科考船实验室供配电系统的设计

张 优，陈超君，周祎隆，郭志刚

应用研究

科考船实验室供配电系统的设计

张 优1，陈超君1，周祎隆1，郭志刚2

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011；2. 江南造船（集团）有限责任公司上海 201913)

现代科考船安装有大功率变频器和精密科考仪器，日趋严重的电网谐波和日益增长的洁净电源需求形成严重矛盾；同时为了保障科考任务正常进行，实验室供电的连续性和安全性越发重要。为了向实验室设备提供洁净、连续、安全电源，本文分析了隔离变压器、电机-发电机组、UPS等设备的工作原理，介绍了电缆的选型、敷设、接地等的原则：有利于提高电网抗干扰性、连续性和安全性。并对普通隔离变压器、电机-发电机组、UPS的抗干扰性能进行了测试和对比：电机-发电机组输出的谐波最小，普通隔离变压器输出的谐波最大，科考UPS输出的谐波和电机-发电机组相近，因同时具有低谐波、不间断供电的特点，在实验室供电上具有优势。

电磁兼容 隔离变压器 电机-发电机组 UPS 绝缘监测和定位系统

0 引言

科考船能够使科学工作者直接应用专门仪器观测海洋、采集样品和研究海洋，具有多学科、多功能、多技术的特色。而船舶电力系统属于小型孤岛电网，容量较小，运行工况复杂，易受负荷运行变化影响，抗干扰能力弱。为了确保科考船精确、实时和连续地采集和处理数据，除了要求船舶搭载的探测设备和仪器具有专业性和精密性外，还要求船舶提供洁净、连续、安全的供电。目前科考船电能质量存在的主要问题有：

1）电网谐波和电磁干扰：现代科考船大多是综合电力推进船舶，安装有大功率变频动力设备，谐波的大量注入会带来严重的电能质量问题，极大影响电力系统装置、乃至整个电力系统的安全、稳定运行[1]。尤其是谐波和电磁干扰被传输到实验室电网后，可降低精密仪器测量和处理数据的精度，影响作业的效率，甚至导致经济损失。

2）电网波动和中断：船舶上大型电机起动时电网会出现电压、电流的波动，严重时可导致电网中断。科考船实验室作为数据的采集、分析和处理中心，不能因电源的中断而导致重要数据的丢失；即使在电源设备检修维护期间，科考工作也应保持正常进行。供电系统应具有冗余性和可维护性：

3）电网故障和安全：船舶上最常见的故障为接地故障，如不及时排除可能会发展成短路故障，引起全船失电、船舶失去动力甚至产生火灾等后果，必须采取有效措施进行风险预防，提升故障排除效率，提高电网安全可靠性。

本文结合船舶电网和科考设备的特点，基于向其科考实验室设备提供洁净、连续、安全电源的原则，对供电基本方案进行归纳和总结，对科考船舶的设计具有参考作用。

1 供电网络的洁净性

电磁兼容问题包括电磁干扰源、传播途径和设备抗干扰能力三大要素[2]。本文重点阐述在船舶设计中对干扰源、耦合路径进行合理规划，有效抑制谐波和干扰。

1.1 提高干扰源的性能

电力推进科考船的干扰源主要是动力设备的大功率变频器。变频器整流器一般采用6脉波、12脉波、虚拟24脉波、24脉波、有源前端（AFE）等。6脉波、12脉波、虚拟24脉波、24脉波统称为多脉波整流变频器，相数越多变频器注入电网的谐波含量越小[3]，缺点是设备多重量大，对船舶空间要求高。有源前端变频器（AFE）的整流模块采用全控型电子器件IGBT和LCL滤波器，既可作为整流器，也可作为逆变器，可实现能量的双向流动控制，在混合动力船舶应用中具有灵活、高效的特点[4]，对输入电网产生的谐波小，但易形成谐振回路，存在放大谐波、造成电网不稳定的隐患。

近年来由于电力电子技术和计算机控制技术的发展，直流电网技术因具有节能减排、无需无功补偿、发电机并网无需同步等特点得到了应用。直流电网虽然“隔断”了推进变频器向交流电网馈送谐波的通道，但因直流-交流逆变器、以及交流电网上变频器和UPS等设备的使用，交流电网上的谐波也不能忽视，需采取适当抑制措施以提高电能品质。

