艦船供電能力測試指標(biāo)的選擇和測試方法

劉 東，許 濤，戚雙斌

(1.91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北 秦皇島 066001； 2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引 言

艦船電力系統(tǒng)在保障艦船正常運(yùn)行方面起著非常重要的作用，目前對(duì)其研究主要集中在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電力系統(tǒng)性能評(píng)估2方面。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用“自頂向下”的樹狀生命力分解定義結(jié)構(gòu)、生命力評(píng)估指標(biāo)體系和指標(biāo)設(shè)計(jì)定量要求與概率要求[1]等生命力設(shè)計(jì)，以及低阻抗故障和電力電子設(shè)備保護(hù)方案設(shè)計(jì)[2]等保護(hù)性能設(shè)計(jì);電力系統(tǒng)性能評(píng)估主要采用供電生命力的概率分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合算法[4]和損傷樹分析方法[5]等評(píng)估方法。

隨著艦船裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的功能和性能要求越來越高。若要判斷已交付船舶的電力系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)是否符合巡航、戰(zhàn)備、訓(xùn)練和作戰(zhàn)等方面的要求，需進(jìn)行實(shí)船性能評(píng)估，而目前有關(guān)新型艦船電力系統(tǒng)實(shí)船測試的研究較少。對(duì)此，本文結(jié)合某新型艦船的功能和性能評(píng)估工作，對(duì)艦船電力系統(tǒng)的功能和性能測試指標(biāo)及測試方法進(jìn)行研究，形成一套完整的測試方案。

1 艦船供電能力實(shí)船測試指標(biāo)

艦船電力系統(tǒng)的功能與動(dòng)力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)等系統(tǒng)的功能相互交叉，為艦船穩(wěn)定運(yùn)行提供重要的保障。本文以某型艦船的設(shè)計(jì)定型任務(wù)為依托，從艦船電力系統(tǒng)性能和系統(tǒng)組成的角度對(duì)該船的供電能力測試指標(biāo)和測試方法進(jìn)行分析。

1.1 艦船電力系統(tǒng)性能指標(biāo)

從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度對(duì)實(shí)船電力系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試分析，測試指標(biāo)見圖1。

圖1 艦船電力系統(tǒng)性能測試指標(biāo)

1.1.1 基本線制與電制

此項(xiàng)為系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)和建造階段從系統(tǒng)的線制與電制和設(shè)備用電需求等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查測試，基本線制與電制指標(biāo)見表1。

表1 基本線制與電制指標(biāo)

1.1.2 電源品質(zhì)

電源品質(zhì)即電能質(zhì)量。隨著負(fù)載的種類日益增多(沖擊性負(fù)載大量使用引起的獨(dú)立電網(wǎng)短時(shí)電壓波動(dòng)；導(dǎo)航等設(shè)備的非線性負(fù)載引起的電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波；大功率負(fù)載劇烈、頻繁地變動(dòng)引起的電網(wǎng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊等[6])，電源品質(zhì)要求越來越嚴(yán)格。本文從發(fā)電、配電和用電設(shè)備不同部位，以及交流電源和直流電源2個(gè)角度對(duì)電源品質(zhì)考核指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.1.2.1 交流電源品質(zhì)指標(biāo)

用電設(shè)備標(biāo)稱交流電壓(有效值)為380 V或220 V，尖峰電壓(峰值)為2 500 V，標(biāo)稱頻率為50 Hz。交流電源品質(zhì)電壓部分指標(biāo)、波形部分指標(biāo)和頻率部分指標(biāo)分別見表2、表3和表4。

表2 交流電源品質(zhì)電壓部分指標(biāo)

表3 交流電源品質(zhì)波形部分指標(biāo)

表4 交流電源品質(zhì)頻率部分指標(biāo)

