船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

顧愛武

［滁州市地方海事（港航）管理服務(wù)中心，安徽 滁州 239000］

0 引言

船舶屬于一種活動(dòng)在水域的交通運(yùn)行工具，其電力系統(tǒng)是保障船舶航行穩(wěn)定性的必要基礎(chǔ)，對(duì)供電質(zhì)量以及船舶經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等均具有十分重要的影響。隨著社會(huì)發(fā)展與時(shí)代進(jìn)步，現(xiàn)代化船舶電站操作對(duì)專業(yè)性要求變得越來越嚴(yán)格，船舶電站的自動(dòng)化水平也在不斷得到提升，對(duì)電站管理人員的專業(yè)水平提出了更為嚴(yán)格的要求。早在20 世紀(jì)70 年代之后，我國船舶電力系統(tǒng)就已經(jīng)形成了具有完善功能且性能比較穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，而在20 世紀(jì)80 年代后微機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，為后來的PLC 技術(shù)應(yīng)用鋪墊了良好的基礎(chǔ)條件。PLC控制技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中變得尤為常見，而在此之間船舶電力系統(tǒng)現(xiàn)代化水平越來越高，現(xiàn)階段的船舶自動(dòng)電力綜合管理系統(tǒng)具有極其豐富的管理功能，所以提高電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范性質(zhì)量，是船舶總體設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容，更是保障船舶航行穩(wěn)定性的必要前提[1]。

1 船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)分析

與其他電力系統(tǒng)相比，船舶電力系統(tǒng)相對(duì)比較特殊，甚至存在著更為明顯的差異。從整體上來看，船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)主要分為3 個(gè)方面：①在大多數(shù)船舶電站中，實(shí)際容量較小，少部分大功率用電設(shè)備的實(shí)際功率相當(dāng)于發(fā)電機(jī)功率，極易引起電網(wǎng)沖擊影響，一旦出現(xiàn)誤操作、局部故障現(xiàn)象，則很有可能導(dǎo)致全船產(chǎn)生斷電事故，此外隨著船舶工況復(fù)雜性越來越突出，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性具有十分嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。②船舶內(nèi)部空間相對(duì)比較窄小，所有的電氣設(shè)備處于集中擺放的狀態(tài)，各自之間的影響十分明顯，一旦在操作處理過程中存在不規(guī)范問題，則很有可能導(dǎo)致給船舶整體航行安全帶來威脅影響。③船舶內(nèi)部電氣設(shè)備工作環(huán)境往往比較差，比如內(nèi)部環(huán)境溫度較高，且具有較大的濕度，在船舶內(nèi)部所產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊、傾斜等現(xiàn)象，均有可能對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠性帶來影響，如電氣設(shè)備絕緣體老化、開關(guān)接觸不良或者誤觸報(bào)警等故障問題。

2 船舶電力系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 船舶電力系統(tǒng)組成

在船舶電力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)中，一般分為電源裝置、配電裝置、船舶電力網(wǎng)以及負(fù)載裝置等4 個(gè)部分[2]。

2.1.1 電源裝置

在船舶電力系統(tǒng)中，電源裝置指的是發(fā)電機(jī)裝置，一般以發(fā)電機(jī)組、蓄電池組比較常見。一般可以結(jié)合船舶功能需求狀況的差異，對(duì)電源裝置設(shè)計(jì)內(nèi)容提出一定的要求，比如可以結(jié)合電源裝置數(shù)量與容量、所在位置的差異，對(duì)電源裝置的設(shè)計(jì)提出相關(guān)要求。尤其在大型船舶電力系統(tǒng)中，其中的電源裝置普遍被安裝于機(jī)艙內(nèi)部當(dāng)中，等同于發(fā)電站。船舶電力系統(tǒng)的電源裝置除發(fā)電機(jī)組與蓄電池，還包括配電板、輔助電源裝置。

2.1.2 配電裝置

配電裝置的應(yīng)用目的是為了滿足船舶電力的合理配電需求，一般會(huì)有多種類型的配電裝置設(shè)備，在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)當(dāng)結(jié)合船舶負(fù)載需求容量的實(shí)際狀況，提高設(shè)計(jì)工作的合理性與科學(xué)性，而在部分配電裝置中，可在應(yīng)急狀況下提供二次電源功能。

