船舶電氣配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)探究

王森 陳濤

【摘要】船舶電氣是以電能、電氣設(shè)備和電氣技術(shù)為手段，利用電工、電子技術(shù)維持與改善船舶室內(nèi)空間的電、光、熱、聲環(huán)境的一門科學(xué)。在船舶物內(nèi)部人為創(chuàng)造并保持理想的環(huán)境，以充分發(fā)揮船舶物功能的電工、電子設(shè)備系統(tǒng)，統(tǒng)稱船舶電氣。由于電能具有配置靈活、控制簡(jiǎn)便、污染小等優(yōu)勢(shì)，人們一直希望在艦船上廣泛采用電力作為能量傳輸?shù)姆绞健ｋS著大功率電力電子技術(shù)和永磁、超導(dǎo)等新材料的迅速發(fā)展，使得電力設(shè)備的功率密度不斷提高，促使電力推進(jìn)技術(shù)在商船上廣泛應(yīng)用，并逐漸向軍用艦船領(lǐng)域擴(kuò)展。本文介紹了現(xiàn)代船舶電氣配電系統(tǒng)的一些合理性設(shè)計(jì)方案和建議，充分利用資源，合理的設(shè)計(jì)符合可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)方針。

【關(guān)鍵詞】船舶;配電系統(tǒng);電氣;設(shè)計(jì)

1.引言

近幾年，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)、新器件層出不窮，越來(lái)越多地應(yīng)用到船舶行業(yè)中，已成為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的重要因素。大型施工機(jī)械、照明控制、監(jiān)控、報(bào)警、對(duì)講等智能化工程施工與管理，急需既懂專業(yè)知識(shí)又掌握電子技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用型人才。電氣工程專業(yè)的教學(xué)改革和教材建設(shè)應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)市場(chǎng)變化，開拓創(chuàng)新，反映時(shí)代特色，面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，有鮮明的行業(yè)特色，突出高職教育的特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)。本文也從多角度分析了船舶電氣配電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，為廣大同行作參考。

2.負(fù)荷等級(jí)及供電要求

2.1 負(fù)荷等級(jí)分類

電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)供中斷供電及電可靠性在經(jīng)濟(jì)、政治上所造成的影響或損失的程度，分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)負(fù)荷。對(duì)于某些特等船舶，需要一級(jí)負(fù)荷。一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷是指中斷供電將影響中斷供電或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正常工作甚至將發(fā)生火災(zāi)、爆炸以及嚴(yán)重中毒的災(zāi)難性后果所需要的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。其他用電配備情況可以酌情降低負(fù)荷等級(jí)。

2.2 供電要求

根據(jù)《船舶電氣規(guī)范》，一級(jí)負(fù)荷應(yīng)當(dāng)由兩個(gè)電源供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障或受到損壞時(shí)，另一個(gè)電源可以應(yīng)急在正常情況下工作”。二級(jí)負(fù)荷“宜由兩回線路供電”，即當(dāng)發(fā)生線路常見故障或電力變壓器故障時(shí)不致中斷供電，也可以說(shuō)中斷后能迅速恢復(fù)。設(shè)計(jì)中常采用一路高壓電源供電或者采用一用一備兩路高壓供電。三級(jí)負(fù)荷對(duì)供電無(wú)特殊要求。此外，根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)防火規(guī)范》以及《船舶設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)消防用電設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷等級(jí)劃分，對(duì)于二類高層船舶的消防用電按二級(jí)負(fù)荷要求供電并且消防用電設(shè)備應(yīng)采用專用的供電回路。火災(zāi)事故照明和疏散指示標(biāo)志可采用蓄電池作備用電源，其配電設(shè)備應(yīng)明顯標(biāo)志。

