艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

冒如權(quán)

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

艦船電力網(wǎng)絡(luò)是艦船電力系統(tǒng)的一個組成部分。在艦船電站配置確定的條件下，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式的選擇對保證供電的可靠性和生命力［1］起著決定作用；特別對于戰(zhàn)斗艦艇來說，艦船電網(wǎng)設(shè)計要求供電連續(xù)性強、可靠性高。確保當(dāng)某處發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)應(yīng)能通過網(wǎng)絡(luò)的迅速調(diào)度，切除或隔離故障部位，最大限度地滿足所有剩余負(fù)載的正常連續(xù)供電，將故障影響降到最低。因此，選擇高可靠性電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和重要負(fù)載多路供電措施，對艦船電力系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。根據(jù)裝艦負(fù)載容量，艦船總體設(shè)計依據(jù)的規(guī)范和生命力、可靠性要求，艦船電站設(shè)計有單主電站、兩主電站和多主電站電力系統(tǒng)方案。下面分別對以上三種艦船電力系統(tǒng)的設(shè)計及特點進行分析，并計算幾種常用典型系統(tǒng)供電通路的概率，提供設(shè)計選型建議。

1 單主電站電力系統(tǒng)

單主電站電力系統(tǒng)指全船數(shù)臺發(fā)電機組組成一個主電源。油船、拖船及各類工程船等執(zhí)行非直接戰(zhàn)斗任務(wù)的輔助艦船，考慮到采購成本和運行經(jīng)濟性，常參照民船規(guī)范設(shè)置一個主電源，即一個主電站。主配電板匯流排之間設(shè)置隔離開關(guān)，將主配電板分成獨立的兩段或數(shù)段，一是當(dāng)一段主配電板及連接負(fù)載線路故障切除故障部分，確保剩余負(fù)載的連續(xù)供電，二是對影響航行安全和人命安全負(fù)載從主配電板沿兩舷兩路供電，提高供電可靠性。

根據(jù)艦船噸位大小和裝艦負(fù)載數(shù)量，配電系統(tǒng)有主配電板直接向負(fù)載分電箱直接供電和主配電板經(jīng)分配電板向負(fù)載分電箱供電兩種型式。小型艦船因負(fù)載容量小、數(shù)量少，一般采用主配電板直接供電（見圖1）；負(fù)載數(shù)量多的艦船，一般除重要負(fù)載由主配電板直接供電，其余負(fù)載由設(shè)在各負(fù)載集中區(qū)域的分配電板供電，可減少穿艙電纜的敷設(shè)（見圖2）。當(dāng)主電源失電時，為保證航行安全設(shè)備和人命救生設(shè)施的正常工作，只設(shè)有一個主電站的艦船一般還設(shè)置應(yīng)急電站；在正常情況下，應(yīng)急配電系統(tǒng)作為主配電系統(tǒng)的一部分，主電源經(jīng)主配電板向應(yīng)急配電板供電；主電源失電后，由應(yīng)急電源通過應(yīng)急配電板向應(yīng)急負(fù)載供電［2］（見圖 3）。

圖1 直接供電

圖2 經(jīng)分配電板供電

圖3 應(yīng)急負(fù)載供電

單主電站電力網(wǎng)路的特點是電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、層次清楚，配電系統(tǒng)設(shè)計中合理分配負(fù)載連接，可以保證重要負(fù)載的供電可靠性，自動化要求不高，在航行安全和人命安全得到充分保障的前提下，可有效降低采購成本。

2 兩主電站電力系統(tǒng)

兩主電站電力系統(tǒng)是指全船數(shù)臺發(fā)電機組組成前、后兩個主電源。執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的大、中型艦船，為保持較強的電力系統(tǒng)生命力和供電連續(xù)性，設(shè)置前、后兩個主電站，當(dāng)船體相鄰艙室破損仍能保持不沉?xí)r，有一個主電站保持完整，可供使用，為全艦最大用電工況提供電力。

根據(jù)前、后電站之間跨接線連接型式可分為單跨接網(wǎng)絡(luò)和雙跨接網(wǎng)絡(luò)。采用單跨接線連接前、后電站主配電板，形成半環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，控制跨接開關(guān)的開閉，前、后電站可分區(qū)和聯(lián)網(wǎng)供電（見圖4）；前、后主配電板分兩舷采用雙跨接線連接，形成電源型環(huán)網(wǎng)，雙跨接線互相聯(lián)鎖，一用一備，提高供電線路可靠性，可分區(qū)和聯(lián)網(wǎng)供電，實現(xiàn)電站多模式組合運行（見圖5）。

