船用電氣設備可靠性分析

文/張允明 姚立權

在我國船舶事業(yè)不斷發(fā)展背景下，船用電氣設備也逐漸朝向自動化、節(jié)能化方向發(fā)展，提升了船用電氣設備的設計難度，特備是在電氣設備可靠性設計當中，必須要從細節(jié)層面出發(fā)，保障每個電氣設備、電源都達到可靠標準。針對船用電氣設備來說，需要選擇符合船用條件的設備，生產廠家要有可靠的質量保證體系，經(jīng)過檢驗部門通過的設備才能夠投入使用。同時，船舶電氣設備可靠性設計中還要有應急措施，嚴格按照行業(yè)標準與規(guī)范，對應急設備進行設計，適應船舶在各類工況下的適用性，確保船舶航行安全。電氣設備可靠性需要從安全性層面考慮，為電氣系統(tǒng)提供自動檢測功能、報警系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等，保證電氣系統(tǒng)運行足夠可靠。

1 電氣系統(tǒng)可靠性及其評估相關闡述

1.1 電氣系統(tǒng)可靠性

電氣系統(tǒng)可靠性主要涵蓋了兩個方面，一是充裕度；二是安全性。充裕度是指電氣系統(tǒng)在運行中具有足夠的發(fā)電、輸電容量，在任何時候都能夠滿足電氣設備峰荷要求，確保整個電氣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；安全性是指在電氣系統(tǒng)故障情況下的安全性，避免產生聯(lián)鎖反應造成整個系統(tǒng)失控或集體斷電，代表電氣系統(tǒng)動態(tài)性能。供電可靠性公式為：

供電可靠性=（1-電氣系統(tǒng)故障時間/電氣系統(tǒng)正常運行時間）*100%

1.2 電氣系統(tǒng)可靠性管理與評估

電氣系統(tǒng)可靠性涉及到兩個領域，包括可靠性管理和可靠性評估。電氣系統(tǒng)可靠性管理是對已經(jīng)運行的電氣系統(tǒng)與設備進行管理與統(tǒng)計，包括擬定可靠性管理標準、要求。對電氣設備各項可靠性信息數(shù)據(jù)進行收集、統(tǒng)計、分析等，從而實現(xiàn)電氣系統(tǒng)可靠性監(jiān)督?？煽啃栽u估是通過電氣系統(tǒng)可靠性評價方法、模型，對電氣系統(tǒng)拓展方案展開可靠性分析。

圖1：電氣系統(tǒng)單線運行圖

2 船用電氣設備可靠性分析

船用電氣設備可靠性的影響因素非常多，主要是包括電源系統(tǒng)、電磁干擾、傳輸介質、設備減振等，只有全面消除負面因素，才能夠有效提升船用電氣設備的運行可靠性，確保船舶航行安全。

2.1 電源系統(tǒng)

2.1.1 電源供電連續(xù)性

具有關標準規(guī)定，如果是依靠主電源實現(xiàn)船舶推進、操作，則任何一臺發(fā)電機產生了故障而停機，則其他可以保證船舶推進、操作的電氣設備立即恢復供電。對于船舶來說，除了自航船外，幾乎所有的船舶都是通過主電源實現(xiàn)船舶推進和操縱，因此要能夠滿足以上要求。想要實現(xiàn)這一目標，要重點考慮如何實現(xiàn)“立即恢復供電”。而“立即”并不是一個明確的概念，所以執(zhí)行起來需要考慮多種因素，為了能夠對“立即”提出一個標準，可以考慮應急發(fā)電機的啟動時間，也就是將“45s內恢復供電”作為“立即恢復供電”指標。但后續(xù)執(zhí)行這一方法時，也出現(xiàn)了很多問題，因此將國際船舶提出的“30s恢復供電”作為“立即供電指標”。30s是非常嚴格的指標，考慮到我國大部分傳播發(fā)電機配備狀況，可以采用以下3種方法保證電源設備的可靠性。

（1）在船舶正常供電的基礎上，1臺發(fā)電機負責供電，一旦該發(fā)電機產生了故障問題，系統(tǒng)會在30s內自動切換成備用發(fā)電機供電，并保證備用發(fā)電機具備足夠容量。采用該方法的多數(shù)都是小型船舶，總噸位通常在1600t以內。通過調查發(fā)現(xiàn)，即使是采用自動投切方案，在30s之內實現(xiàn)立即恢復供電也是十分苦難的。所以對于有限航區(qū)航行的船舶（國內海域），且發(fā)電機總容量不足400kW時，可以不要求自動切換電源。

（2）船舶由2臺或2臺以上發(fā)電機供電時，如果一個發(fā)電機因故障無法運行時，要設有將非重要設備自動卸載功能，將保證居住條件設備、次要設備自動卸去，從而確保整個系統(tǒng)的可靠性，避免影響船舶安全航行。

（3）IEC要求重要電氣設備必須送審，分析設備運行的協(xié)調性。選擇性保護可以劃分為過載選擇性保護、短路選擇性保護形式。過載保護是結合電流大小來控制斷電器動作參數(shù)。短路選擇性保護主要是根據(jù)時間理論實現(xiàn)相關功能。其中，短路選擇性保護要從以下三個方面出發(fā)。如圖1當中，想要讓斷路器K1、K2、K3的進行動作選擇保護，單臺發(fā)動機最大電流要比斷路器動作電流更小。也就是保障K1可以正常工作。再者，想要實現(xiàn)短路選擇保護，需要由主匯流給重要設備供電，圖1中的K5、K6、K7間要協(xié)調運作，從而實現(xiàn)選擇性保護目標。