1.2 抑制谐波干扰的影响

除了提高干扰源的性能外，在实验室供电网络上还应设置必要的设备、采取适当的电缆敷设和连接工艺，以消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射。因隔离变压器、电机-发电机、UPS等设备具有降低电网谐波和电磁干扰的功能，在科考船上得到了应用。

1.2.1采用隔离变压器

1）普通隔离变压器

实验室是各种非线性仪器集中工作的场所，电流的畸变会影响船舶电网的正常工作；同时船舶电网上的动力、辅助等设备也较复杂，变频电机引起的谐波、大功率设备的起动冲击会对实验室设备产生影响，因此实验室供配电网和船舶电网之间需要进行隔离。隔离变压器因初级和次级绕组没有任何电气连接，完全独立、相互绝缘，除了对电源电压进行变换外，还能切断干扰源的耦合传输通道，其较大的阻抗还能减小负载侧电网的短路电路，因此成为实验室的基本供电设施，其原理见图（1）所示。

电网干扰就形式和传输途径而言分为共模干扰和差模干扰。变压器是靠磁耦合实现原边和副边的能量变换，抑制差模干扰的能力较弱。初级、次级绕组间存在分布电容，虽然对低频共模干扰起到一定抑制作用，但对高频共模干扰的抑制效果却随干扰频率的升高而下降。要提高对差模干扰和高频共模干扰的抑制能力，需要采用屏蔽隔离变压器。

2）屏蔽隔离变压器

屏蔽隔离变压器，即在普通隔离变压器的初级和次级线圈之间插入一层金属并将之与接地端相连，接地电阻要尽可能小，其原理见图（2）所示。该金属层将初级和次级线圈之间的耦合电容C分为两个小电容C1、C2，随着电容的减小，电容容抗值会增大，一定范围内的高频共模干扰得到抑制。

如果要求对高频差模干扰进行抑制，需在屏蔽隔离变压器上采用低阻抗的金属条，将上述屏蔽层与初级的输入端相连接，其原理见图（3）所示。由电路原理可知，对于基波频率为50 Hz/60 Hz的电源，初级和屏蔽层之间的容抗很高，基波电源仍通过变压器送到负载侧，该金属条不会对电路产生影响；但对于频率较高的差模干扰，由于初级绕组和屏蔽层之间的电容容抗趋于变小，极易将高频干扰信号传输到次级，屏蔽层与初级绕组之间的低阻抗金属条可将有害的差模干扰短路，提高了抗干扰能力。

（图1 几种隔离变压器原理图。其中C、C1、C2分别表示耦合电容，ZE表示对地电阻）

1.2.2采用滤波器

对于安装有特别敏感设备、或有特殊要求的实验室，需对该实验室的配电网络进行谐波分析，并根据分析结果在该区域的配电网络的输入回路上设置有源或无源滤波器，对谐波进行消除。

滤波器分无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是利用电器元件对系统的电感、电容和电阻进行匹配，滤除某次谐波，对系统进行无功补偿，结构简单，成本低廉，但受电网阻抗和运行状态的影响，易形成谐振回路，造成系统不稳定[5]。有源滤波器由指令电流运算部分和补偿电流发生部分组成，当需要对变频器产生的高次谐波干扰进行抑制的时候，有源滤波器首先对高次谐波分量进行测量，通过计算得到补偿电流，转化为信息传输给补偿电流发生电路，通过这种方式对高次谐波干扰进行抑制[6]，降低或消除电网中的谐波电流成分，提升电网质量，实现了动态跟踪，又不会产生谐振。滤波器是属于“事后补救”式谐波治理，需根据实际需求综合评估后实施。

1.2.3采用电机-发电机机组

图2 电机-发电机组供电系统示意图

电机-发电机机组是将电能转化为机械能、再将机械能转化为电能的设备，主要由电动机、发电机、励磁系统和控制系统等组成。电动机和发电机之间只是机械连接，没有任何电气连接，彻底隔离船舶电网的谐波和干扰，其输出电压接近理想的正弦波，为实验室精密设备提供清洁电源。系统图如图2所示。