有限間斷電源的供電范圍應(yīng)根據(jù)艦船的使命、電站的設(shè)置和配置、重要用電設(shè)備的數(shù)量、容量和排序及供電轉(zhuǎn)換的延時(shí)許可等來合理確定。重要負(fù)載通過手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)2路或多路供電。供電連續(xù)性指標(biāo)共1項(xiàng)，為“典型的斷電時(shí)間(0.5～20.0 s)”。

1.1.2.2 直流電源品質(zhì)指標(biāo)

用電設(shè)備標(biāo)稱直流電壓為220 V、110 V或24 V等。直流電源品質(zhì)直流部分指標(biāo)見表5。

表5 直流電源品質(zhì)直流部分指標(biāo)

1.1.2.3 設(shè)備電能質(zhì)量要求

設(shè)備電能質(zhì)量部分指標(biāo)見表6。

表6 設(shè)備電能質(zhì)量部分指標(biāo)

1.1.3 電站系統(tǒng)的容量

系統(tǒng)容量是設(shè)計(jì)指標(biāo)，由電站數(shù)、機(jī)組數(shù)和匯流排電纜的容量共同決定。單電站單機(jī)組運(yùn)行正常，各設(shè)備容量達(dá)標(biāo)，即可計(jì)算系統(tǒng)容量。

1.1.4 生命力

電力系統(tǒng)生命力概念比較模糊，實(shí)船測試的項(xiàng)目指標(biāo)的要求比較具體，本文從艦船設(shè)計(jì)原則和組成的角度進(jìn)行分析[7]。表7為供電生命力測試指標(biāo)。

1.1.5 機(jī)組組合運(yùn)行能力(系統(tǒng)運(yùn)行)

根據(jù)艦船的電站和機(jī)組設(shè)計(jì)，考核不同機(jī)組。組合的運(yùn)行能力(包括單機(jī)組運(yùn)行、雙機(jī)組運(yùn)行和多機(jī)組運(yùn)行)。考核不同功率因數(shù)(0.6、0.8和0.9)、不同負(fù)載(20%額定值、50%額定值、75%額定值和100%額定值)機(jī)組的運(yùn)行情況(輸出功率、電壓、電流、頻率和功率因數(shù)、滑油油壓、滑油溫度和排氣溫度等參數(shù))。

表7 供電生命力測試指標(biāo)

1.1.6 系統(tǒng)安全與保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)的基本要求是保護(hù)裝置必須滿足完全性、快速性、選擇性、靈敏性和可靠性要求[7]。在列項(xiàng)時(shí)將保護(hù)概念延伸，除了考查各級(jí)斷路器的通斷設(shè)定和保護(hù)分級(jí)設(shè)計(jì)以外，還要考查系統(tǒng)運(yùn)行過程中的故障顯示報(bào)警保護(hù)功能和故障自處理能力[8]。系統(tǒng)安全與保護(hù)指標(biāo)見表8。

表8 系統(tǒng)安全與保護(hù)指標(biāo)

1.1.7 不同工況的供電考核

艦船運(yùn)行工況包括靠岸工況、錨泊工況、備戰(zhàn)備航工況和戰(zhàn)斗工況。試驗(yàn)中對(duì)各運(yùn)行供電方式進(jìn)行實(shí)船考核，查看記錄系統(tǒng)和各設(shè)備的供電運(yùn)行情況。

1.2 從電力系統(tǒng)組成的角度補(bǔ)充列項(xiàng)

艦船電力系統(tǒng)包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng),主要由電源設(shè)備、配電系統(tǒng)和負(fù)載組成。新型大型艦船電力系統(tǒng)組成的功能分類見圖2。

圖2 新型大型艦船電力系統(tǒng)組成的功能分類

1.2.1 發(fā)電功能系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要對(duì)供電系統(tǒng)的發(fā)電和出電功能進(jìn)行考核?？己瞬煌l(fā)電組合下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，記錄機(jī)組供電品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)(見表9)。

表9 機(jī)組供電品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)

1.2.2 配電功能系統(tǒng)