2.1.2 設備供電與工作連續(xù)性

為了能夠保證電氣設備供電、工作連續(xù)性，整個系統(tǒng)要選擇并聯(lián)形式。根據(jù)船舶設備對航行安全性的影響，可以將電氣設備分為重要設備、非重要設備。中重要設備還分為主要設備、次要設備。主要設備負責傳播推進、操作連續(xù)工作設備；次要設備是船舶推進、操作不連續(xù)設備，無論是主要設備還是次要設備，都是保證船舶安全航行的重要設備。電氣系統(tǒng)設計中要重點保護重要設備連續(xù)性運行。供電連續(xù)性當中，斷路器②供電設備產生故障后，此時斷路器②脫扣，斷路器①不脫扣，這樣即可確保斷路器③實現(xiàn)連續(xù)供電，所以在斷路器①和②；①和③時間采用選擇性保護方案。電氣設備工作連續(xù)性當中，如果產生上述故障問題，此時斷路器①脫扣，合上斷路器①即可實現(xiàn)斷路器③連續(xù)工作。所以在開關選擇當中，要確保開關的閉合性能、分斷性能達到標準。

2.2 電磁干擾

船舶空間十分有限，特備是對于空間狹小的船舶，電氣設備布置非常緊湊。再加上船用電氣設備使用頻繁，在開啟、斷開中會產生一定的電磁干擾問題。通過靜電場、交變電磁場以及傳輸電路耦合到被干擾電源。如果在電氣系統(tǒng)設計當中沒有考慮到電磁干擾問題，后續(xù)調整要投入大量的人、財、物，甚至要重新設計。導致電磁干擾的條件有干擾源、敏感體、耦合通路。電磁兼容設計只要能夠破壞其中一個因素，即可避免電磁干擾。常見的電磁干擾解決方案有電磁屏蔽、濾波、接地。

2.2.1 隔離變壓器

對于船用電氣設備電磁干擾來說，主要的干擾源就是交流電源，會對計算機控制系統(tǒng)造成很大的影響。最好的解決方案就是電氣設備單獨供電，但很多中小型船舶空間小，無法做到這一點，通常是將控制系統(tǒng)、強電裝置獨立設置，采取隔離措施解決。如圖2所示，電網(wǎng)電源交流變壓器通過濾波裝置將高頻干擾信號過濾掉，之后經(jīng)過變壓器為自控裝置提供有效電源。通過隔離變壓器即可將干擾源去除。

2.2.2 RC吸收裝置

船用電氣設備當中國的繼電器、開關設備、接觸器數(shù)量非常多，在觸頭閉合、斷開時會產生一定的抖動情況，嚴重會出現(xiàn)電弧，從而引發(fā)出電磁干擾問題。針對此類問題可以采用RC吸收電路，將其安裝到觸頭位置。由于電容C兩端電壓無法突變，因此可以有效降低抖動帶來的干擾問題。C值越大，抖動抑制效應越好。此外，電容也能夠起到消弧效應，結合公式：

R*C≥（3～5）*T/2（T為放電時間）

電容C釋放電流可以通過電阻R限制。通過RC電路消除電弧，這樣即可避免產生電磁干擾問題。

2.3 消除傳輸介質

圖3：屏蔽濾波裝置

圖4：光電耦合器

電磁屏蔽可以采用2種方法，如圖3所示，包括屏蔽干擾源、屏蔽干擾設備。電磁屏蔽法可以有效切斷干擾傳輸路徑，對空間干擾性尤為明顯。結合船用電氣設備的特點，信號輸入到信號接收電路較長，例如在主機系統(tǒng)中，駕駛室為輸入電路，機艙是接收電路，二者之間傳輸線路非常長，所以會受到加大的電磁場耦合干擾。針對此類問題主要是采用屏蔽線纜，這樣即可避免干擾信號通過饋線耦合傳輸?shù)诫姎庠O備中。

開關量輸入和輸出通常都是應用光電耦合器，如圖4所示。該方法能夠起到輸入和輸出電路的隔離作用，從電信號轉變?yōu)楣庑盘?，切斷?lián)系。還能夠分開輸入、輸出接地，從而可以有效防治地線串入造成的干擾問題。

2.4 電子設備減振

考慮到傳播機艙中振源數(shù)量非常多，包括主機、輔機、各類泵等，這些都會提升振動率，所以在安裝在機艙中電子儀表會遭受干擾，影響電子儀表數(shù)據(jù)的精準性，嚴重會導致儀表損壞。這就要重點考慮減振問題。

為了降低或消除電子儀表振動問題，可以在電子設備上增設減振器，這樣即可降低振動頻率，確保設備可以正常運行。需要在電氣設備系統(tǒng)k-m基礎上增加1個動力吸振設備ka-ma系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的固有頻率進行調節(jié)，和外界擾動頻率相同，理論上即可實現(xiàn)k-m系統(tǒng)振動消失。

3 結束語

綜上所述，加強船用電氣設備可靠性研究是一個系統(tǒng)的工程，會直接影響船舶運行的安全性，這就需要全面加強船用電氣設備可靠性分析和研究工作，通過穩(wěn)定系統(tǒng)電源、屏蔽電磁干擾、減振處理、優(yōu)化電氣系統(tǒng)使用環(huán)境，這樣才能夠有效提升電氣系統(tǒng)運行質量，降低負面因素的影響，提升電氣系統(tǒng)的可靠性，這樣才能夠保證船舶運行安全。