1.3 优化电缆选型和敷设

船用设备在设计与制造过程中要考虑电磁兼容，减小所产生的干扰，并使自身有较强的抗干扰能力，详见文献[7-8]。对电缆的进行合理选型,采用良好的电缆连接、安装和保护工艺，有助于提高设备的电磁兼容性。船舶上电气或电子设备之间的电磁干扰，大多是通过设备外部电缆间的电磁耦合并从设备的端口（包括电源、通信、接地等）进入设备的，耦合途径主要是电容性耦合、电感性耦合和辐射耦合。电缆本身为了抑制这三种耦合，相对应的方法就是电缆的静电屏蔽、电磁屏蔽和辐射屏蔽[9]。

目前主流的抑制电磁干扰的手段为在强电设备或电缆外加装磁性屏蔽材料，对于磁性屏蔽材料的制造、安装工艺等相关技术研究较多，并取得一定的成果[10]。船舶和实验室仪器的电力电缆、信号电缆、控制电缆应具有金属铠装层，信号电缆、控制电缆内部应具有屏蔽层。电缆内部屏蔽层一端接地，可抑制电容性耦合；电缆金属铠装层作为外屏蔽层进行两端或多端接地，可抑制电感性耦合；电缆的内屏蔽层和金属铠装层均可抑制辐射耦合。电缆的屏蔽层和金属铠装层必须具有足够的编织密度，以确保屏蔽的连续性和可靠性。发射信号采用抗干扰能力强、传输数据稳定的同轴电缆或射频电缆。光纤电缆因不受外界电磁信号的干扰、信号的衰减速度慢、信号传输距离远等特点，特别适用于电磁环境恶劣的处所，在船舶上得到了推广。

电力电缆、控制电缆和信号电缆应分类敷设，防止电缆间的电磁干扰。不同类别的电缆，平行敷设时应至少相距50 mm，交叉通过时应尽量垂直并远离。电缆在贯穿舱壁和甲板时，既不能破坏原舱壁和甲板的水密性，也不能破坏相关处所的电磁兼容性。对电磁场敏感的仪器间，所有进入该处所的电缆（包括临时电缆）应采用带电磁屏蔽功能的穿舱件。每个实验室的设备原则上由设置在该处所内的分电箱供电，如需向其他实验室供电，该电缆应敷设在金属保护套管内，以增加金属屏蔽保护。实验室内的大功率设备要设独立供电回路，避免其起动或停止时对科考电网造成冲击。对于一定功率的变频设备，变频器到设备之间应采用3+3E结构的变频电缆，该结构可以使3个绝缘接地线芯形成对称平衡状态，电流分量不会叠加，有效降低高次谐波对变频电缆的不利影响，同时降低感应电压不平衡并将共态噪声传回传动系统[11]。

2 供电网络的连续性

实验室设备的意外失电，可能会造成计算机程序中断、数据丢失等，需设置不中断电源UPS。UPS的原理为：通过蓄电池对电能进行储存和释放，在电网故障时，将蓄电池的电能通过逆变器不间断地向负载供电。在科考船上主要有UPS单机供电、双机供电等方式。

UPS单机系统是最常用的方案，其原理图如图3所示。工作模式为：（1）正常供电：主电源通过整流器、逆变器、静态开关向负载供电，同时向蓄电池进行充电管理。（2）蓄电池供电：主电源故障或者整流器故障而导致直流母线电压低于电池电压时，蓄电池经逆变器、静态开关向负载供电。（3）旁路供电：逆变器失电或故障时，旁路电源经旁路静态开关自动向负载供电。（4）维修供电：在逆变器与旁路电源同步情况下，人工将负载切换到维修旁路开关实现对负载的连续供电，UPS退出运行进行维护修理。

图3 UPS单机供电原理图

UPS双机供电系统包括两套UPS，是冗余的供电系统，以并联方式最常见，其原理图如图4所示。正常运行时2台UPS共同工作并平均为全部负载供电；当一台UPS故障并退出进行维护时，由另一台正常的UPS独立向负载供电；当两台UPS均出现故障时，旁路电源经旁路静态开关向负载供电，系统的可靠性和冗余性较高。