該系統(tǒng)將電能送至各用電設(shè)備，主要包括主配電設(shè)備和事故配電設(shè)備，其簡易邏輯圖分別見圖3和圖4。該系統(tǒng)主要考核設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)各設(shè)備的配置和功能(在各工況下)進(jìn)行考核。

圖3 主配電設(shè)備簡易邏輯圖

圖4 事故配電設(shè)備簡易邏輯圖

事故電網(wǎng)重點(diǎn)在各工況下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。列1項(xiàng)檢查(結(jié)合表7中第15項(xiàng)事故電網(wǎng)供電檢查)。

1.2.3 消磁功能系統(tǒng)

引用相關(guān)部門的專項(xiàng)試驗(yàn)，不單獨(dú)評(píng)估。

1.2.4 電力監(jiān)控功能系統(tǒng)

監(jiān)控功能是電力系統(tǒng)運(yùn)行的神經(jīng)，在設(shè)備功能檢查和系統(tǒng)性能檢查中同時(shí)進(jìn)行。檢查列項(xiàng)見表10。

表10 電力監(jiān)控功能系統(tǒng)

1.2.5 電力輔助功能系統(tǒng)

新型艦船實(shí)現(xiàn)全船應(yīng)急電網(wǎng)組網(wǎng)運(yùn)行，由蓄電池組、大容量重放電裝置、直流應(yīng)急配電板、UPS、DC/DC變換電源、應(yīng)急電力設(shè)備絕緣監(jiān)測裝置、直流應(yīng)急電網(wǎng)監(jiān)測裝置和直流應(yīng)急分配電箱等組成。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)測試和功能測試。

2 艦船電力系統(tǒng)性能測試方法

從全系統(tǒng)、全流程和全要素的角度對(duì)新型艦船進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估流程見圖5。

圖5 性能評(píng)估試驗(yàn)測試流程

2.1 測試方案設(shè)計(jì)

測試方案應(yīng)具有完整性、嚴(yán)謹(jǐn)性和可行性，既要考慮測試方法，又要考慮測試環(huán)境，環(huán)境要求貼近實(shí)際情況。

以表7中的“戰(zhàn)斗工況供電品質(zhì)檢查”檢查為例，測試方案設(shè)計(jì)如下：

1) 試驗(yàn)的目的是考核作戰(zhàn)環(huán)境中電力系統(tǒng)向各供電設(shè)備供電的電源品質(zhì)。

2) 試驗(yàn)環(huán)境和條件包括艦船的工作環(huán)境、被試品的工作狀態(tài)要求和測試設(shè)備。

(1) 環(huán)境要求為試驗(yàn)艦船的戰(zhàn)斗工況；

(2) 被試品工作狀態(tài)為電力系統(tǒng)正常工作，配備的儀器儀表已經(jīng)過校準(zhǔn)；

不同類型的規(guī)劃服務(wù)于不同社會(huì)問題和規(guī)劃問題，表現(xiàn)在規(guī)劃目標(biāo)、任務(wù)內(nèi)容和功能均不同，即規(guī)劃目標(biāo)指標(biāo)、影響因素不同。對(duì)其進(jìn)行了梳理，匯總于表1，為在開展不同規(guī)劃水資源論證時(shí)，有效建立規(guī)劃與水資源論證內(nèi)容的關(guān)系提供參考。

(3) 測試設(shè)備包括電能品質(zhì)測量設(shè)備、電壓表、電流表和頻率表等。

3) 試驗(yàn)方法為根據(jù)戰(zhàn)斗工況對(duì)開機(jī)設(shè)備的要求進(jìn)行開機(jī)，對(duì)大功率雷達(dá)設(shè)備加高壓，部分用電設(shè)備不能達(dá)到最大負(fù)載或波動(dòng)負(fù)載時(shí)用模擬負(fù)載代替(盡可能少用)。選擇適當(dāng)?shù)臏y試點(diǎn)，接入測試儀。在電力集控臺(tái)或設(shè)備工作參數(shù)顯示屏上記錄各參數(shù)，在重要負(fù)載輸入端接入電能品質(zhì)測試儀，記錄相關(guān)電能品質(zhì)參數(shù)和設(shè)備故障情況。