2.1.3 船舶電力網(wǎng)

船舶電力網(wǎng)指的是對(duì)船舶所有供電設(shè)備所用到的電纜、電線共同組合而成而饋電系統(tǒng)，其目的是為了使電源電能得以順利傳輸至船舶內(nèi)部的所有用電設(shè)備當(dāng)中。就目前的船舶電力網(wǎng)來看，需求場景的不同，在電力網(wǎng)選擇中具有不同的選擇，比如應(yīng)急電網(wǎng)、低壓電網(wǎng)、動(dòng)力電網(wǎng)、弱電電網(wǎng)、照明電網(wǎng)等。

2.1.4 負(fù)載裝置

負(fù)載裝置指的是所存在的用電設(shè)備，這些用電設(shè)備可以將電能得以轉(zhuǎn)化為各種熱能、光能或者機(jī)械能等能量，如在船舶電力系統(tǒng)中的照明設(shè)備、電動(dòng)機(jī)設(shè)備、電爐或加熱器、通導(dǎo)設(shè)備等。在負(fù)載裝置設(shè)計(jì)過程中，需要做好對(duì)用電設(shè)備的保護(hù)設(shè)計(jì)工作，能夠充分考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性以及整體功能保護(hù)需求，促進(jìn)電力系統(tǒng)負(fù)荷水平得到進(jìn)一步提升，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有極其重要的意義，可以有效延長電力系統(tǒng)的使用壽命[3]。

2.2 船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)書、明確船舶總體設(shè)計(jì)意圖，在遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，合理制定船舶電力系統(tǒng)的功能要求，并且選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案與規(guī)范設(shè)備選型工作。因此在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容中，可以分為如下3 個(gè)部分內(nèi)容。

2.2.1 設(shè)計(jì)過程

在初步設(shè)計(jì)期間，需要及時(shí)計(jì)算電力系統(tǒng)的總負(fù)荷大小，了解電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求狀況以及運(yùn)行功能信息，以便于合理選擇相應(yīng)的電力設(shè)備、總體電網(wǎng)等。而技術(shù)設(shè)計(jì)指的是在完成初步設(shè)計(jì)之后進(jìn)一步充實(shí)、完善技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，以便于合理解決船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)問題，如優(yōu)化電力系統(tǒng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)問題等。最后在施工設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過在船舶建造階段的設(shè)計(jì)工作，提高船舶建造質(zhì)量、加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)內(nèi)容繪制設(shè)計(jì)工作，在確定施工設(shè)備與材料型號(hào)、材質(zhì)等內(nèi)容基礎(chǔ)上，保障船舶整體設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效提升。

2.2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)一般分為多種內(nèi)容：①在配電系統(tǒng)中的電壓頻率設(shè)計(jì)內(nèi)容；②在電源裝置上的設(shè)計(jì)內(nèi)容，比如所選擇電源裝置設(shè)備的數(shù)量、質(zhì)量以及要求等；③在船舶配電板、蓄電池充放電以及開關(guān)等方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容；④在船舶供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容中，如對(duì)電力設(shè)備、電纜的布置工作；⑤在電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過對(duì)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電力照明系統(tǒng)變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)，以提高保護(hù)設(shè)計(jì)效果。

2.2.3 設(shè)計(jì)步驟

在船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，需要確定基本的設(shè)計(jì)要求，在了解設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上，提高船舶電力系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)規(guī)范性。同時(shí)還要及時(shí)計(jì)算出船舶對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)載量要求，以便于合理確定電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電源裝置設(shè)計(jì)、配電裝置設(shè)計(jì)容量等。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中發(fā)現(xiàn)，船舶電力系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，對(duì)變壓器數(shù)量與供電分級(jí)具有一定的要求，因此在結(jié)合不同需求基礎(chǔ)上，合理確定用電設(shè)備數(shù)量以及容量。另外還要做好對(duì)船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)急需求分析工作，掌握其中的臨時(shí)照明系統(tǒng)、無線電設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷量，并確定蓄電池組的充放電形式、電池容量大小等。最后加強(qiáng)對(duì)電力電網(wǎng)控制線路的設(shè)計(jì)工作，計(jì)算船舶電力系統(tǒng)的負(fù)載量，確定瞬態(tài)電壓降能否滿足電源裝置要求以及配電裝置需求等內(nèi)容，在保障負(fù)荷規(guī)范要求基礎(chǔ)上，將電力系統(tǒng)布置圖在設(shè)計(jì)完畢后及時(shí)編制至船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明書以及試車大綱當(dāng)中。

