；
(3) 持续时间：2 周期( 每周期24h)；
(4) 第1 周期中设备应处于通电工作状态，在第2 周期中除进行功能试验外应切断电源。
在第1 周期高温高湿阶段前2h 和第2 周期高温高湿阶段的最后2h 应进行功能试验。
(5) 试验周期结束后，从试验箱中取出受试设备，在标准大气条件下进行恢复。允许用
手将试验样品上所有能接触到的表面和部件上的水渍抹去。
(6) 在恢复后测量绝缘电阻和进行性能试验。
(7) 其他详见IEC 60068 － 2 － 30 出版物规定。

防护等级试验
需要按照GB/T4208、IEC60529标准完成相应的IP防护等级试验，特别是防水试验。

环境温度45度温升试验
按照IEC60092-101标准要求，船用开关柜额定电流安全运行的最大周围空气温度45℃,而一般开关设备的使用温度最大是40℃，因此需要采用增大导电回路截面、增加通风、电流降容等措施保证满足使用要求， 同时应在完整装配（即满足防护等级、内部故障压力释放通道等）的开关设备，模拟环境温度45℃进行温升试验。

船用开关柜的型式认可
对于定型船用开关柜、断路器、接触器等产品可以申请船级社取得认可，包括型式认可(TYPE APPROVE)或产品设计证书(PDA-CERTIFICATE OF DESIGN ASSEMENT)，型式认可包括PDA和工厂审核。
对于每一批具体船舶工程项目，都需要按照所属船级社的规范进行工程产品的设计评审、认证。需要提供系统短路电流，保护整定，开关设备抗短路能力等计算。

船用元器件
船用中压柜使用的电线、电缆、低压保护、控制元件、仪表等都需要采用经过船用标准试验、船级社型式认可的产品，在CCS/DNV/ABS等船级社都可以查到相应的认可产品清单。
船用电缆采用低烟无卤多芯软电缆，弯曲半径小。船用电流表、电压表等也有特殊要求，需要按相应标准使用。

船舶项目的应用

一般钢质海船船舶要求
主电源至少由2台发电机组成，发电机组的台数和容量，应能在任一发电机组停止工作时，仍能继续对正常运行、船舶安全等所必需的设备供电。当任一发电机不工作时，其余发电机组仍能供应从瘫船状态起动主推进装置所必需的电力。主配电板至少分成2个独立的分段，每1分段至少由1台发电机供电，分段间应通过断路器或隔离开关分隔开，也可至少设置2个相互连接的独立主配电板。

海洋石油平台电力系统
与一般船舶电力系统相比有如下特殊性：
短路容量大，要求各级断路器具有高分断能力和完备的保护，开断电流达到40/50kA，有些项目采用限流器瞬间切断电流保证短路故障时设备的安全；
并联运行，系统额定电流大，3150/4000/5000A；
海洋平台很多电力负载需要持续工作，如果中断可能导致的损失会非常大。所以，对其供电连续性要求更高，配电设备应具有长寿命，免维护与检修方便的特点；
海洋平台空间成本极高，供电设备在安全可靠的前提下，减少占用空间，具有非常大的价值。

图4  石油平台中压系统

结语
船用开关柜由于使用环境及应用要求特殊，因此有其独特的标准要求，因此需要按照相应标准、使用要求进行设计，并完成试验；对于工程项目，需要按照系统要求设计，特别是石油平台的电气设备，短路电流大，可靠性要求高，因此需要完整的短路电流计算、机械强度、结构计算等，以便顺利通过船级社的工程设计批准。

参考书目：
CCS《钢制海船入级规范》第4篇 电气装置
IEC60092-503 Part 503: Special features –AC supply systems with voltages in the range of above 1 kV up to and including 15 kV