UPS的逆变器会对输出电网产生谐波。为了实现变频变压并抑制高频谐波，通常采用成熟正弦脉宽调制技术（SPWM），对调制波和载波的选取适当的频比和调制比，在输出回路采用滤波器和隔离变压器，有效提高基波幅值、降低了低次谐波干扰。由于感性负载本身对高次谐波具有滤波作用，高次谐波对感性负载的影响很小，UPS的电网质量满足设备的使用需求。应注意的是，在采用SPWM的供电系统中，高频谐波中的d/d、d/d会产生共模干扰和差模干扰。d/d和d/d越大，设备的电磁辐射能量越强，因此UPS设备和系统设计应满足IEC60533《船舶电气设备和电子设备的电磁兼容性》。另外，两台UPS的输出端并接在一起，存在环流，电能消耗较大；如输出端发生短路故障，导致两台UPS同时停机，需在平时多加注意设备的维护和检修。

图4 UPS双机并联供电原理图

3 供电网络的安全性

船舶低压供电系统通常为三相三线绝缘、设备外壳接地保护的IT系统，没有专用中线和接地线。IT系统中电气设备的金属外壳应可靠接地。当由于相线碰壳、绝缘损害、金属外壳聚集大量的静电等因素导致外壳带电时，保护接地可以大大减少工作人员触电的危险。

实验室仪器的电源尽量采用三孔插头和插座，利用专用接地端提供保护。对于一些带两孔插头的设备，如这些设备的金属壳体需要进行安全接地，应在实验室配置专用的接地铜条，采用专用的接地电缆将设备的金属外壳和接地铜条进行牢固的连接。实验室每台仪器应采用独立的导线进行接地, 不能将多台仪器的接地端子串联后再共用一根导线接地，因为这种接法不仅会因公共阻抗产生电位，也会由某端地线断开导致整个接地线路开路，形成安全隐患。

实验室电线、水管比较集中，设备易因受潮、破损、腐蚀等原因造成线路漏电。船舶电源为IT系统，单相发生接地故障时的故障电流很小，不会造成故障回路保护器的切断，但是故障相的对地电压降低，非故障两相的相电压升高，如设备长时间带故障运行，则会加快电气设备及电缆的绝缘老化，如绝缘的薄弱环节被击穿，则发展成相间短路而使事故扩大，所以对于IT系统的绝缘监测非常重要。

传统的绝缘检测方法是在配电板母排上设置绝缘检测和报警系统，该系统只能对船舶的电力网络进行简单的绝缘监测，而对发生故障的原因、线路等无法提供更加精确的信息，故障点的排查困难且工作量很大[12]。为了提高故障排查的效率，应采用先进的绝缘监测和定位系统，工作原理见图5[13]：绝缘监视仪连续测量IT电网内相线和地之间的绝缘阻值，当系统对地绝缘值降至预设报警值时，绝缘监视仪输出报警信号，同时触发其内部的绝缘故障测试电流发生装置发送测试电流信号，并由安装在发生绝缘故障回路中的测量电流互感器监测到该电流信号后进行精确定位[14～15]，提高工作效率，为系统的安全稳定运行提供了保障。

图5 绝缘监测和定位系统原理图

4 案例应用

某科考船采用了直流供配电技术，变速发电机分别通过6脉波整流器向直流母排提供电源，发电机须承受6脉波整流器带来的谐波的危害，设备本身的性能应满足要求。直流母排虽然“隔离”了大功率变频设备向日用电网和设备提供的谐波的途径，但交流电网上尤其是实验室的配电系统的谐波应加以重视。实验室的配电系统示意图见图6。

交流电网上的谐波来源主要有两种，一种是DC-AC逆变器产生的谐波，另一种是交流电网上使用的变频器、UPS等设备所产生的谐波。DC-AC逆变器产生的谐波可以通过在其输出端设置滤波器进行抑制。为了提高实验室的供电质量，本船提供了3种AC230V科考电源。

1）科考普通电源：采用普通隔离变压器，向实验室的普通设备和电器供电。

2）科考洁净电源：采用电机-发电机机组和屏蔽隔离变压器向敏感仪器供电。电机-发电机机组向电网提供洁净电源，如果发生故障，将自动切换到备用的屏蔽隔离变压器，连续提供相对洁净的电能。

3）科考UPS电源：设置双套UPS，正常时由两台UPS共同向全部负载供电；当一台UPS故障时，由正常的UPS向全部负载供电；当两台UPS均故障时，由旁路电源通过旁路静态开关向全部负载供电。为了降低整流装置对全船AC400V电网的谐波干扰，整流器采用12脉波，并在输入端设置有源滤波器。为了提高输出电源的质量，在输出端设置LC无源滤波器和屏蔽隔离变压器。

