船舶电力系统的设计与研究

中图分类号： F407.6文献标识码： A

引言

船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位，电力系统供电的连续性、可靠性和供电品质，将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。在现代化船舶上，电站操作越来越复杂、电站自动化程度日益提高，对电站管理人员的要求也越来越高。二十世纪七十年代后，船舶电力系统的控制形成了功能齐全、性能稳定的由数字集成电路与线性模拟集成电路组成的控制系统。八十年代后，出现了由单板机或单片机组成的微机控制系统。到了九十年代，PLC 的应用增强了控制系统的可靠性。到目前为止PLC 控制的电站、主机遥控、集中监测报警等系统已不断的更新换代，船舶电力系统己形成了完善的船舶自动电力综合管理系统。1 船舶电力系统

船舶电力系统主要由电源、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。发电机是由原动机带动的，原动机的类型可分为蒸汽机、柴油机、汽轮机和燃气轮机等。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。联系发电机、主配电板、分配电板和用电设备的电缆称为电力网，其作用是用来输送电能。船上的用电设备很多，包括动力负荷、照明负荷、通讯导航设备等。船舶电力系统研究的对象是发电机发电、配电、输电给各用电设备的问题。

2 船舶电站设计

船舶电站是电力系统的心脏，其工作的可靠性和生命力，是系统实现规定任务的有效性的两个标志。船舶电站的可靠性是在指在各种不利的工作条件(如环境温度变化大，空气湿度大，海水腐蚀作用强，船舶的横摇和纵倾大，航行振动和冲击振动等)，电气系统的各项电气设备在整个运行期间不见断的工作能力。既不发生结构上的损坏事故，也不应发生各种装置的调整失常，使整个电力系统能不间断地供电，并保证一定的电能质量。船舶电站的生命力是指船舶受到战斗损坏和事故破坏时，电力系统仍能保证不间断供电的能力。电力系统工作的可靠性取决于其组成元件的可靠性及其相互连接方法和使用方法。因此对船舶电站的可靠性，要求在设计船舶电站线路、选用元件、确定使用方法时都必须加以考虑。船舶电站由原动机、发电机和主配电装置组成，一般都是根据船舶的具体要求专门研制配套的。它为船舶上的工作机械和生活设备如电动舵机、锚机、武器装备、电灯、电视机、空调等提供电源。电站设计是电力系统设计的关键环节。根据船舶负荷的供电需求来确定电站的组成方案，并进行电源设备的选型和布置，这是船舶电力系统设计的一项重要内容。

一个优良的船舶电站应该具备有充足的发电能力并保证向全船的重要负荷可靠地供电，有较强的生命力、较高的运行安全性、较低的全寿命期费和优良的操作使用性能。在船舶自动化电站中，为了使一套发电机组能自动并车投入运行，其首要的工作是必须能根据指令自动起动或停止柴油机发电机组，或者首先能在集中控制室内遥控柴油发电机组的起动或停止。因此，柴油发电机组的自动控制是船舶电站自动化的重要内容之一。

船舶发电机大多由柴油机拖动，在发电机的起动和停机控制中，柴油机是控制对象，船舶辅柴油机可以有电动起动和压缩空气起动两种方式。电动起动一般用于应急发电机的原动机，由蓄电池供电给直流伺服电动机，带动柴油机转动直到起动完毕；主发电机组一般采用压缩空气起动，压缩空气经起动控制阀到达柴油机，再由柴油机的空气分配器按各汽缸发火的顺序，依次将压缩空气引入各汽缸，推动活塞，使机器转动。一旦进入汽缸的压缩空气产生高温，自行发火运转后，立即切断气源，柴油机即自行运转。

控制柴油机停机时，只需切断燃油供给，机器即自行停下来。但也需注意，不同形式的机器可能有不同的要求。突然停机，也许是某些机器的性能不能接受的，它要求在中速下先运行一段时间，待温度逐渐降低，然后才允许断油停机。

柴油机起、停程序可归纳为三种基本原则：(1)按时间原则控制,即模仿人的实际操作过程,按时间拟定控制程序；(2)按速度原则控制，即直接按速度拟定控制程序；(3)按滑油压力控制，即根据不同转速时滑油压力的变化拟定控制程序。一般采用综合方式控制，即在整个控制系统中，以上三种控制原则都有。

