母線槽在船舶上的應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶電氣對(duì)自動(dòng)化、人性化,以及信息化要求越來越高，對(duì)船舶的電力系統(tǒng)和整個(gè)電網(wǎng)排布設(shè)計(jì)要求越來越高。為此，提出母線槽代替船用電纜的方案，以達(dá)到擴(kuò)充船舶電網(wǎng)主干電纜通道電容量和節(jié)約船舶空間的目的。母線槽又稱之為“bus-way-system”，是一種高效、穩(wěn)定、靈活和安全傳輸電流的配電設(shè)備，具體是利用鋁、銅母線排制作而成一種具有一定密封性的金屬槽型結(jié)構(gòu)。

母線槽分別由導(dǎo)體部分、側(cè)邊保護(hù)蓋板和頂部、底部蓋板以及接頭組件，所有組件部分以螺栓固定，如同船舶上的電纜、電纜托架和電纜蓋板的組合體，一般母線槽采用優(yōu)質(zhì)鍍錫或鍍銀銅排、鋁排作為導(dǎo)電材料，導(dǎo)電排的外表面均有良好的防腐蝕保護(hù)，同時(shí)導(dǎo)電排采用130 ℃的熱成型聚酯薄膜絕緣材料整體包裹，極大的提高了母線的絕緣強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。母線槽具體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 母線槽結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)功能劃分，一般將母線槽分為8類。[1]

1)直線型母線單元。

2)變徑母線單元。

3)膨脹接頭。

4)插接開關(guān)箱、插接熔斷斷路器和插接分線箱。

5)終端盒。

6)始端接頭和始端箱。

7)活動(dòng)接頭。

8)L/T/十字型/Z型水平接頭、L/T/十字形/Z型垂直接頭。

1 母線槽和電纜的選擇和對(duì)比

1.1 選擇要求

母線槽在選擇和使用過程中需要根據(jù)具體使用環(huán)境和用途來進(jìn)行綜合分析，應(yīng)根據(jù)不同使用區(qū)域的防火等級(jí)和危險(xiǎn)等級(jí)來選擇母線槽的類型和材料，同時(shí)根據(jù)所在電網(wǎng)的整體工況來確定最大工況下的最大工作電流來確定母線槽最大截面，并在最大短路電流的條件下檢驗(yàn)?zāi)妇€槽的瞬時(shí)熱穩(wěn)定性和電穩(wěn)定性。

電纜有單芯電纜和多芯電纜之分[2]。單芯電纜主要采用各種絕緣材料，將多股銅線包覆在絕緣層內(nèi)，作為某一相電流導(dǎo)體。多芯電纜則是將多根絕緣線芯絞合在一起，在包上外護(hù)套而形成的一整根完整的電纜。電力電纜的絕緣線芯數(shù)，通常為1、2、3、4、5等芯，以及4+1和3+2芯。電纜的主要優(yōu)點(diǎn)是選用靈活多變，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，但有局限性。

在具體設(shè)計(jì)和建造時(shí)，需根據(jù)具體使用區(qū)域和設(shè)備額定電流等來確定是采用母線槽還是采用電纜。以普通散貨船為例，可以將發(fā)電機(jī)至主配電板的電纜用母線槽，其他分支區(qū)域采用分支電纜。將母線槽和電纜結(jié)合使用，保證整體電網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 特性對(duì)比

由于母線槽和電纜的結(jié)構(gòu)完全不同，在載流量、過載能力、防火性能和散熱性能等方面差別巨大。

以海洋石油981為例[3]，滿足變壓器至配電板的電流等級(jí)，需求3(芯)、120 mm2電纜25根，此處總載流量約為6 000 A，而此處用母線槽代替只需3塊150 mm×10 mm銅排即可滿足要求，其總載流量約為9 000 A。由此可知在相同條件下，母線槽載流量遠(yuǎn)大于電纜載流量，同時(shí)此處母線槽所需求的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜所占據(jù)的空間。

在耐火等級(jí)上，母線槽不管是耐火溫度還是耐火時(shí)間和電纜相比都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電纜，其內(nèi)部導(dǎo)體的溫升和電纜相比有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜。