4) 數(shù)據(jù)處理。根據(jù)GJB 4000—2000電源品質(zhì)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5) 評(píng)定準(zhǔn)則為各測試結(jié)果滿足相關(guān)要求(軍用標(biāo)準(zhǔn)、研制要求或規(guī)格書等)為合格。

2.2 測試方案實(shí)施

從測試過程的角度將指標(biāo)分為勘驗(yàn)型、功能型和測值型等3類[9]。

1) 勘驗(yàn)型：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)類指標(biāo)，需對(duì)照設(shè)計(jì)圖樣，對(duì)實(shí)船建造進(jìn)行勘驗(yàn),如表1中的“基本線制與電制指標(biāo)”和表7中的“相互依賴非冗余設(shè)備布置緊湊性檢查”。

2) 功能型：功能具備類指標(biāo)。按設(shè)備操作流程接通相關(guān)設(shè)備，接入負(fù)載，記錄其供電和故障情況,如表7中的“事故電網(wǎng)供電檢查”。

3) 測值型：具體數(shù)值指標(biāo)。需進(jìn)行測試選點(diǎn)，接入測試儀表進(jìn)行測試記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出測試結(jié)論,如表2中的“線電壓不平衡允差”，其實(shí)施過程如下。

(1) 將測試回路所在負(fù)載開關(guān)分閘；

(2) 在負(fù)載開關(guān)輸出端連接測試線路；

(3) 開關(guān)合閘恢復(fù)供電；

(4) 使用電能質(zhì)量分析儀測量三相電壓，讀取穩(wěn)態(tài)電壓和穩(wěn)態(tài)頻率、電壓波形最大單次諧波和正弦畸變率，計(jì)算三相電壓平均值和三相電壓不平衡度，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)設(shè)備工作的穩(wěn)定性(記錄故障發(fā)生情況)。

3 艦船電力系統(tǒng)性能測試結(jié)果處理

艦船電力系統(tǒng)性能測試指標(biāo)主要分為勘驗(yàn)型、功能型和測值型等3種，不同類型測試的結(jié)果處理方式不盡相同。對(duì)于勘驗(yàn)型和功能型測試，其指標(biāo)記錄結(jié)果即為結(jié)論，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對(duì)于測值型測試，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整記錄，并對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和計(jì)算，評(píng)估測試結(jié)果是否滿足測試指標(biāo)要求。

以電源品質(zhì)測量項(xiàng)目中的部分項(xiàng)目為例，數(shù)據(jù)記錄和處理過程見圖6和表11。

圖6 某大功率雷達(dá)輸入端BC相啟動(dòng)電壓波峰

表11 主配電板輸出端電源品質(zhì)參數(shù)記錄和處理

試驗(yàn)結(jié)果表明，該電力系統(tǒng)供電能力各技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果均在要求的范圍內(nèi)，滿足相關(guān)要求(軍用標(biāo)準(zhǔn)、研制要求或規(guī)格書等)，試驗(yàn)結(jié)果合格。

4 結(jié) 語

本文從實(shí)船的角度對(duì)電力系統(tǒng)供電能力進(jìn)行分析，對(duì)測試方法進(jìn)行研究，并針對(duì)某型艦船進(jìn)行性能評(píng)估試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1) 實(shí)船試驗(yàn)應(yīng)以全系統(tǒng)、全流程和全要素等概念為指引，從性能的角度和系統(tǒng)組成的角度對(duì)實(shí)船測試指標(biāo)進(jìn)行分類;

2) 電源品質(zhì)、生命力和系統(tǒng)保護(hù)是整個(gè)電力系統(tǒng)功能測試中的重要指標(biāo)，要在各工況中重復(fù)測試，測試過程要相互結(jié)合;

3) 研究所得測試方案對(duì)后續(xù)艦船的實(shí)船測試有一定的參考價(jià)值。