近年來，隨著高壓電、大功率變流器等技術(shù)的發(fā)展，采用中壓直流配電的綜合電力系統(tǒng)逐漸成為船舶綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著時間的推移，大功率中壓直流發(fā)電技術(shù)也得到快速推廣。為了對大功率的中高壓直流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行質(zhì)量和安全方面的檢測，需要利用配套的中壓直流負(fù)載。

目前，國內(nèi)測試中高壓直流發(fā)電機(jī)組性能的中壓直流負(fù)載方案主要是干式電阻負(fù)載方案，通過直流接觸器的合閘/分閘功能，實現(xiàn)若干電阻負(fù)載回路的投入/切除，從而進(jìn)行中壓直流負(fù)載的功率調(diào)節(jié)，滿足負(fù)載的使用需求。

1 系統(tǒng)需求

在發(fā)電機(jī)組的性能測試方面，我單位積累了大量的工程經(jīng)驗。在使用過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組對中壓直流負(fù)載提出了越來越高的要求，具體體現(xiàn)在：①在惡劣的戶外環(huán)境下運行時，能夠?qū)崿F(xiàn)對中壓直流負(fù)載絕緣情況的實時在線監(jiān)測，保障運行安全；②在現(xiàn)有直流接觸器額定工作電壓不高的客觀條件下，進(jìn)一步提高直流接觸器的使用壽命，保障中壓直流負(fù)載的連續(xù)可靠運行。

市場上的主流設(shè)計思路均為干式電阻負(fù)載方案，該方案的顯著特點在于采用“多組負(fù)載回路并聯(lián)運行，通過直流接觸器實現(xiàn)相應(yīng)負(fù)載回路的投入/切除，實現(xiàn)負(fù)載功率的調(diào)節(jié)功能”。目前，該干式電阻負(fù)載方案屬于較為成熟的產(chǎn)品，已經(jīng)能夠基本滿足使用需求。

但是該方案的弊端在于：①負(fù)載回路接觸器的額定電壓必須等同于發(fā)電機(jī)組的“+”“◆”之間電壓，當(dāng)發(fā)電機(jī)組的輸出電壓較高時，直流接觸器的設(shè)備選型變得很困難；②電阻回路發(fā)生單極對地短路時，設(shè)備不具備故障報警功能；③無法對主回路進(jìn)行絕緣情況的實時監(jiān)測。

基于上述情況，本文提出了大功率中壓直流負(fù)載的優(yōu)化設(shè)計方案，該方案不僅具有主流干式電阻負(fù)載方案的所有功能，還具有如下突出特點：①具有獨創(chuàng)性的電阻負(fù)載回路，使得關(guān)鍵開關(guān)設(shè)備的選型變得更加簡單；②具有負(fù)載回路在線絕緣監(jiān)測和報警功能，保障中壓直流負(fù)載的運行可靠性；③具有故障診斷功能，能夠?qū)ψ陨磉\行狀態(tài)進(jìn)行自我診斷，提高設(shè)備運行的可維護(hù)性、可靠性。

2 基本組成及功能

2.1 基本組成

中壓直流負(fù)載主要由主回路、控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、散熱裝置及輔助控制等部分組成，所有設(shè)備均集成在集裝箱內(nèi)，主要包括集裝箱、干式電阻器、直流接觸器、熔斷器、冷卻風(fēng)機(jī)、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、電量傳感器及其他附件等硬件設(shè)備。

負(fù)載主回路共有若干個并聯(lián)運行的負(fù)載回路（負(fù)載回路包括干式電阻器、直流接觸器、熔斷器）組成，負(fù)載回路數(shù)可根據(jù)實際使用情況進(jìn)行針對性設(shè)計。每個負(fù)載回路均通過對應(yīng)直流接觸器的分閘、合閘，選擇性地投入到主回路中，實現(xiàn)中壓直流負(fù)載的功率控制，從而滿足大功率發(fā)電機(jī)組對直流負(fù)載的功率要求。

2.2 基本功能

中壓直流負(fù)載的主回路接入發(fā)電機(jī)組的輸出端，對發(fā)電機(jī)組的功率進(jìn)行消耗；控制系統(tǒng)對中壓直流負(fù)載內(nèi)的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)加減載操作以及相關(guān)參數(shù)的采集等功能；監(jiān)測系統(tǒng)主要通過監(jiān)測中壓直流負(fù)載內(nèi)的運行狀態(tài)等參數(shù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測功能；散熱裝置主要利用風(fēng)機(jī)將主回路上產(chǎn)生的焦耳熱散發(fā)出去，從而保證主回路能夠在額定溫度下正常工作。