關(guān)于散熱性能，由于母線槽是框架金屬結(jié)構(gòu)，一般一條電網(wǎng)只需一路母線槽，而電纜時(shí)絕緣護(hù)套包裹結(jié)構(gòu)，敷設(shè)時(shí)是多根綁扎同路敷設(shè)。由此可知母線槽的散熱性能大大優(yōu)于電纜。

在經(jīng)濟(jì)效益上，以海洋石油981實(shí)例為由[4-5]，事例處母線槽4 200元/m左右，雖然此處電纜單價(jià)便宜，但是此處根據(jù)要求需求25根3(芯)、120 mm2的電纜，估價(jià)約6 250元/m，除此外還需要電纜托架(以碳鋼電纜托架9 500 元/t計(jì)算)，在船舶建造后期電纜和母線槽不同是需要單獨(dú)敷設(shè)的(人員敷設(shè)電纜成本250元/(天·人))和提前切割。綜上所述，母線槽成本應(yīng)遠(yuǎn)小于電纜成本+電纜托架成本+電纜敷設(shè)人工成本+電纜切割成本。

具體對(duì)比見表1。

表1 母線槽和電纜相關(guān)特性對(duì)比

綜上所述，對(duì)于低壓配電系統(tǒng)中的重要干線選擇母線槽，顯然有巨大優(yōu)勢(shì)。母線槽和一般的電纜相比，安裝方面屬于模塊化安裝，何處損壞替換何處，使用壽命長(zhǎng)，載流量大，在大電流環(huán)境下，其各方面性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通船用電纜。普通電纜使用壽命有限，同時(shí)隨著使用年限增加外表絕緣層會(huì)老化，絕緣性能將顯著降低，在大電流的設(shè)計(jì)環(huán)境下，建議使用低壓母線槽，其拓展性和未來的增容，都優(yōu)于普通船用電纜。

而對(duì)于小電流分支線路，選擇電纜也有其靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，這就需要專業(yè)配電設(shè)計(jì)人員以實(shí)際需要進(jìn)行合理選擇配置。

2 船舶應(yīng)用

2.1 母線槽代替電纜方案

母線槽在其特性和電網(wǎng)的功能上都是可以代替船舶電纜的，但是由于母線槽的載流量巨大，船舶分支電纜是不適合代替的，下面將具體分析幾種母線槽代替船舶電纜的方案。

2.1.1 主發(fā)電機(jī)/應(yīng)急發(fā)電機(jī)至主配電板/應(yīng)急配電板的電纜

一般來說，船用主發(fā)電機(jī)/應(yīng)急發(fā)電機(jī)至主配電板/應(yīng)急配電板的電纜非常重要，電纜直徑大，電纜敷設(shè)難度大，以普通180KBC為例，每臺(tái)主發(fā)電機(jī)至主配電板有9根120 mm2的電纜。在主配電板間空間非常有限，同時(shí)主配電板間又是整個(gè)船舶電力網(wǎng)的中心區(qū)域，匯聚著全船大部分的大電流電纜，而大電流的電纜不管是成本還是后期敷設(shè)難度都非常大，在這樣的情況下，就應(yīng)該考慮采用母線槽代替主發(fā)電機(jī)/應(yīng)急發(fā)電機(jī)至主配電板/應(yīng)急配電板的電纜，從空間角度分析每臺(tái)發(fā)電機(jī)需9根120 mm2電纜，至少需求500 mm寬的電纜托架，而采用母線槽只需200 mm寬左右的母線槽；從容量角度分析，120 mm2電纜額定電流容量在1 600 A以內(nèi)，而母線槽則可以做到5 000 A以內(nèi)，方便后期增加設(shè)備和更換大容量型號(hào)設(shè)備。

2.1.2 變壓器至主配電板和應(yīng)急配電板的電纜

變壓器至主配電板和應(yīng)急配電板的電纜也和主發(fā)電機(jī)至主配電板的電纜類似，需要單獨(dú)敷設(shè)，同時(shí)其電纜直徑和需求的電纜載流量也非常大，在整個(gè)路徑中無需分接設(shè)備和傳輸信號(hào)，根據(jù)以上特性可知，此處電纜也可用母線槽代替。