图6 实验室的配电系统示意图

经分析，本船在进出港工况时，在网运行的变频设备、UPS数量较多且负荷较大，该工况被列为谐波控制和验证的典型工况。选取科考普通电源配电板、科考洁净电源配电板、科考UPS电源配电板作为测试点，在空载时采用专业的电能质量分析仪，基于快速傅立叶变换理论，对谐波进行在线分析，测试结果如表1。

表1 进出港工况谐波测试结果

根据中国船级社《钢质海船入级规范》（2018）和船东的要求，低压配电电网中总的电压谐波失真小于5%，单次电压谐波失真小于3%。表1显示，所有AC220V科考电网上的谐波均优于船级社和船东的要求。科考普通电源配电板由普通隔离变压器供电，谐波是测试数据中最大的。科考洁净电源配电板，当由电动-发电机组供电时，谐波最小；当由屏蔽隔离变压器供电时，谐波优于普通隔离变压器供电时的测量值。科考UPS电源配电板与电机－发电机供电时的谐波值相接近，因具有谐波低、不间断供电的特点，在实验室供电上更具有优势。

5 结束语

近几年我国海洋科考事业得到了政府和科研机构的支持，海洋科考船的研发、设计和建造已经进入高速发展阶段，科研目的、科研手段和科考装备的发展均对实验室供电提出了更高的要求，对实验室供电系统进行规范化设计也迫在眉睫。在科考船舶的电网设计中，应根据电网谐波大的特点，结合设备安全、人员安全的需求，从电源设备配置选型、设备接地处理和接地监测、电源、信号和控制电缆的选型和施工等方面充分论证，保障科考船实验室电源的洁净、连续和安全，为科考数据的精确性、实时性和连续性提供可靠的工作平台。

[1] 史帅彬, 曾江, 康文韬, 等. 具有谐波抑制功能的电网电能质量最优控制方法[J/OL]. 电源学报: 1-8[2021-07-01].http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20200604.1447.016.html.

[2] 王天忠. 潜艇舱内电磁干扰特性分析与典型问题处置方法研究[J]. 船电技术, 2020, 40(03): 5-8.

[3] 张元玮, 王良秀, 王硕丰, 等. 海洋工程船舶综合电力推进系统关键技术分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(3): 75-80.

[4] 潘永德, 李明刚. AFE变频器在新能源船舶中的应用[J]. 船电技术, 2019, 39(05): 36-38.

[5] 张优, 秦绪文, 谢宋清, 等. 物探船谐波综合治理方案研究[J]. 船舶工程, 2020, 42(06): 77-81+125.

[6] 张子豪, 叶瑞海. 船舶变频器高次谐波干扰自动抑制方法[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(16): 130-132.

[7] IEC60533 2015: Electrical and electronic installations in ships - Electromagnetic compatibility EMC - Ships with a metallic hull

[8] 船舶电气设备和电子设备的电磁兼容性[S]. 2016. (GB/T 10250 2016).

[9] 叶莹, 袁雍晗, 徐义亨. 船舶电缆系统的电磁兼容. 舰船电子工程, 2016, (11): 146-150

[10] 熊鹏俊, 周畅, 王晓川. 双层磁性材料屏蔽效能研究[J]. 船电技术, 2019, 39(09): 6-9.

[11] 李永江. 关于船用变频电缆的探讨[J]. 船舶, 2016, 27(01): 77-80.

[12] 宋强. 船舶电站绝缘监测系统的原理研究与硬件设计[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(04): 70-72.

[13] 陆熀林. 船舶电力绝缘故障智能定位的研究与运用[J]. 电气时代, 2019(08): 73-75.

[14] 高健. 低压绝缘监测与定位系统在中海油海上平台的应用[J]. 科技创新导报, 2017(27): 104-105.

[15] 郁杨. 基于Web的船舶交流电网绝缘状态监控系统研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(14): 91-93.

The Design of Power Distribution for the Laboratory of Scientific Research Ship

Zhang You1, ChenChaojun1, Zhou Yilong1, Guo Zhigang2

（1.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011 China；2.Jiangnang Shipyard (Group) Co. Ltd）

U674.81

A

1003-4862（2021）09-0035-06

2021-07-30

张优（1969-），女，高级工程师。研究方向：船舶电气及自动化。E-mail：zhangyou231@sina.com