CN118920338B - 一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，柜体顶部分别设有断路器室、母线室、电缆室内部电弧泄压通道的泄压板；断路器室内设有电力电子开关阀串单元；电力电子开关阀串单元中的二极管阀串室和IGBT阀串室连接；柜体上部的仪表室内设有二次端子排、空开、控制器、继电器、综合继电保护装置、光纤电流互感器接线盒、电磁锁、电缆室电压互感器，电缆室包含外接电缆铜排、电流互感器和电压互感器；带电显示装置、电压互感器、电流互感器设置在汇流排上；母线室内安装主母排、分支母线，主母排用于连接各功能屏，各功能屏采用单独1屏的母联屏，在完成中压直流配电装置母联屏测量保护功能的同时，能减少船舶主配电板空间体积。

Description

一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置

技术领域

本发明涉及一种船用中压直流配电装置，尤其是一种适用于10kV中压直流综合电力推进系统传输、分配电能及保护用的配电装置。

背景技术

在基于永磁同步发电机+可控整流技术路线的直流综合电力系统中，由于系统具有电压等级高、系统容量大、线路阻抗小、储能元件多的特点，发生极间短路故障时，短路电流上升率与电流峰值将达到极高水平。根据系统保护分析，为解决直流系统对故障保护快速性及选择性的难题，在中压直流配电装置内需要采用固态断路器作为保护设备。本发明涉及一种适用于永磁同步发电机+可控整流技术路线的、基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置。船舶中压直流配电装置是国内大型船舶及海洋平台电站设备配套领域重要的发展方向之一，从国内实际现状而言亦是制约这些海洋开发装置发展的瓶颈。开发具有自主知识产权的船用中压配电装置具有十分重要的意义。

现有的中压配电装置设计存在以下问题：

(1)目前大型船舶电站一般采用多个电站形成环网供电方式，在大多数工况下，需要多个电站并联操作，中高压电站中一般均配有母联屏(跨接屏)和测量屏，其母联屏母线室安装主母线，起到连接各功能屏的作用。测量屏安装电流互感器、电压互感器等，起到测量保护作用。由于大型船舶设备较多，内部舱室空间有限，而母联屏和测量屏两屏占用很大的空间，对船体的整体布局带来很大的不便；

(2)目前船用中压配电装置的联锁装置操作繁琐，联锁程序不够清晰，其联锁方式的可靠性存疑；

(3)目前船用中压配电装置的仪表室由于空间有限且元器件较多，内部布置比较密集，不利于二次电缆接线，控制线路接线复杂，调试、检修不方便，容易发生事故风险，降低其可靠度。

针对上述问题：1)本发明考虑到大型船舶主配电板室空间有限性，在无法安装测量屏的特殊情况下，根据实际项目的需求，中压直流配电装置母线室中可加装母线接地开关或电压互感器，在此充分考虑到为了保证电气安全性能，在设计母线电压互感器或母联接地开关时，使其满足规范中母线室电气间隙和爬电距离的要求，在操作上可采用机械联锁和电气联锁方式来保证母联接地开关操作过程中的电气安全；2)采用母线室接地开关操作闭锁装置、手车室联锁装置、电缆室门与接地开关操作等联锁装置，为操作人员提供一个安全的工作环境；3)本专利中的船用中压配电装置仪表室采用可独立、模块化设计，不仅空间增大，而且可根据实际项目需求调整该模块的内部布置，方便二次电缆及仪表的接线，并能提供可靠供电的设计方案。

通过本发明设计可在满足船用中压直流配电装置应有功能的同时，提供一种尺寸相对更小的中压直流配电装置解决方案，可有效节约船舱空间，解决大功率中压直流配电板的空间布置等问题。

