船舶低壓配電板設(shè)計(jì)

潘江虎

摘 要：文章根據(jù)船舶配電板的功能要求，論述了船舶低壓配電板設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)問題，包括配電板功能設(shè)計(jì)、短路分析計(jì)算以及選擇性配合保護(hù)。

關(guān)鍵詞：低壓配電板電氣設(shè)計(jì)；系統(tǒng)短路分析；選擇性配合分析

中圖分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0003-02

配電板是船舶電力系統(tǒng)的中樞，是用來把船舶電源的電能經(jīng)過集中控制再分配到各用電設(shè)備的裝置，其主要功能是對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)、分配、轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（電壓、電流、功率、頻率等）進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量和調(diào)控。如果供電中斷，船舶將失去動(dòng)力來源，勢(shì)必對(duì)船舶的正常運(yùn)行和安全造成不可估量的嚴(yán)重后果，因此配電板的設(shè)計(jì)不僅要求能夠可靠的對(duì)個(gè)負(fù)載用戶供電，而且要保證電力系統(tǒng)的不間斷性。

1 船舶配電板

船舶配電裝置是用來接收和分配船舶電能，并對(duì)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量和調(diào)整等工作的設(shè)備，它是由多種開關(guān)、保護(hù)電器、測(cè)量?jī)x表、調(diào)節(jié)和信號(hào)裝置等電器設(shè)備按照一定要求組合而成的，其功能有：

①根據(jù)需要接通或斷開電路（手動(dòng)或自動(dòng)）；

②當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置能按要求動(dòng)作，切除故障設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，或發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

③測(cè)量和顯示運(yùn)行中各電氣參數(shù)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等；

④能對(duì)電站的電壓、頻率以及并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)組的有功、無功功率進(jìn)行調(diào)整；

⑤能對(duì)電路狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)以及偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)顯示和報(bào)警。

1.1 主配電板

主配電板是對(duì)船舶主發(fā)電機(jī)的工作以及船上所有用電設(shè)備的供電進(jìn)行通斷、監(jiān)視、控制和保護(hù)的配電盤，主要實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)，負(fù)載均分及負(fù)載轉(zhuǎn)移等功能。主配電板由各種不同功能的功能屏組成，主要有發(fā)電機(jī)控制屏、并車屏、負(fù)載屏：

①發(fā)電機(jī)控制屏：控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和保護(hù)發(fā)電機(jī)組用的。主要有發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)操作按鈕及指示裝置、測(cè)量?jī)x表、電壓和速度調(diào)節(jié)裝置、發(fā)電機(jī)保護(hù)單元。

②并車屏：發(fā)電機(jī)進(jìn)行并車同步操作。主要由母聯(lián)分段開關(guān)、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、手動(dòng)和自動(dòng)同步并車裝置、配電板報(bào)警指示裝置。

③負(fù)載屏：對(duì)各饋電線路進(jìn)行控制、監(jiān)視和保護(hù)。有重要?jiǎng)恿ω?fù)載屏（推進(jìn)、操舵和船舶安全所必須的設(shè)備）、非重要?jiǎng)恿ω?fù)載屏（短時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)船舶推進(jìn)和操舵有損害，也不危及乘客、船員、貨物、船舶以及機(jī)械安全的設(shè)備），照明負(fù)載屏及重要負(fù)載組合啟動(dòng)屏。

1.2 應(yīng)急配電板

應(yīng)急配電板包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制屏、聯(lián)絡(luò)屏以及負(fù)載屏。在正常工作情況下，應(yīng)急配電板通過聯(lián)絡(luò)屏由主配電板供電，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，此聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)切斷，切換由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。根據(jù)SOLAS的要求，通常情況下，應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)該處于自動(dòng)待機(jī)的狀態(tài)，使得一旦出現(xiàn)癱船或者應(yīng)急情況，應(yīng)急發(fā)電機(jī)能在45 S之內(nèi)啟動(dòng)并接通應(yīng)急配電板向應(yīng)急負(fù)荷供電。

當(dāng)出現(xiàn)失電時(shí)，通常很難立即判斷究竟是可恢復(fù)還是不可恢復(fù)，因此，主電源根據(jù)規(guī)范要求（備用發(fā)電機(jī)應(yīng)盡快自動(dòng)啟動(dòng)并連接至主配電板，最好在失電后30 s內(nèi)完成，最長(zhǎng)不超過45 s）立即啟動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)程序的同時(shí)，應(yīng)急電源也會(huì)根據(jù)規(guī)范要求（主電源供電失效是應(yīng)能自動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)連接于應(yīng)急配電板，最長(zhǎng)不超過45 s）立即啟動(dòng)自動(dòng)供電程序。失電自動(dòng)恢復(fù)供電程序與應(yīng)急電源自動(dòng)起動(dòng)程序是同時(shí)進(jìn)行的。應(yīng)急配電板的恢復(fù)供電，究竟是由主電源還是應(yīng)急電源承擔(dān)，取決于兩者起動(dòng)速度的快慢。如果主電源首先恢復(fù)，則應(yīng)急配電板由主電源供電，而應(yīng)急發(fā)電機(jī)則處于起動(dòng)后空轉(zhuǎn)的狀態(tài)，直至被手動(dòng)或者自動(dòng)停機(jī)。如果應(yīng)急電源首先向應(yīng)急配電板供電，若主電源無法恢復(fù)，就進(jìn)入應(yīng)急電源供電的應(yīng)急狀態(tài)；若然后主電源恢復(fù)了供電，應(yīng)急配電板會(huì)自動(dòng)從應(yīng)急電源切換到主電源供電。