3.計(jì)算負(fù)荷的有關(guān)參數(shù)及公式

3.1 確定用電設(shè)備組或用電單位計(jì)算負(fù)荷的公式：

a.無(wú)功計(jì)算負(fù)荷Kvar

Q30=P30/tanψ

式中tanψ是指設(shè)備給定功率因數(shù)角與用電單位或用電設(shè)備組功率因數(shù)角的正切值

b.有功計(jì)算負(fù)荷（KW）

式中：為用電單位或用電設(shè)備組的需要系數(shù);為用電單位或用電設(shè)備組的總?cè)萘?

c.負(fù)荷視在（KV·A）

S30=P30/cosψ

d.電流計(jì)算（A）

I30=S30/UN

式中為用電設(shè)備組或用電單位供電電壓額定值（KV）

3.2 確定多組用電設(shè)備組或多個(gè)用電單位總計(jì)算負(fù)荷的公式

a.有功計(jì)算負(fù)荷（KW）

式中，為各組的計(jì)算負(fù)荷（KW）;為有功負(fù)荷同時(shí)系數(shù)，由設(shè)備組計(jì)算車間配電干線負(fù)荷時(shí)可取=0.85～0.95，由設(shè)備組直接計(jì)算變電所低壓母線總負(fù)荷時(shí)可取=0.8～0.9。

b.無(wú)功計(jì)算負(fù)荷Kvar

式中，為各組無(wú)功計(jì)算負(fù)荷（Kvar）;為無(wú)功負(fù)荷同時(shí)系數(shù)，由設(shè)備組計(jì)算車間配電干線負(fù)荷時(shí)可取=0.9～0.97，由設(shè)備組直接計(jì)算變電所低壓母線總負(fù)荷時(shí)可取=0.85～0.95。

c.視在計(jì)算負(fù)荷（KV·A）

d.計(jì)算電流（A）

I30=S30/UN

式中為用電設(shè)備電壓額定值（KV）

e.無(wú)功補(bǔ)償公式

補(bǔ)償前

補(bǔ)償后

4.基于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的艦船綜合電力系統(tǒng)方案

設(shè)想的核商船的主要設(shè)計(jì)要求為：采用汽輪/電力混合推進(jìn);電力推進(jìn)功率2200kW左右;其他全船用電負(fù)載最高達(dá)2800kW左右，并要求滿足1B1備用原則。

4.1 發(fā)電機(jī)配置

由于尾部空間和總體重量平衡的限制，推進(jìn)電機(jī)采用高功率密度的永磁電機(jī)。永磁電機(jī)一般采用變頻調(diào)速方式，考慮到核商船應(yīng)急航行時(shí)以蓄電池作為電源，電力推進(jìn)采用直流供電。又由于斷路器分?jǐn)嗄芰Φ南拗?，發(fā)電機(jī)單機(jī)功率不宜超過(guò)2000kW。根據(jù)負(fù)載功率的要求和備用原則，有3種發(fā)電機(jī)的配置方案可供選擇。

方案一：2臺(tái)1200kW/1000V高速整流發(fā)電機(jī)給推進(jìn)電機(jī)供電，2臺(tái)3000kW/390V交流發(fā)電機(jī)給全船其他負(fù)載供電。該方案中電力推進(jìn)電源不能給其他負(fù)載供電，不能稱其為綜合電力系統(tǒng)。更為不利的是，需要研制難度很高的低壓、大電流交流開關(guān)。

方案二：采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)構(gòu)成綜合電力系統(tǒng)。設(shè)置2臺(tái)2000kW/1000V高速整流發(fā)電機(jī)和2臺(tái)2000kW/390V交流發(fā)電機(jī)，交流功率不足的部分由整流發(fā)電機(jī)經(jīng)逆變器供給。該方案可以解決交流開關(guān)分?jǐn)嗄芰ο拗茊?wèn)題，但是由于難以采用合適的配電方式，系統(tǒng)極為復(fù)雜，同時(shí)面臨交、直流2種系統(tǒng)中的困難：交流系統(tǒng)仍存在故障隔離差，難以實(shí)施模塊化建造的缺陷;直流系統(tǒng)需要采用大功率逆變，并且需要解決大功率逆變器并聯(lián)運(yùn)行問(wèn)題，如果采用變壓器進(jìn)行隔離/濾波，則會(huì)使逆變器的尺寸/重量相當(dāng)可觀。此外，原動(dòng)機(jī)如何配置也面臨兩難：4臺(tái)汽輪機(jī)的尺寸/重量較大，并且冷凝器難以設(shè)計(jì);2臺(tái)機(jī)則會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性大為降低。