发明内容

本发明是要提供一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，主要用于大型船舶及海洋工程船舶电站，在满足船用中压配电装置保护快速性及选择性要求的同时，采用优化柜体结构的设计方案，使其具有结构紧凑，小体积模块化，可以有效的减小体积，降低成本，提高船舶有限空间的利用率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，包括柜体、断路器室、仪表室、电缆室、母线室，柜体顶部分别设有断路器室、母线室、电缆室内部电弧的泄压通道的泄压板；断路器室内设有电力电子开关阀串单元；电力电子开关阀串单元包括IGBT阀串室以及二极管阀串室、隔离变压器、电动隔离手车、泄压通道，二极管阀串室和IGBT阀串室连接；柜体上部的仪表室内设有二次端子排、空开、控制器、继电器、综合继电保护装置、光纤电流互感器接线盒、电磁锁、电缆室电压互感器、零序电流互感器安装支架、接地连接排，二次端子排上装有操作开关，带电显示器，分合闸状态指示灯；电缆室包含外接电缆铜排、电流互感器和电压互感器；带电显示装置、电压互感器、电流互感器设置在汇流排上；汇流排连接母线侧和电缆侧，电缆侧设置接地开关；母线室内安装主母排、分支母线，主母排用于连接各功能屏，各功能屏采用单独1屏的母联屏，在完成中压直流配电装置母联屏测量保护功能的同时，能减少船舶主配电板空间体积。

进一步，电力电子开关阀串单元与电动手车隔离开关电气联锁、电动手车隔离开关与接地开关机械联锁、接地开关与电缆室后门机械联锁、断路器柜前后门电磁锁、电缆室门的机械联锁和电磁锁相结合。

进一步，泄压通道的泄压方向为柜顶方向，泄压窗口为一长方形金属顶板，一侧用铰链固定，另一侧用尼龙螺钉固定；当柜内发生故障时，顶长方形金属板变形打开，释放压力和排泄气体。

进一步，主母排采用矩形母排、D型母排进行各功能屏连接。

进一步，各功能屏中的配电板屏面上设有，分/合闸按钮、试灯按钮、复位按钮、带电显示器、电流表及转换开关、位置状态指示器。

进一步，船用中压直流配电装置设置综合保护装置，对母排和电缆进行保护；设置电流表，对母联电流进行检测；通过面板上的分合闸按钮，进行母联屏断路器的分合闸操作。

进一步，电缆室底部开孔，用于外部电缆进入，同时室内有安装电缆头的指定位置；电缆室内高压组件与电缆头连接导电体截面除满足铭牌规定的额定电流外，连同支持绝缘子，均能承受高压开关柜铭牌上所规定的额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流和额定短时持续时间；电缆室与电缆沟连接处采用电缆泥防护，防止小动物进入。

进一步，在无法安装测量屏的特殊情况，母线室中加装母排接地开关及电压互感器，且母排接地开关或电压互感器安装满足母线室中电气间隙和爬电距离的要求，保证电气安全性能。

进一步，柜体底部装有槽钢、减震器，槽钢与接地连接排连接，并通过连接排与船体共地。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明中的船用中压直流配电装置，母联屏(跨接屏)单独1屏，在完成中压直流配电装置母联屏(跨接屏)测量保护等功能的同时，能减少船舶主配电板空间体积，在大型船舶及海洋工程船舶空间有限的情况下，提高船舶主配电板室空间利用率。

2.本发明中的船用中压直流配电装置仪表室采用可独立、模块化的设计，可将能量管理系统等控制模块安装在此室中，必要时采取保护措施并在保证电缆室前下室电气间隙和爬电距离的同时，可布置端子排和元器件进行二次接线，能提高柜体仪表室空间利用效率，节约一定的成本，并可根据实际项目需求，灵活调整模块布置，具有接线方便，控制线路简单，检修方便，降低事故风险，提高可靠度；

3.本发明中的船用中压直流配电装置采用了断路器与电动手车隔离开关的电气联锁、电动手车隔离开关与接地开关的机械联锁、接地开关与电缆室后门机械联锁、断路器柜前后门电磁锁、电缆室门的机械联锁和电磁锁相结合方式，根据大型海洋平台船用中压配电装置的特殊性，体现了对操作人员安全性的要求，也体现了对电网安全运行的要求，其联锁装置的设计，具有装置工作简单可靠、联锁程序清晰，联锁功能全面。

