近年來，隨著高壓電、大功率變流器等技術的發展，采用中壓直流配電的綜合電力系統逐漸成為船舶綜合電力系統的發展趨勢。隨著時間的推移，大功率中壓直流發電技術也得到快速推廣。為了對大功率的中高壓直流發電機組進行質量和安全方面的檢測，需要利用配套的中壓直流負載。

目前，國內測試中高壓直流發電機組性能的中壓直流負載方案主要是干式電阻負載方案，通過直流接觸器的合閘/分閘功能，實現若干電阻負載回路的投入/切除，從而進行中壓直流負載的功率調節，滿足負載的使用需求。

1 系統需求

在發電機組的性能測試方面，我單位積累了大量的工程經驗。在使用過程中，發現發電機組對中壓直流負載提出了越來越高的要求，具體體現在：①在惡劣的戶外環境下運行時，能夠實現對中壓直流負載絕緣情況的實時在線監測，保障運行安全；②在現有直流接觸器額定工作電壓不高的客觀條件下，進一步提高直流接觸器的使用壽命，保障中壓直流負載的連續可靠運行。

市場上的主流設計思路均為干式電阻負載方案，該方案的顯著特點在于采用“多組負載回路并聯運行，通過直流接觸器實現相應負載回路的投入/切除，實現負載功率的調節功能”。目前，該干式電阻負載方案屬于較為成熟的產品，已經能夠基本滿足使用需求。

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

基于上述情況，本文提出了大功率中壓直流負載的優化設計方案，該方案不僅具有主流干式電阻負載方案的所有功能，還具有如下突出特點：①具有獨創性的電阻負載回路，使得關鍵開關設備的選型變得更加簡單；②具有負載回路在線絕緣監測和報警功能，保障中壓直流負載的運行可靠性；③具有故障診斷功能，能夠對自身運行狀態進行自我診斷，提高設備運行的可維護性、可靠性。

2 基本組成及功能

2.1 基本組成

中壓直流負載主要由主回路、控制系統、監測系統、散熱裝置及輔助控制等部分組成，所有設備均集成在集裝箱內，主要包括集裝箱、干式電阻器、直流接觸器、熔斷器、冷卻風機、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備。

負載主回路共有若干個并聯運行的負載回路（負載回路包括干式電阻器、直流接觸器、熔斷器）組成，負載回路數可根據實際使用情況進行針對性設計。每個負載回路均通過對應直流接觸器的分閘、合閘，選擇性地投入到主回路中，實現中壓直流負載的功率控制，從而滿足大功率發電機組對直流負載的功率要求。

2.2 基本功能

中壓直流負載的主回路接入發電機組的輸出端，對發電機組的功率進行消耗；控制系統對中壓直流負載內的開關設備進行控制，實現加減載操作以及相關參數的采集等功能；監測系統主要通過監測中壓直流負載內的運行狀態等參數，實現實時監測功能；散熱裝置主要利用風機將主回路上產生的焦耳熱散發出去，從而保證主回路能夠在額定溫度下正常工作。

1）控制系統

通過工業以太網，人機界面（human machine interface，HMI）向PLC發出接觸器的合閘、分閘命令，完成接觸器的合閘、分閘，從而實現對負載功率的控制。同時，HMI接收PLC返回的數據，完成系統運行過程中相關數據的顯示、計算等功能，控制系統框圖如圖1所示。

圖1 中壓直流負載的控制系統示意圖

2）監測系統

在中壓直流負載運行過程中，實時監測散熱裝置的運行狀態量、風道的風壓指示量、風道的溫度信號以及主回路接觸器的合分閘狀態等開關量信號。當狀態信號出現異常時，由HMI界面提示報警，等待操作員的下一步指令。當緊急情況出現時，監測系統向PLC控制裝置發出保護指令，由PLC控制裝置發出保護動作指令。