1）控制系統(tǒng)

通過工業(yè)以太網(wǎng)，人機(jī)界面（human machine interface，HMI）向PLC發(fā)出接觸器的合閘、分閘命令，完成接觸器的合閘、分閘，從而實現(xiàn)對負(fù)載功率的控制。同時，HMI接收PLC返回的數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)運行過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示、計算等功能，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 中壓直流負(fù)載的控制系統(tǒng)示意圖

2）監(jiān)測系統(tǒng)

在中壓直流負(fù)載運行過程中，實時監(jiān)測散熱裝置的運行狀態(tài)量、風(fēng)道的風(fēng)壓指示量、風(fēng)道的溫度信號以及主回路接觸器的合分閘狀態(tài)等開關(guān)量信號。當(dāng)狀態(tài)信號出現(xiàn)異常時，由HMI界面提示報警，等待操作員的下一步指令。當(dāng)緊急情況出現(xiàn)時，監(jiān)測系統(tǒng)向PLC控制裝置發(fā)出保護(hù)指令，由PLC控制裝置發(fā)出保護(hù)動作指令。

3 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)通用中壓直流發(fā)電機(jī)組的運行特性，發(fā)電機(jī)組的輸出端均引出三個接線端子，分別為“+”、“0”和“-”；并且“0”輸出端經(jīng)電阻接地，為發(fā)電機(jī)組提供參考零電位，同時起到限制單相接地短路電流的作用，如圖2所示。

圖2 船用中壓直流發(fā)電機(jī)組電氣一次系統(tǒng)示意圖

基于中壓直流發(fā)電機(jī)組的運行特性，對現(xiàn)有大功率中壓直流負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后中壓直流負(fù)載的電氣回路如圖3所示。

圖3 中壓直流負(fù)載的電氣主回路圖

如圖3所示，該直流負(fù)載共由若干個負(fù)載支路并聯(lián)組成，每一個負(fù)載回路由兩組干式電阻器單元串聯(lián)運行，由高壓熔斷器、直流接觸器、干式電阻器構(gòu)成。同時，在負(fù)載的直流母線“+”、“-”上安裝高精度電壓傳感器、電流傳感器，分別用于測量直流母線“+”、“-”極的對地電壓和母線電流。

該中壓直流負(fù)載的突出特點：

1）采用雙極式直流接觸器、負(fù)載支路由兩組干式電阻器串聯(lián)構(gòu)成，并且能夠測量直流母線的對地電壓和母線電流，實現(xiàn)負(fù)載回路的關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)視功能。

2）通過集成于設(shè)備面板上的HMI實現(xiàn)負(fù)載的所有測控功能，即通過HMI向PLC控制裝置發(fā)出控制指令，完成設(shè)備的自檢、負(fù)載功率的調(diào)節(jié)等功能；并借助于監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、自我保護(hù)等功能。

3.1 主回路的設(shè)計

目前中高壓直流發(fā)電機(jī)組的輸出電壓已經(jīng)達(dá)到數(shù)kV，而較為成熟的直流接觸器的額定工作電壓最大只能到DC 3.6kV，明顯低于直流發(fā)電機(jī)組的額定功率。面對這一突出問題，中壓直流負(fù)載生產(chǎn)廠家的解決辦法是在現(xiàn)有直流接觸器額定電壓只有DC 3.6kV的情況下，選用更高電流等級的直流接觸器，以換取直流接觸器較為可靠的運行。經(jīng)實踐證明，該解決辦法極大影響了直流接觸器的使用壽命，直接影響中壓直流負(fù)載的運行安全。

為此，本文設(shè)計了如圖3所示的電氣主回路，提出采用雙極直流接觸器進(jìn)行分壓的方式實現(xiàn)負(fù)載回路的合、分閘操作，使DC 3.6kV電壓等級的雙極直流接觸器可直接應(yīng)用于DC 7.2kV及以下的直流發(fā)電系統(tǒng)，極大地拓寬了中壓直流負(fù)載的應(yīng)用范圍。依靠該創(chuàng)新性的主回路設(shè)計，簡化了關(guān)鍵開關(guān)設(shè)備的選型，極大地提高了中壓直流負(fù)載的運行可靠性。