本发明采用优化柜体结构设计方案，考虑到大型船舶主配电板室空间有限性，无法安装测量屏的特殊情况下，中压配电装置母线室中可加装母线接地开关及电压互感器，为了保证电气安全性能，母联接地开关的设计充分考虑了母线室中电气间隙和爬电距离的要求。在操作上，采用机械联锁和电气联锁相结合的方式来保证母联接地开关操作过程中的电气安全。具有减少整套船用中压直流配电装置体积，降低成本，充分利用大型船舶及海洋工程船舶有限的空间。本发明的船用中压配电装置仪表室的可独立、模块化设计具有工厂接线方便、线路简单，检修方便，降低事故风险，提高可靠度。另外，其柜体机械联锁装置的设计，具有装置工作简单可靠、联锁程序清晰，联锁功能全面，能最大限度的保证工作人员的安全。

附图说明

图1是本发明的船用中压配电装置结构主视图；

图2是本发明的船用中压配电装置结构左视图；

图3是图1中A-A的剖视图；

图4是图1中B-B的剖视图；

图5是本发明的船用中压配电装置结构立体图；

图6是本发明的船用中压配电装置电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，本发明的船用中压配电装置，包括固态断路器1、进出线柜2、断路器柜3、综合继电保护装置4、电流互感器5、预充电电阻6、旁路开关7、二次插头座8、汇流排组件9、二极管阀串小车10、绝缘支撑11、IGBT阀串小车12、穿墙套管13、水管组件14、电动手车隔离开关15、带电显示器16、电压互感器17、接地开关18、铭牌19。

本发明的船用中压直流配电装置主要分为断路器室、电缆室、母线室、仪表室，其内部元器件主要有固态直流断路器、主母排、供电分支母排、带电显示器16、母线室接地开关、数字式综合继电保护装置、电缆室接地开关、电压传感器17、光纤电流互感器等元器件。

中压直流配电装置上部设有直流母排、电动隔离手车、仪表室，下部设有电力电子开关阀串单元，母线侧和电缆侧通过汇流排、二极管阀串单元和IGBT阀串单元连接，汇流排上设置电压互感器17、电流互感器5、带电显示装置16。电缆侧设置接地开关18。

断路器室包括电力电子开关阀串单元、隔离变压器和电动隔离手车；母线室内布置正、负极母排两路，铜排之间间隔连接，便于散热。母线室中所安装的母线大小和强度需要满足一定的动、热稳定值的要求，同时增加支撑绝缘子，用以固定铜排，保证安装强度。铜排均为硬连接；仪表室主要包括二次端子排、空开、控制器、继电器、综合继电保护装置4和光纤电流互感器接线盒。二次室门板上装有操作开关，带电显示器16，分合闸状态指示灯等装置；电缆室包含外接电缆铜排、电流互感器5和电压互感器17。电缆室底部开孔，预留外部电缆进入，同时室内有安装电缆头的指定位置，并考虑了可靠的固定方法及零部件。隔室内高压组件与电缆头连接导电体截面除满足铭牌规定的额定电流外，连同支持绝缘子，均能承受高压开关柜铭牌上所规定的额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流和额定短时持续时间；电缆头的安装位置预留充足空间，考虑检修、试验时便于拆线及接线；电缆隔室与电缆沟连接处采用电缆泥防护，防止小动物进入的措施。

柜体顶部分别设有三块提供断路器室、母线室、电缆室内部电弧的泄压通道的泄压板。泄压方向为柜顶方向，泄压窗口为一长方形金属顶板，一侧用铰链固定，另一侧用尼龙螺钉固定。当柜内发生故障时，顶板变形打开，释放压力和排泄气体，泄压后顶板报废，需更换后才能再次投入运行。

配电板屏面上设有，分/合闸按钮、试灯按钮、复位按钮、带电显示器、电流表及转换开关、位置状态指示器等。设置综合保护装置，对母排和电缆进行保护；设置电流表，对母联(跨接)电流进行检测；通过面板上的分合闸按钮，可进行母联(跨接)屏断路器的分合闸操作；如果母排带电时，则母联开关无法进行合闸操作，只有当母排没电时(此处会考虑母排接地开关的联锁问题，如母联接地开关合闸时，母联(跨接)断路器不可以合闸)，母联(跨接)断路器才可以合闸操作；通过面板上的母排带电显示器，可判断母排带电情况；设置指示器，指示跨接断路器的位置、运行及接地开关的状态；设置温湿度控制器，可实现断路器室、电缆室的温度自动控制；在遥控状态时，PMS对母联(跨接)屏断路器进行控制。在中压配电板上无法进行主开关分合闸操作。