方案三：采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)。全船設(shè)置2臺(tái)4000kW/1000V高速整流發(fā)電機(jī)，向包括推進(jìn)電機(jī)在內(nèi)的全船負(fù)載供電。

4.2 系統(tǒng)方案

以艙室作為區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可以設(shè)置1臺(tái)或多臺(tái)區(qū)域配電模塊，與直流干線進(jìn)行連接，其原理相當(dāng)于脈寬調(diào)制（PWM）式DC/DC變換器。功率電子器件采用絕緣門雙極型晶體管（IG-BT），兼作區(qū)域故障保護(hù)。區(qū)域中還設(shè)置電力變換模塊，完成DC/AC變換，用于驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，并提供故障保護(hù)。重要負(fù)載采用兩路供電，兩路供電分別來(lái)自左舷和右舷干線，利用直流電的單向性，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

大功率交流負(fù)載（50kW以上），主要有反應(yīng)堆一回路循環(huán)泵、主循環(huán)泵、給水泵、制冷機(jī)、螺桿壓氣機(jī)、液壓泵、海水泵等，傳統(tǒng)上都是采用鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，只能定速運(yùn)行。但是實(shí)際上，這些負(fù)載都有調(diào)速運(yùn)行的需要，都希望能根據(jù)負(fù)載的情況對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是靠閥門來(lái)消耗多余的能量。因此可以給這些負(fù)載設(shè)置專門的電力變換模塊，應(yīng)用PWM技術(shù)將區(qū)域配電模塊提供的直流電逆變成直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相交流電，同時(shí)起到軟啟動(dòng)、調(diào)速和保護(hù)的作用。也可應(yīng)用永磁電機(jī)技術(shù)，采用啟動(dòng)、控制、保護(hù)、散熱機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)方式。永磁電機(jī)的尺寸比傳統(tǒng)電機(jī)小30%，其驅(qū)動(dòng)部分可以和電機(jī)集成，不必占用額外的空間。如果采用熱管、水冷等先進(jìn)技術(shù)，還可進(jìn)一步減少體積/重量。

小功率交流負(fù)載，無(wú)論是400Hz中頻設(shè)備還是50Hz異步電動(dòng)機(jī)，都可采用區(qū)域逆變器集中供電。與傳統(tǒng)系統(tǒng)和方案二比較，可以取消交流主配電板、直流主配電板、可靠配電板、主變流機(jī)組、主變控制屏等大型電氣設(shè)備，隔離濾波變壓器的體積/重量大大減小，甚至可以取消。通過(guò)簡(jiǎn)化熱力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的配置，足以換取區(qū)域配電模塊和電力變換模塊所需空間，且布置更為靈活。美、英等國(guó)的研究經(jīng)驗(yàn)表明，基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的直流區(qū)域配電系統(tǒng)的全系統(tǒng)尺寸/重量明顯低于傳統(tǒng)的交流輻射式系統(tǒng)。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文淺談了部分船舶電氣配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及安裝的參數(shù)分析及合理化建議，符合現(xiàn)代可持續(xù)科學(xué)性發(fā)展觀，為電氣學(xué)術(shù)領(lǐng)域提供有效資源，充分利用資源，合理的設(shè)計(jì)符合可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)方針，希望在此基礎(chǔ)上能夠提出更多合理性意見和方案。

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作者簡(jiǎn)介：王森（1988—），男，山西運(yùn)城人，碩士，現(xiàn)供職于海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，研究方向：電力集成技術(shù)。