3 船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐研究

3.1 船舶電站設(shè)計(jì)

在整個(gè)船舶電力系統(tǒng)中，船舶電站可以說是其中的關(guān)鍵部分，對(duì)合理配置主電源具有十分重要的意義，屬于整體船舶電站設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在規(guī)范設(shè)計(jì)要求中明確規(guī)定，船舶電站必須要設(shè)計(jì)兩套動(dòng)力源，一套動(dòng)力源用于帶動(dòng)主機(jī)運(yùn)作，船舶在安全航行過程中所用到的助航設(shè)備、照明裝置以及通訊設(shè)備等，可以應(yīng)用蓄電池供電以提供動(dòng)力源。此外由于船舶重量設(shè)計(jì)具有較為嚴(yán)格的要求，因此在電站設(shè)計(jì)過程中，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)可以在發(fā)電機(jī)中體現(xiàn)出應(yīng)有的主電源功能，在船舶輔機(jī)設(shè)備、航行設(shè)備以及其他設(shè)備的正常供電。另外在蓄電池機(jī)組設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般以兩組蓄電池機(jī)組為宜，用于應(yīng)急電源之用，方便在助航設(shè)備、照明設(shè)備以及通導(dǎo)設(shè)備方面的供電需求，可以有效減少船舶重量[4]。

3.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在船舶電力系統(tǒng)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，一般以交流三相配電系統(tǒng)為主，交流三相一般分為三種配電系統(tǒng)。

3.2.1 三線絕緣系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于，在變壓器的作用下，照明系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)相互連接。因此該系統(tǒng)之間僅有磁聯(lián)系關(guān)系，并不存在電氣聯(lián)系，所以之間的影響作用比較小，如果某一相對(duì)船體出現(xiàn)短路事故，也不會(huì)出現(xiàn)單相短路電流，因此在電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障的情況下，也不會(huì)中斷供電的連續(xù)性與可靠性，因此在現(xiàn)如今的船舶配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多以三相絕緣系統(tǒng)為主。

3.2.2 中性點(diǎn)接地四線系統(tǒng)

這類系統(tǒng)的照明系統(tǒng)和電力系統(tǒng)盡管由同一電源提供電能，但是電壓大小并不同，也不需要裝置變壓器，可以有效減少系統(tǒng)凈重量，具有維護(hù)便捷、操作方便的優(yōu)勢(shì)，但是問題在于，如果需要一相接地，應(yīng)及時(shí)切斷電源，因此很難保證在實(shí)際供電過程中的連續(xù)性與可靠性。

3.2.3 以船體為中性線回路的三線系統(tǒng)

這種系統(tǒng)一般將船體鐵作為回路回線，可以減少大量的電纜使用量，有效控制成本支出費(fèi)用。然而一旦導(dǎo)線絕緣體出現(xiàn)損壞事故，則很有可能出現(xiàn)電流外漏事件，從而引發(fā)電源短路現(xiàn)象，這類系統(tǒng)在現(xiàn)階段的船舶配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中十分少。

在上述的3 種配電系統(tǒng)當(dāng)中，盡管三相絕緣系統(tǒng)可以有效提高供電穩(wěn)定性與可靠性，然而在多數(shù)船舶中對(duì)重量控制具有嚴(yán)格的要求，三相絕緣系統(tǒng)往往需要應(yīng)用到變壓器設(shè)備，因此一般多以選擇中性點(diǎn)接地四線系統(tǒng)。

3.3 配電裝置設(shè)計(jì)