2.1.3 全船中壓電纜

一般來說船舶中壓電纜是從中壓配電板或是中壓變壓器至用電設(shè)備，此類電纜直徑和彎曲半徑非常大(是一般電纜的兩倍彎曲半徑)，同時(shí)中壓電纜需必須單獨(dú)敷設(shè)，不能和其他電纜敷設(shè)于同一個(gè)電纜托架，占據(jù)空間非常大，而且中壓電纜一般路徑較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員敷設(shè)中壓電纜時(shí)難度非常大，如果采用母線槽來連接中壓配電板和中壓設(shè)備，則只需在分段階段將母線槽安裝到位即可，無需后期的電纜敷設(shè)，節(jié)約整個(gè)船舶建造時(shí)間，同時(shí)由于母線槽的自身特性，又可以節(jié)約船上空間，用以安裝其他設(shè)備。

2.1.4 其他需求大電量的設(shè)備電纜

船舶設(shè)備中還有一些大電流設(shè)備的電纜也可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求采用母線槽代替電纜的方案，比如主配電板至艏/艉側(cè)推的電纜、主配電板至錨絞機(jī)的電纜和主配電板/應(yīng)急配電板至舵機(jī)的電纜，此類電纜直徑都比較大，路徑都比較遠(yuǎn)，所需載流量比較大，根據(jù)母線槽特性分析，都可以用母線槽代替電纜。

2.2 母線槽代替電纜注意事項(xiàng)

1)由于船舶需在海上航行，海上的海水腐蝕和潮濕度肯定比岸上高很多，母線槽的材料表面需做防腐處理，同時(shí)母線槽選擇的IP等級(jí)需提高，防止潮濕影響導(dǎo)電效果以及出現(xiàn)危險(xiǎn)。

2)由于船舶在航行中會(huì)產(chǎn)生很大振動(dòng)，母線槽在安裝和連接固定時(shí)需特別注意，需加強(qiáng)螺栓的固定形式。

3)由于母線槽的連接屬于剛性連接[7]，而電纜是整根，屬于柔性連接，2個(gè)母線槽在連接時(shí)需留足一定的活動(dòng)余量，同時(shí)可以在每30 m母線槽的位置增加膨脹接頭(類似管系連接方式)，以免出現(xiàn)由于船體變型和熱脹冷縮的現(xiàn)象導(dǎo)致母線槽連接問題。

4)在母線槽穿越A60艙壁時(shí)，無法像電纜一樣使用貫穿件，在這樣的情況下可以在母線槽上增加互圈和腹板，一些特殊的地方可以采取MCT框形式進(jìn)行隔堵，保證所在區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)無影響。

3 應(yīng)用實(shí)例

之前在外高橋造船廠生產(chǎn)的“海洋石油981”項(xiàng)目[1]采用DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，因此船用變壓器與低壓配電板之間電流等級(jí)高達(dá)幾千安培，同時(shí)高、低壓配電板、主變壓器等全船主要的變配電設(shè)備都集中在狹小的主配電板間，主配電板至變壓器的25根3×120 mm2的電纜無法敷設(shè)，同時(shí)此處空間和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也無法滿足要求。為解決這一問題，設(shè)計(jì)人員在變壓器與配電板頂部之間采用母線槽連接，將母線槽置于配電板間，利用配電板與變壓器的頂部空間布置母線槽以連接兩個(gè)設(shè)備，很好地解決了這一問題。這在海工建造史上應(yīng)該屬于首例并且成功的實(shí)行案例，但是在普通民船項(xiàng)目上由于各種約定俗成的規(guī)矩和限制條件，設(shè)計(jì)人員一直未采用母線槽。在隨后的船舶電力系統(tǒng)建造中，母線槽代替電纜將是一個(gè)非常好的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

雖然母線槽到今天已經(jīng)發(fā)展了有五六十年，但是此種饋電方式主要是集中在岸電和樓宇上使用，在船舶上基本未曾使用。隨著船舶工業(yè)新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，船舶的自動(dòng)化要求和信息化程度越來越高，這就對(duì)船舶電站容量、設(shè)備負(fù)荷和空閘利用方面有著更高的要求，在接下來的船舶設(shè)計(jì)和建造過程中，設(shè)計(jì)人員可以逐步考慮母線槽代替相關(guān)電纜以及母線槽和船用電纜的組合設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到擴(kuò)充船舶電纜電網(wǎng)主干電纜通道容量和節(jié)約船舶空間的目的。