3 優化設計

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

圖2 船用中壓直流發電機組電氣一次系統示意圖

基于中壓直流發電機組的運行特性，對現有大功率中壓直流負載進行了優化設計，優化后中壓直流負載的電氣回路如圖3所示。

圖3 中壓直流負載的電氣主回路圖

如圖3所示，該直流負載共由若干個負載支路并聯組成，每一個負載回路由兩組干式電阻器單元串聯運行，由高壓熔斷器、直流接觸器、干式電阻器構成。同時，在負載的直流母線“+”、“-”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。

該中壓直流負載的突出特點：

1）采用雙極式直流接觸器、負載支路由兩組干式電阻器串聯構成，并且能夠測量直流母線的對地電壓和母線電流，實現負載回路的關鍵狀態監視功能。

2）通過集成于設備面板上的HMI實現負載的所有測控功能，即通過HMI向PLC控制裝置發出控制指令，完成設備的自檢、負載功率的調節等功能；并借助于監測系統實現設備的狀態監測、自我保護等功能。

3.1 主回路的設計

目前中高壓直流發電機組的輸出電壓已經達到數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，明顯低于直流發電機組的額定功率。面對這一突出問題，中壓直流負載生產廠家的解決辦法是在現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載的運行安全。

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

3.2 在線絕緣監測的設計

在現有制造工藝的條件下，一臺MW級的中壓直流負載，在一個狹小的標準集裝箱內安裝多達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險，因此對設備的在線絕緣監測顯得尤為重要。

同時，由于中壓直流負載發熱量巨大，且其往往在惡劣的戶外環境下運行，使得設備的冷態和熱態絕緣水平均隨著環境的變化而急劇變化；惡劣天氣條件下，中壓直流負載的冷態和熱態對地絕緣急劇下降，使得干式電阻器的對地放電風險進一步增加。

此外，目前沒有專門用于中壓直流負載設備的在線絕緣監測裝置，無法實時監測該設備的運行狀態，從而極大增加了設備運行的安全風險。

為此，本文基于圖2所示的電氣系統，設計了專門用于中壓直流負載的在線絕緣監測系統。用于該系統的監測信號包括“+”、“-”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，不難發現：①在中壓直流負載正常運行時，U+=U-、I++I-=I0=0；②在中壓直流負載“+”或“-”絕緣異常，發生對地故障時，U+≠U-、I++I-=I0≠0。

如上所述，本文所設計的中壓直流負載在線絕緣監測系統，對電壓電流傳感器的輸出信號進行采集，并通過濾波計算得出實時準確的U+、U-、I+、I-、I0；再根據電壓電流的對應關系，實時監測中壓直流負載運行時的在線絕緣情況。

3.3 故障診斷功能的設計

本文深入市場調研，發現大多數中壓直流負載廠家在設備的設計、制造和生產過程中，往往只考慮完成既定的出廠指標，完全忽略了中壓直流負載在后期使用過程中的狀態監測、故障預警和記憶分析等功能。根據實際運行經驗，發現中壓直流負載的嚴重故障往往是未被發現的局部故障引起的連鎖反應，為此，對設備的關鍵運行狀態進行實時監控和自我診斷就顯得異常重要。

本文設計的中壓直流負載，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，實時采集并存儲設備初次正常運行時的各項狀態數據，并將該數據作為故障診斷的原始數據。在中壓直流負載設備的使用過程中，PLC裝置將根據實時采集的關鍵數據與原始數據進行狀態比對，進而確保中壓直流負載裝置的運行可靠性。

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

通過這種運行數據與原始數據的比較和分析，極大提高了設備運行的可靠性和可維護性；同時，也極大減少了運行人員的工作量，具有很高的工程應用價值。

4 結論

本文設計的基于直流發電機組的中壓直流負載，具有設備結構簡單、運行可靠性高、工程應用價值高以及能夠故障預警等突出優點。經實際工作驗證，系統穩定、操作簡單、可靠；系統的實時監測功能和自我診斷功能極大提高了設備運行的可靠性，降低了設備故障率；同時，該系統的設備選型簡單，工程應用價值高?；谥绷靼l電機組的中壓直流負載，在直流負載的工程應用領域具有廣泛的應用前景。