圖4 單跨接線網(wǎng)絡(luò)

圖5 雙跨接線網(wǎng)絡(luò)

為了降低戰(zhàn)損對電力系統(tǒng)供電連續(xù)性的影響，跨接線分別沿艦兩舷盡可能遠(yuǎn)的敷設(shè)，設(shè)置在左舷、右舷的上部和下部，連接艦船各電站發(fā)電機組，兩路電纜應(yīng)盡最大可能地拉開在橫向和縱向上的距離，提高供電生命力。前、后電站采用跨接線連接，通過前、后主配電板、區(qū)配電板、分電箱向負(fù)載供電，對于重要負(fù)載由前后配電兩路兩舷直接供電，在一個主電站故障情況下，仍能提高全艦電力供應(yīng)，確保重要負(fù)載供電的連續(xù)性和可靠性。

兩個主電站電力網(wǎng)路的特點是層次清楚，通過合理的電站運行模式組合，用電負(fù)載能從兩個電站獲得電能，供電可靠性高。但這種方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用冗余的電站設(shè)置，建造成本高，在管理和保護上比較復(fù)雜，技術(shù)水平要求高，一般采用自動電站實現(xiàn)。

3 多個電站電力系統(tǒng)

多主電站電力系統(tǒng)是指全船數(shù)臺發(fā)電機組形成多個獨立主電源。隨著艦艇大型化、任務(wù)多樣化，裝船負(fù)載數(shù)量多、容量大，可靠性要求高，以及受保護設(shè)備能力限制，在發(fā)電機組容量較大、數(shù)量較多的艦船，一般設(shè)置多個主電站。設(shè)置前、中、后三個獨立主電站，三個電站通過敷設(shè)在兩舷的跨接線連接起來，形成網(wǎng)格型電力網(wǎng)絡(luò)，在一個主電站出現(xiàn)故障時，剩余的兩個主電站可保證全艦最大工況供電需要。重要負(fù)載可從兩個電站獲得供電，提高了設(shè)備的供電可靠性和連續(xù)性。根據(jù)供電負(fù)載與主配電板的連接關(guān)系可區(qū)分為：一是通過主配電板經(jīng)分配電板至負(fù)載或重要負(fù)載主配電板直接供電（見圖6）；二是負(fù)載通過舷側(cè)區(qū)配電板供電兩種（見圖7）。前者連接方式是兩個電站的拓展，后者每臺發(fā)電機組分兩路向兩舷區(qū)配電板供電，再通過兩舷跨接電纜將區(qū)配電板連接。此種方式供電電源生命力高，敷設(shè)電纜較多，但區(qū)配電板設(shè)置在舷側(cè)，增大了戰(zhàn)損幾率。

圖6 普通多電站電力網(wǎng)

圖7 舷側(cè)區(qū)配電板供電網(wǎng)絡(luò)

為了提高電網(wǎng)可靠性，負(fù)載采用兩路或多路供電。不過，過多的備用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，反之，則會降低整個系統(tǒng)的可靠性。增加敷設(shè)電纜，不僅使采購與建造成本增加，并且貫穿各個區(qū)域的電纜（尤其是穿過水密艙壁的電纜）也影響了艦船的生命力，因此，又提出區(qū)域配電技術(shù)［3］（見圖 8）。 通過在負(fù)載集中的區(qū)域設(shè)置獨立電站，設(shè)備由該區(qū)域內(nèi)電站供電，并在兩舷設(shè)置兩根母線，可以通過跨接方式由其他區(qū)域的電站供電。

圖8 區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)格型電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是兩個主電站電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓展，其特點與其基本相同，只是電站的容量有所增加，管理和控制更加復(fù)雜。區(qū)域供配電方式特點是大量配電板的饋線電纜無需穿過水密艙壁，因此，既能降低敷設(shè)電纜的數(shù)量和價格，更好地適應(yīng)現(xiàn)在區(qū)域造船需要，并且大部分電纜和電站可以在各區(qū)段完成安裝調(diào)試，提高施工效率。不足之處是電站分布于多個獨立艙室，管理復(fù)雜且自動化要求較高。