柜体底部装有槽钢、减震器等其他安装方式，槽钢与接地连接排连接，并通过连接排与船体共地。

针对10kV船用中压直流配电装置，结合燃弧仿真计算，燃弧引起的高应力区域主要分布在棱边上。对各室高应力分布的棱边作倒角处理，等效扩大狭窄区域宽度，有效降低气体膨胀对柜体造成的应力。

直流配电装置采用水冷的冷却方式，在每层IGBT阀串的右下位置装有水冷进出汇集管道，管道选用PVDF膜材等材料；小车进柜前需将所有阀串上的进出水管连接到汇集管上，进柜后再将汇集管道连接到底部总管道，便于后期的检修和维护。

本发明所提直流配电装置的主要技术指标包括：额定电压DC 10kV；额定电流5kA；母联开关分断能力≥100kA(预期短路电流)；主回路耐压35kV/1min；主回路冲击耐受电压95kV(1.2/50μs)。

本发明的船用中压配电装置各室功能：

电缆室的底部开有孔供电缆进线连接，接地开关合闸后，电缆室门才能打开。电缆室门带电磁锁，上电时电缆室门不能打开。断路器与电动手车隔离开关为电气联锁，断路器分闸后才能操作隔离开关，隔离开关在工作位置和试验位置时，断路器不能操作。电动手车隔离开关与电缆侧接地开关采用机械联锁。防止电动手车隔离开关合闸状态时合接地开关。接地开关与电缆室后门采用机械联锁，电缆可靠接地才能打开电缆室后门。断路器柜前后门，隔离柜前门都装有电磁锁，电磁锁与带电显示装置联锁，带电显示传感器分别接在母线铜排和电缆穿线上，只有一次导体不带电才能打开。通过上述设计，最大程度的保证了操作人员的安全。

母线室内安装主母排、分支母线等。主母排用于连接各功能屏，本专利船用中压直流配电装置的主母排可采用矩形母排、D型母排或其他型式的母排进行各功能屏连接，本发明/实用专利在设计时满足电气间隙和爬电距离的同时，使主母排具有更好的动热稳定性和解决温升等相关问题，考虑到船舶主配电板室空间有限，在无法安装测量屏的特殊情况，母线室中可加装母排接地开关及电压互感器等，为了保证电气安全性能，母排接地开关或电压互感器的设计也充分考虑了母线室中电气间隙和爬电距离的要求。

仪表室内有安装板用于元器件的安装，该仪表室采用可独立、模块化设计，不仅增加仪表室有效空间利用率，便于工厂接线和用户检测、维修，还可根据用户需求内部布置灵活，而且还具有便于加工厂组装柜体，提高加工效率和节约成本等优点。

在柜体顶部有三块泄压板分别提供断路器室、母线室、电缆室内部电弧的泄压通道，泄压方向为柜顶方向，泄压窗口为一长方形金属顶板，一侧用铰链固定，另一侧用尼龙螺钉固定。当柜内发生故障时，顶板变形打开，释放压力和排泄气体，泄压后顶板报废，需更换后才能再次投入运行。

仪表室面板可以安装数字式综合保护装置、各种仪表、指示灯、以及按钮和选装开关等

采用了母线室接地开关操作闭锁装置、手车室联锁装置、电缆室门与接地开关操作等联锁装置，通过机械联锁和电气联锁相结合的方式，为操作人员提供一个安全的工作环境。

另外，本发明的中压配电板底部可以采用底部槽钢、减震器等其他安装方式，各个室中的接地连接排接到柜体总的接地连接排，最终通过连接排接船体共地。

本发明主要具有以下特点：

1.本发明中的中压直流配电装置适用于永磁同步发电机+可控整流技术路线的综合电力系统，中压直流配电装置内采用直流综合继电保护装置结合固态断路器实现直流系统保护；本发明中的中压直流配电装置采用水冷设计；