2 系統(tǒng)短路計(jì)算

短路電流由兩部分組成：一部分短路電流隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，成為周期分量；另一部分因回路中存在電感而引起的自感電流，成為非周期分量。短路后第一個(gè)半周期內(nèi)的短路全電流的瞬時(shí)值，同時(shí)也是短路過程中的最大短路電流瞬時(shí)值。如圖1所示。

對(duì)于低壓配電系統(tǒng)，最重要的兩個(gè)短路參數(shù)就是沖擊短路電流Is（短路后第一個(gè)周期的全電流有效值，是整個(gè)短路過程中的最大短路電流的有效值，也稱為沖擊短路電流有效值）和沖擊短路電流峰值Ipk.。

目前很多公司采用采用SKM公司開發(fā)的Power Tools for Windows（PTW）軟件作為短路計(jì)算的工具，在軟件繪制出系統(tǒng)單線圖，其中短路時(shí)無反饋電流的負(fù)載可以省略，然后列出各電氣設(shè)備的參數(shù)，包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電纜等參數(shù)。

在進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分估計(jì)到系統(tǒng)可能發(fā)生的短路故障，以便選擇合理的配電方式和保護(hù)裝置，保證船舶主要電氣設(shè)備能承受短路電流的沖擊，能快速有效地切斷短路故障，把短路故障的影響限制在最小范圍。

在計(jì)算最大短路電流時(shí)，應(yīng)考慮最惡劣情況，即對(duì)應(yīng)于船舶電站最大負(fù)載工況下：

①所有可能并聯(lián)連接于主匯流排的發(fā)電機(jī)（包括短時(shí)轉(zhuǎn)移負(fù)載的發(fā)電機(jī)在內(nèi)）所饋送的短路電流；

②所有可能投入運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)所饋送的短路電流；

為了簡(jiǎn)化短路電流的計(jì)算，在實(shí)際計(jì)算中將運(yùn)行中除大電動(dòng)機(jī)以外的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)綜合成一臺(tái)等效電動(dòng)機(jī)，該等效電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流等效于上述各臺(tái)電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流之和。

短路計(jì)算的結(jié)果可用作：

①校核所選用的保護(hù)電器的短路接通能力和短路分段能力。

②校核匯流排等原件的點(diǎn)動(dòng)力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

③為電力系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)和整定提供依據(jù)。

④為在必要時(shí)選擇適當(dāng)?shù)南蘖髟O(shè)備，以能將短路電流限制在保護(hù)電氣的能力范圍之內(nèi)提供依據(jù)。

3 選擇性保護(hù)配合

3.1 選擇性保護(hù)配合的目的

①當(dāng)船舶系統(tǒng)發(fā)生短路或者過載故障時(shí)，保護(hù)設(shè)備能將故障系統(tǒng)切除，盡可能的限制故障的范圍，以保證非故障回路供電的連續(xù)性。

②當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)設(shè)備能及時(shí)切斷故障回路，將電纜以及設(shè)備的損傷降低到最小程度。

3.2 選擇性保護(hù)配合的原則

①當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，最接近故障點(diǎn)的保護(hù)裝置切斷故障電流

②當(dāng)保護(hù)裝置串聯(lián)時(shí)，各個(gè)保護(hù)裝置的脫扣時(shí)間要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行協(xié)調(diào)

③因保護(hù)裝置帶了延時(shí)功能，在其分段之前，保護(hù)裝置應(yīng)能承受得住短路電流

3.3 選擇性保護(hù)配合曲線

在做配合曲線時(shí)，需對(duì)發(fā)電機(jī)之間及其以下各級(jí)之間的短路選擇性保護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如下為某個(gè)項(xiàng)目采用ABB DocWin軟件繪制的發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)-聯(lián)絡(luò)開關(guān)-690MSB/440MSB變壓器饋線開關(guān)的時(shí)間電流配合曲線。黑色曲線為發(fā)電機(jī)，綠色曲線為690VAC/440VA變壓器，紅色為690MSB的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。并且通過之前短路計(jì)算，可以算出系統(tǒng)最小短路電流11.8 kA（藍(lán)色曲線）和系統(tǒng)最大短路電流49 kA（粉紅色曲線）。

通過設(shè)定，可以保證當(dāng)變壓器下游側(cè)出現(xiàn)過載和短路故障時(shí)，690 V/440 VAC饋線保護(hù)開關(guān)都會(huì)先于發(fā)電機(jī)進(jìn)線保護(hù)開關(guān)脫扣，限制了故障蔓延，保證非故障區(qū)域供電的連續(xù)性。如圖2所示。

4 結(jié) 語

隨著船舶電氣化、自動(dòng)化程度的日益提高，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的供電可靠性和生命力提出了較高的要求。船舶電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于各種原因可能出現(xiàn)各種故障，它們會(huì)使船上電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行受到威脅，影響船舶的安全航行。低壓配電板作為船舶重要電氣設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著電力系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)、分配、轉(zhuǎn)換，它的重要性不言而喻。因此要求配電板的設(shè)計(jì)安全可靠，才能確保海上更安全的航行。

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