4 典型電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)供電概率分析

艦船電力系統(tǒng)的生命力和供電可靠性與電力設(shè)備和負(fù)載到電源通路密切相關(guān)［4］。在不考慮設(shè)備故障的情況下，供電通路的多少直接關(guān)系到供電可靠性［5］，而供電通路的多少則由選擇的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定。根據(jù)大、中、小型艦船電力系統(tǒng)設(shè)計情況，以下述四種常用典型電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，計算對某一負(fù)載的供電概率，并加以比較。為計算方便，不考慮系統(tǒng)中設(shè)備和節(jié)點的故障，只考慮電纜供電線路的概率，其受損概率由電纜長度和敷設(shè)位置的影響［6］。

反之，供電電纜保證供電的概率P［L］為：

（2）舷側(cè)方向供電電纜保證供電的概率P［S］，取決于供電線沿舷側(cè)方向的敷設(shè)位置。

若沿兩舷船體敷設(shè)P［S］取0.5；若沿船中線面敷設(shè)P［S］取1；若在中線面和舷側(cè)船體殼板之間敷設(shè)時，則根據(jù)其離船體中線面的距離取：P［S］=0.5～1。

（3）供電電纜保證供電的總概率

根據(jù)以上公式和某型船供電電纜敷設(shè)情況，計算各線段保證供電的概率，計算結(jié)果見圖9～圖12。

設(shè)n根供電電纜，其保證供電概率分別為P［1］、P［2］…P［n］，其損壞概率分別為

將此n根供電電纜串聯(lián)，只要有一根供電電纜損壞，整個串聯(lián)線路將不能保證供電。故n根供電線串聯(lián)后，保證供電概率P［SE］為：

將此n根供電電纜并聯(lián)起來，則只有當(dāng)所有供電電纜都損壞時，整個并聯(lián)線路才不能保證供電。故供電線并聯(lián)式保證供電的概率P［PA］為：

圖9 單電源單路直接供電

對于圖9，單電源單路直接供電，電動機M的供電只有一條通路，其保證供電的概率為：

P［A］=P［A1］P［A2］P［A3］=0.95×0.8×0.95=0.722；保證供電的總概率

圖10 兩電源兩路供電

對于圖10，兩電源兩路供電，電動機M的供電有兩條通路，其保證供電的概率為：

同理，P［B］=0.95×0.8×0.95=0.722

電機供電總概率為：

圖11 兩電源單跨接線兩路供電

對于圖11，兩電源單跨接線兩路供電，電動機M的供電有四條通路，其保證供電的總概率為：

圖12 兩電源雙跨接線兩路供電

對于圖12，兩電源雙跨接線兩路供電，電動機M的供電有六條通路，其保證供電的總概率為：

通過以上計算發(fā)現(xiàn)，圖12保證供電的總概率最高，正是因為供電通路的增加，供電的可靠性也不斷增加，所以在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，應(yīng)權(quán)衡考慮經(jīng)濟性和可靠性，選擇電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

電力系統(tǒng)設(shè)計時采用的電站數(shù)量和電力網(wǎng)絡(luò)形式，主要由依據(jù)設(shè)計參照的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和對電力系統(tǒng)生命力要求決定。單電站主要應(yīng)用于不直接參與戰(zhàn)斗，遭受戰(zhàn)斗損傷幾率小的艦船，如救援、打撈、拖帶等輔助艦船；兩電站主要應(yīng)用于對電力系統(tǒng)生命力和可靠性要求高的戰(zhàn)斗艦艇；多電站主要應(yīng)用于電站容量較大、機組數(shù)量多、供電可靠性要求高的大型戰(zhàn)斗艦艇。電力系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮生命力、可靠性、經(jīng)濟性、技術(shù)可實現(xiàn)水平等多方面情況，提高負(fù)載供電通路，實現(xiàn)高可靠性供電。

［1］李紅江，魯宗相，朱凌志，等.艦船電力系統(tǒng)生命力評估研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版）.2007（3）：533-536.

［2］王東鶴.船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.大連海事大學(xué)，2006.

［3］冀路明，張懷亮.艦船配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究［J］.船舶工程，2009（2）：35-38.

［4］黃巧亮，劉國海，劉維亭，等.船舶復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性評估［J］.船電技術(shù)，2009（3）：20-24.

［5］喻浩，焦紹光.艦船電力系統(tǒng)可靠性研究初探［J］.船電技術(shù)，2006（4）：21-24.

［6］孫詩南.艦船電力系統(tǒng)的研究與設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.