3.2 在線絕緣監(jiān)測的設(shè)計

在現(xiàn)有制造工藝的條件下，一臺MW級的中壓直流負(fù)載，在一個狹小的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)安裝多達(dá)兩千根左右的干式電阻器，每根干式電阻器在運行中均存在著對地放電的風(fēng)險，因此對設(shè)備的在線絕緣監(jiān)測顯得尤為重要。

同時，由于中壓直流負(fù)載發(fā)熱量巨大，且其往往在惡劣的戶外環(huán)境下運行，使得設(shè)備的冷態(tài)和熱態(tài)絕緣水平均隨著環(huán)境的變化而急劇變化；惡劣天氣條件下，中壓直流負(fù)載的冷態(tài)和熱態(tài)對地絕緣急劇下降，使得干式電阻器的對地放電風(fēng)險進(jìn)一步增加。

此外，目前沒有專門用于中壓直流負(fù)載設(shè)備的在線絕緣監(jiān)測裝置，無法實時監(jiān)測該設(shè)備的運行狀態(tài)，從而極大增加了設(shè)備運行的安全風(fēng)險。

為此，本文基于圖2所示的電氣系統(tǒng)，設(shè)計了專門用于中壓直流負(fù)載的在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。用于該系統(tǒng)的監(jiān)測信號包括“+”、“-”母線的對地電壓和母線電流以及接地電阻的漏電流，分別標(biāo)識為U+、U-、I+、I-、I0，為保證測量信號的精度，U+、U-、I+、I-、I0的測量傳感器均采用精度不低于0.3的閉環(huán)式傳感器。

在正常運行時，可將圖2、圖3所示的電氣回路等效為圖4所示的電氣回路等效圖。

圖4 電氣回路等效圖

如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)：①在中壓直流負(fù)載正常運行時，U+=U-、I++I-=I0=0；②在中壓直流負(fù)載“+”或“-”絕緣異常，發(fā)生對地故障時，U+≠U-、I++I-=I0≠0。

如上所述，本文所設(shè)計的中壓直流負(fù)載在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，對電壓電流傳感器的輸出信號進(jìn)行采集，并通過濾波計算得出實時準(zhǔn)確的U+、U-、I+、I-、I0；再根據(jù)電壓電流的對應(yīng)關(guān)系，實時監(jiān)測中壓直流負(fù)載運行時的在線絕緣情況。

3.3 故障診斷功能的設(shè)計

本文深入市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)中壓直流負(fù)載廠家在設(shè)備的設(shè)計、制造和生產(chǎn)過程中，往往只考慮完成既定的出廠指標(biāo)，完全忽略了中壓直流負(fù)載在后期使用過程中的狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警和記憶分析等功能。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)中壓直流負(fù)載的嚴(yán)重故障往往是未被發(fā)現(xiàn)的局部故障引起的連鎖反應(yīng)，為此，對設(shè)備的關(guān)鍵運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和自我診斷就顯得異常重要。

本文設(shè)計的中壓直流負(fù)載，基于記憶功能的自我診斷功能，運用PLC裝置成熟的存儲技術(shù)，實時采集并存儲設(shè)備初次正常運行時的各項狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)作為故障診斷的原始數(shù)據(jù)。在中壓直流負(fù)載設(shè)備的使用過程中，PLC裝置將根據(jù)實時采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)比對，進(jìn)而確保中壓直流負(fù)載裝置的運行可靠性。

以某個負(fù)載回路的額定功率為例，PLC裝置根據(jù)該負(fù)載回路的投切狀態(tài)和母線回路的電流，可得出該負(fù)載回路的實時功率；將該數(shù)據(jù)與存儲的該負(fù)載回路額定功率進(jìn)行比對，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的差值超過誤差值，即給出該負(fù)載回路的干式電阻器存在部分熔斷的故障診斷信號，從而避免該負(fù)載回路的其余干式電阻器因分壓不均導(dǎo)致的異常發(fā)熱而接連損壞的惡劣后果。

通過這種運行數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的比較和分析，極大提高了設(shè)備運行的可靠性和可維護(hù)性；同時，也極大減少了運行人員的工作量，具有很高的工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于直流發(fā)電機(jī)組的中壓直流負(fù)載，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠性高、工程應(yīng)用價值高以及能夠故障預(yù)警等突出優(yōu)點。經(jīng)實際工作驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡單、可靠；系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能和自我診斷功能極大提高了設(shè)備運行的可靠性，降低了設(shè)備故障率；同時，該系統(tǒng)的設(shè)備選型簡單，工程應(yīng)用價值高?；谥绷靼l(fā)電機(jī)組的中壓直流負(fù)載，在直流負(fù)載的工程應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。