配電裝置一般由主開關(guān)、變壓器、指示儀表以及保護(hù)電器裝置所組合而成，在接收電能、分配電能以及控制電能方面具有十分重要的功能作用。對(duì)于船舶電力系統(tǒng)的配電裝置設(shè)計(jì)工作而言，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要確保主電路在系統(tǒng)運(yùn)行過程中能夠正常連接、斷開，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障現(xiàn)象，保護(hù)裝置可以及時(shí)進(jìn)行工作、切斷相應(yīng)的故障元件線路，并發(fā)出警報(bào)信號(hào)，同時(shí)可以有效測(cè)量各類電氣參數(shù)指標(biāo)，掌握電路狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)，在系統(tǒng)偏離正常工作狀態(tài)的情況下，也可以及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)指示燈。對(duì)于船舶配電裝置設(shè)計(jì)而言，可以結(jié)合安裝場景的區(qū)別，使實(shí)際防護(hù)等級(jí)和安裝方式選擇變得更具合理性，以便于提高配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范性質(zhì)量。

3.4 船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)

在船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，主配電板和直接供電設(shè)備、分配電板之間的連接方式，即電網(wǎng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，在連接方式選擇過程中可以分為如下3 種。

3.4.1 饋線式

常用的大功率、重點(diǎn)用電設(shè)備由主配電板進(jìn)行供電，而其余用電設(shè)備由所分配的電板進(jìn)行供電，即饋線式供電電纜連接方式，可以有效提高對(duì)各類用電設(shè)備的集中控制效果，各個(gè)系統(tǒng)之間具有較強(qiáng)的獨(dú)立性與可靠性，然而實(shí)際饋線電纜數(shù)量相對(duì)比較多，一旦某一用電設(shè)備出現(xiàn)故障現(xiàn)象，均有可能影響主配電板，甚至對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性帶來一定的干擾作用。

3.4.2 干線式

將全部用電設(shè)備以主配電板在若干條干線的經(jīng)分配電板進(jìn)行供電，這類電網(wǎng)設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單，對(duì)電纜數(shù)量要求比較小，然而很難集中控制全部用電設(shè)備，因此一旦某一用電設(shè)備產(chǎn)生故障現(xiàn)象，則很有可能導(dǎo)致全部干線設(shè)備無法正常工作，所以其可靠性難以得到有效保障。

3.4.3 混合式

在功率大、重要的負(fù)載裝置中采用饋線式，而對(duì)于那些小型、功率小的負(fù)載裝置以干線式為主，其優(yōu)勢(shì)在于某一局部線路出現(xiàn)故障，很難對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，而提高配置合理性，可以有效保障供電可靠性與穩(wěn)定性。因此混合式電網(wǎng)設(shè)計(jì)在船舶電力系統(tǒng)中十分常見。

3.5 船舶電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)

在針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)過程中，其重點(diǎn)內(nèi)容一般分為短路保護(hù)與協(xié)調(diào)性保護(hù)等兩部分。在短路保護(hù)工作中，選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)比較常見，尤其在主發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)中，一般以一級(jí)保護(hù)為主，故障延遲時(shí)間一般在6s 以內(nèi)。而我國在船舶設(shè)計(jì)規(guī)范要求中明確規(guī)定，對(duì)于船舶交流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)點(diǎn)電流值，普遍為穩(wěn)定電流的3 倍之上，而在短路延遲保護(hù)誤差范圍中，一般以15%內(nèi)比較常見，在下一級(jí)電源裝置的保護(hù)設(shè)計(jì)工作中，確保與發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)保持應(yīng)有的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性，能夠針對(duì)各級(jí)線路預(yù)留一定的短路選擇性保護(hù)，確保故障保護(hù)延遲時(shí)間以6s 內(nèi)為宜。另外在配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)中，可以結(jié)合三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，將斷路器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)于延時(shí)保護(hù)線路當(dāng)中，將熔斷器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)于照明系統(tǒng)末端區(qū)域，同時(shí)以塑料殼斷路器保護(hù)動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)，以提高電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)質(zhì)量[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著船舶電工領(lǐng)域的快速發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平越來越高，而機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使各個(gè)學(xué)科之間的界限變得越來越模糊，人工智能與模糊技術(shù)的應(yīng)用使船舶電氣自動(dòng)化水平得到了長遠(yuǎn)發(fā)展局面，對(duì)整個(gè)航運(yùn)業(yè)將會(huì)帶來重大的變革性影響，在此之間必須及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)信息，以促進(jìn)我國船舶電站真正走向綜合自動(dòng)化的高階段發(fā)展方向。