2.本发明中的船用中压配电装置采用中置式金属铠装封闭开关柜的形式，柜体结构利用数控机床加工而成，采用双重折弯的加工工艺，加强柜体局部的强度和刚性，其由接地的金属钣金分割成4个隔室，分别为：断路器室、母线室、电缆室和仪表室。断路器室、母线室和电缆室的室顶部都设有压力释放通道，用来进行电弧保护。并采用了断路器与电动手车隔离开关的电气联锁、电动手车隔离开关与接地开关的机械联锁、接地开关与电缆室后门机械联锁、断路器柜前后门电磁锁、电缆室门的机械联锁和电磁锁相结合方式，为操作人员提供一个安全的工作环境。

3.本发明中的船用中压配电装置的仪表室采用可独立、模块化设计，不仅可以增加有效利用空间，而且还可根据实际项目需求调整该模块的内部布置，方便二次电缆及仪表的接线，并增加工厂的工作效率节约成本，能提供可靠供电的设计方案；

4.本发明的船用中压直流配电装置的母线室可加装母联接地开关和电压互感器设计，由单独1屏即可实现相关功能，完成中压直流配电装置母联屏(跨接屏)供电的设计方案。

上述实例仅说明了本发明的原理，而非用于限制本发明。任何相关的专业技术人员可在不违背本发明的原理的基础上对上述实例进行相应的变形和优化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：包括柜体、断路器室、仪表室、电缆室、母线室，柜体顶部分别设有断路器室、母线室、电缆室内部电弧的泄压通道的泄压板；断路器室内设有电力电子开关阀串单元；电力电子开关阀串单元包括IGBT阀串室以及二极管阀串室、隔离变压器、电动隔离手车、泄压通道，二极管阀串室和IGBT阀串室连接；柜体上部的仪表室内设有二次端子排、空开、控制器、继电器、综合继电保护装置、光纤电流互感器接线盒、电磁锁、电缆室电压互感器、零序电流互感器安装支架、接地连接排，二次端子排上装有操作开关，带电显示器，分合闸状态指示灯；电缆室包含外接电缆铜排、电流互感器和电压互感器；带电显示装置、电压互感器、电流互感器设置在汇流排上；汇流排连接母线侧和电缆侧，电缆侧设置接地开关；母线室内安装主母排、分支母线，主母排用于连接各功能屏，各功能屏采用单独1屏的母联屏，在完成中压直流配电装置母联屏测量保护功能的同时，能减少船舶主配电板空间体积；电力电子开关阀串单元与电动手车隔离开关电气联锁、电动手车隔离开关与接地开关机械联锁、接地开关与电缆室后门机械联锁、断路器柜前后门电磁锁、电缆室门的机械联锁和电磁锁相结合。

2.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：泄压通道的泄压方向为柜顶方向，泄压窗口为一长方形金属顶板，一侧用铰链固定，另一侧用尼龙螺钉固定；当柜内发生故障时，顶长方形金属板变形打开，释放压力和排泄气体。

3.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：主母排采用矩形母排、D型母排进行各功能屏连接。

4.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：各功能屏中的配电板屏面上设有，分/合闸按钮、试灯按钮、复位按钮、带电显示器、电流表及转换开关、位置状态指示器。

5.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：船用中压直流配电装置设置综合保护装置，对母排和电缆进行保护；设置电流表，对母联电流进行检测；通过面板上的分合闸按钮，进行母联屏断路器的分合闸操作。

6.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：电缆室底部开孔，用于外部电缆进入，同时室内有安装电缆头的指定位置；电缆室内高压组件与电缆头连接导电体截面除满足铭牌规定的额定电流外，连同支持绝缘子，均能承受高压开关柜铭牌上所规定的额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流和额定短时持续时间；电缆室与电缆沟连接处采用电缆泥防护，防止小动物进入。

7.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：在无法安装测量屏的特殊情况，母线室中加装母排接地开关及电压互感器，且母排接地开关或电压互感器安装满足母线室中电气间隙和爬电距离的要求，保证电气安全性能。

8.根据权利要求1所述的基于水冷型固态断路器的船用中压直流配电装置，其特征在于：柜体底部装有槽钢、减震器，槽钢与接地连接排连接，并通过连接排与船体共地。