论船舶电力系统的设计

由于船舶是一个活动于水上的独立体，其电力系统作为船舶的重要组成部分，是保证船舶安全航行的关键之一。因此，科学、合理、规范地进行船舶电力系统设计，是我们每个船电设计人员的重要任务。

1.船舶电力系统的特点：

船舶电力系统与陆上电力系统相比，有较大的差异，主要包括：

（1）船舶电站的容量较小，有些大功率的用电设备的功率接近发电机的功率，易导致负载起动对电网的冲击（电压、频率跌落较大），误操作或局部故障易导致全船断电，同时，船舶工况变动较频繁，对电力系统的稳定性和可靠性提出了较高的要求。

（2）船舶空间小，电气设备比较集中，相互之间的影响较大，处理不当，甚至会影响船舶航行安全。

（3）船舶电气设备工作环境恶劣。主要是温度高、湿度大、振动、冲击、倾斜，易造成电气设备出力不足、绝缘老化或损坏，接触不良、误动作和误报警等故障。

2.船舶电力系统的组成和设计任务

2.1船舶电力系统组成

船舶电力系统是由电源、配电装置、电力网和用电设备组成。电源通常采用发电机组或蓄电池组。配电装置是用来接收发电机发出的电能、分配电能和控制电能的。电力网即联系发电机、配电板、分配电板、用电设备的电缆，其作用是输送电能。用电设备包括：动力负荷、照明负荷、通导设备等。

2.2船舶电力系统设计任务

船舶电力系统设计的任务是依据设计任务书，按照船舶总体设计意图，遵循相应的规范和标准、拟定电力系统的功能要求、选择电力系统方案和进行电力设备的选型。一般设计分为方案设计、技术设计和施工设计三个阶段，每个阶段都有阶段主要任务。

（1）方案设计。主要是确定总体概貌，确定各种技术关键问题，着重估算全船的电力负荷，确定电站的主要参数、电力系统的组成、落实主要电力设备的总体布置，可提供的资料包括电力系统方案设计说明书、电力负荷估算书、主要电气设备初步订货明细表、主要电气设备的布置方案及解决技术关键问题的报告等。

（2）技术设计。主要是在技术细节上，进一步肯定和深入充实方案设计。技术设计阶段设计的主要图纸和资料应提交船检部门审查同意后，作为施工设计的依据。需完成并送审的主要图纸和资料包括全船电气说明书、全船电力负荷计算书、电力一次、二次系统图、全船电气设备布置图、主配电板原理及外视图、充放电板原理及外视图、主干电缆敷设图及电气试验试航大纲。

（3）施工设计。主要是将技术设计付诸实现而进行的生产详细设计。本阶段需设计施工的全部图纸，包括电力设备和材料订货明细表；配套的自制件及外协件的清单和图纸；编制船舶电力系统施工、安装工艺说明书；编写船舶电力系统操作、使用及维护的技术文件等。

3.船舶电力系统的设计实践

笔者多年从事船舶电气设计，现以漓江游船为例，略谈一、二进行电力系统设计的思路和体会。

漓江船舶电力系统的设计，基本按下图所示的流程进行：

图1：漓江船舶电力系统设计流程

在电力系统诸要素（电制、电压、频率等）确定后，根据客户要求和有关船舶规范（中国船级社《内河钢质船舶建造规范》2009简称《内规》、中华人民共和国海事局《漓江旅游客舱法定检验规定》2011简称《漓规》）依次进行船舶电力系统的设计。

3.1船舶电站的设计

船舶电站是电力系统的“心脏”，合理地配置主电源，是船舶电站设计的关键。由于规范要求船上的舵机油泵、为主机服务的各种辅机、消防泵、舱底泵等，必须有两套动力源，其中一套可以由推进主机带动（漓江游船已设计如此），而船舶安全航行所必须的助航、照明、通讯设备等除交流电外，可以由蓄电池供电。所以，依《漓规》7.2.1.4款对主电源和7.2.1.5对主电源的要求，考虑到漓江游船受航道限制，吃水浅，对船舶重量的控制较严，我们设计一立的原动机驱动的交流发电机组作为主电源，供船舶各种辅机设备、航行信号、照明、生活设备（如空调设备、厨房电器设备等）用电。设计两组蓄电池组作为应急电源，供助航、应急照明及通导设备等用电，这样既满足规范要求和用电需求，又减轻了船舶重量，在一定程度上控制了船舶超吃水。