在具有要求多台机组并联供电的电站中，若要满足“无人机舱”的要求，实现电站自动化，必须将各个自动环节有机地联系起来，组成一个总体控制系统，用来收集来自各台柴油机、发电机、断路器、汇流排以及各主要负载的必要的信息及参数，加以分析、判断，在一定的条件下，自动地采取符合逻辑的措施，以处理电站运行中可能出现的各种情况，确保电力系统安全可靠、经济地运行。

3 船舶配电装置设计

船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并对发电机和电网进行保护、测量和调整等工作的设备。它是由各种开关、保护电器、测量仪表、调节和信号装置等电器设备按一定要求组合而成的。

船舶配电装置种类很多，常用的按其用途分类有：

主配电板：用来控制和监测主发电机的工作，并将主发电机产生的电能，通过主电网或直接给用电设备配电。

应急配电板：用来控制和监测应急发电机的工作，并将应急发电机产生的电能，通过应急电网或直接给用电设备供电。

蓄电池充放电板：用来控制和监测充电发电机或充电整流器，对蓄电池组进行充放电工作，并通过低压电网或直接给用电设备配电。

岸电箱：当船舶停靠码头时，将岸上电源接至船上，通过主配电板(或应急配电板)给用电设备供电。

区配电板：介于主配电板或应急配电板与分电箱之间，用以向分电箱和最后支路供电的配电板。

分电箱：用以向成组的最后支路供电，并装有保护装置。按目的和性质分为:电力分电箱、照明分电箱、助航通信分配电板等。

电工试验板：接有全船各种电源和必要的检测仪表，专供船上检修和校验各种用电设备的配电板。

船舶配电装置应根据其安装的场所，选择不同的防护等级和安装方式。4 船舶电网设计

船舶电网是由船用电缆、导线和配电装置以一定的连接方式组成的整体。船舶电网包括供电网络和配电网络，供电网络是指主发电机与主配电板之间、应急发电机与应急配电板之间、主配电板之间以及主配电板与应急配电板、岸电箱之间的电气连接网络。配电网是指主配电板、应急配电板到用电设备之间的电气连接网络。

船舶电网的连接方式有很多，但基本类型有以下五种：

（1）馈钱配电方式各个用电设备及分配电箱由主配的单独馈线引出。这种方式用于用电设备较少的小型船舶。

（2）干线配电方式由主配电板引出几根叫做干线的电缆对分配电箱供电，用电设备再从分配电板上取得电源，这种配电方式的优点是电网结构简单，可以大大减少船舶干线电缆的数量。

(3)混合配电方式馈线式和干线式混合的配电方式。这种配电方式局部线路发生故障不致影响整个电力系统，可以保证重要设备有较高的供电可靠性。

(5)网形配电方式

它是在船舶发电机组和负载较多的情况下，由环形配电方式发展而成的一种配电形式。

5 电力系统的保护设计

电力系统保护装置设计的目的在于防止或限制系统的故障，并把它们对系统其余部分的影响降低到最低程度。在设计中对保护装置要考虑：

(1)确定系统电气参数检测、保护的内容和范围，并确定应有哪几种保护性能。(2)正确选用合适的保护装置。

(3)确定保护装置的动作整定值。

(4)电力系统各个环节之间的联锁和协调。

(5)确定电力系统的负载控制措施。

在电力系统诸要素(电制、电压、频率等)确定后，根据规范规则以及客户的要求，依次进行电源装置设计、配电装置设计、电力网设计和系统保护设计，将设计过程图纸化文件化(包括电力负荷计算书、配电板布置图原理图、短路电流计算等)，最后交付相关厂家进行硬件施工。

6 结论

本文的研究为电力系统的设计提供了一种思路，完成了以下工作：

1.电力系统的设计:进行了电力负荷的研究，并根据研究结果进行主发电机的选型。

2.配电装置的设计:对元器件进行选型，设计了主配电板和应急配电板的布置图和原理图。

3.电力网的设计:设计了一次二次电力系统图，绘制了电力布置图。

4.电力系统保护的设计研究:对选择性保护进行分析研究，并绘制了工程化图纸。

这些研究结果可为后续的研究提供理论和实践上的指导，从而进一步掌握船舶电力系统的设计步骤。

参考文献:

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