配电系统和配电装置的设计

3.2.1配电系统的设计

主要谈交流三相配电系统的设计，按《内规》2.1.1.1款，交流三相有三种配电系统：

（1）三线绝缘系统。其特点是照明系统与动力系统是经过变压器相联系的，所以在网系统间只有磁的联系而没有电气的直接联系，因而相互间影响小，当其中有一相对船体发生短路时，仍不会产生单相短路电流，这样，电力系统即使发生单相接地故障仍可保证供电的连续性，现代船舶大都使用此线制。

（2）中性点接地的四线系统。特点是电力系统和照明系统可由同一电源供给以不同的电压，省去了变压器，减轻重量、维护方便，不足的是，即使一相接地，就必须马上切断电源，不能保证在故障的情况下供电的连续性。

（3）以船体作为中性线回路的三线系统。特点是因利用船体铁作为回路的回线，故可节省大量的电缆，降低建造费用，但当导线绝缘损坏时，会造成较大的漏电流而引起短路，目前，船舶较少用此线制。

根据对三种配电系统对比，虽然三线绝缘系统能保证供电的连续性，但漓江游船更注重对船舶重量和吃水的控制，困为漓江游船受航道限制，船舶吃水浅，重量控制较严、机舱空间较小，省掉变压器即可减轻重量、节省空间，所以我们选用中性点接地的四线系统。

图2：主配电板

图3：应急充放电板

图4：机舱集中控制板

3.2.2配电装置的设计

设计时主要考虑系统运行时主电路能正常接通、断开，系统发生故障或不正常运行时，保护装置能动作并切断故障元件或发出警报信号，能测量和显示运行中的各种电气参数（如电压、电流、功率、频率等），能对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号指示等。笔者在多年的设计中，已基本将漓江游船的主要配电装置，形成定型产品，其具备设计功能并符合《内规》6.2.1款对配电装置的一般要求，如：板上的开关、指示灯、断路器、仪表测量转换开关设置明显耐久标志、发电机主开关设置接通及分断指示灯、有岸电供电的指示、有船电和岸电的联锁装置、活动面板与构架之间有专用柱进行电气连接等。

漓江游船典型的主要配电装置如图2、3、4。

3.3船舶电网的设计

船舶电网是指主配电板与直接供电设备或分配电板之间电缆的连接方式。主要有三种方式：

（1）馈线式：即重要的和大功率的用电设备越境由主配电板供电，少数用电设备经分配电板供电。其特点可以集中控制用电设备，系统相互独立，可靠性较好，但此方式的馈线电缆较多，任何一路用电设备发生较大变动或故障，都会对主配电板产生很大的影响，降低了电力系统供电的可靠性。

（2）干线式：即所有用电设备由主配电板用一条或几条干线经分配电板供电，特点是电网简单，电缆耗用量较少，但它无法集中控制用电设备，一个用电设备的故障可能使整个干线上的设备无法工作，可靠性较差。

（3）混合式；通常是功率较大或较重要的负载采用馈线式，较次或功率较小的负载采用干线式，特点是局部线路发生故障不致影响整个电力系统，只要合理配置，可以保证重要设备有较高的供电可靠性。

通过对三种电网方式的分析，漓江游船均采用混合式的电网连接方式。

船舶电力系统的保护设计

3.4.1发电机的保护

漓江游船发电机的保护，主要有过载、短路、欠压的保护。目前内河船舶发电机的保护大都采用万能式自动空气断路器和装置式空气开关来实现，它们既是开关电器，又是保护电器，均可达到对发电机短路、过载和欠压的保护。在选择二者时，因考虑到万能式自动空气断路器体积大，占用空间较大，安装不便，而装置式空气开关具有安全、美观、体积小、重量轻等特点，非常适合漓江游船使用，所以，在设计漓江游船发电机的保护时，均采用DZ型装置式空气开关，并作为发电机的主开关。

3.4.2船舶电网的保护

主要设计为以下几种保护方式：

（1）每一独立馈电线路均设计复式脱扣自动开关（如C65型或DZ47型小型断路器），以达到短路保护和过载保护目的。

（2）操舵装置的馈电线路，设计带电磁脱扣的断路器，作为其馈电线路的短路保护。

（3）岸电箱至主配板之间设熔断器作为短路保护。并设计XJ3型相序继电器作为岸电接入船上的相序和断相保护。

（4）蓄电池组的各馈电线路均设熔断器作为短路保护。

3.5设计方案图纸化、文件化

设计方案经绘制、输出，使之图纸化、文件化，以作为施工的技术文件。目前，漓江游船的电力系统，基本采用上述设计方案。实践证明，设计比较科学、规范、合理、适用。

参考文献：

[1]中国船级社.《内河钢质船舶建造规范》[M].人民交通出版社，2009

[2]中华人民共和国海事局.《漓江旅游客舱法定检验规定》[Z].2011－03－01

[3]陈刚.《船舶电气》[M].人民交通出版社，2011