船舶電力系統(tǒng)短路故障及其穩(wěn)定性提升策略

武警海警總隊第五支隊 杭太貴

船舶電力系統(tǒng)一旦發(fā)生短路故障，會直接影響到船舶航行的穩(wěn)定性。因此，穩(wěn)定的船舶電力系統(tǒng)是確保船舶穩(wěn)定航行的重要前提條件之一。本文圍繞船舶電力系統(tǒng)展開相應的研究，歸納可能出現(xiàn)的短路故障情況，并提出一些提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的策略。

進入21世紀以來，船舶電力自動化水平得到了快速提升，船舶電氣設備對穩(wěn)定供電的要求越來越高，船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)成為保護船舶安全航行的重要助力。因此，針對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行相應的研究意義重大。在影響船舶電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的眾多因素中，短路故障不僅經(jīng)常出現(xiàn)，而且每次出現(xiàn)都會造成不小的影響，如何解決短路問題已經(jīng)成為船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中的主要關注點。

1 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

1.1 船舶電力系統(tǒng)界定

船舶電力系統(tǒng)由船舶供電及船舶用電兩個部分所組成，前者的作用是發(fā)電、配電，后者則是船舶上所有需要用電的設備總稱。船舶電力系統(tǒng)就是船舶的血管與血液，保證整個船舶的正常運行。隨著船舶工業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)也體現(xiàn)出自動化、大型化的特點，不但能保障船舶的正常航行，還能減輕船員的工作負荷，提高他們的工作、生活條件。保證船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是船舶建造與航行的基礎工作及重要工作之一。船舶電力系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在這樣幾個方面：

特點一：船舶電力系統(tǒng)的容量普遍偏小。船舶發(fā)電機單機容量通常都在一千千瓦以下，總容量也不過幾十萬到一百萬千瓦，而且船舶電網(wǎng)都是獨立運作的，船舶與船舶之間無法形成聯(lián)網(wǎng)運行。這與陸上發(fā)電機組單機容易就達十幾萬千瓦，總容量動輒超千萬千瓦，各電廠之間大多實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)運行進而構造了一個龐大的系統(tǒng)有著天壤之別。一旦船舶中的大型負載突加突卸時，船舶電網(wǎng)都會受到巨大的沖擊；如果電力系統(tǒng)發(fā)生短路或操作失誤時，不但會影響發(fā)電機組停止工作，還有可能造成全船停電，威脅到整條船舶上人與物的安全。所以，在設計船舶電力系統(tǒng)時，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著特別高的要求。

特點二：船舶電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡相對較短。船舶的面積是相當有限的，這就使得船舶整體的輸電距離不會太長，也不需要特別大的輸電容量，所以船舶上通常不會配備高壓輸電，以減少電能損耗。與此同時，船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機組及所有用電設備的電壓都較低，很少配備變壓器。而且，因為船舶整體空間緊湊，用電設備大多集中在一起，輸電線路基本都控制在兩百米以內，這使得船舶電力系統(tǒng)的保護裝置很少，所以要求整個電力系統(tǒng)具有更好的協(xié)調配合度。

特點三：船舶電力系統(tǒng)的整體壽命較短。江河湖海是船舶的工作環(huán)境，不穩(wěn)定、惡劣的自然環(huán)境對電力系統(tǒng)的損耗極大。長期與水、濕氣接觸，電力系統(tǒng)的絕緣性能會受到影響、金屬部件容易腐蝕，波浪等眾多因素的沖擊、振動也容易造成電力系統(tǒng)接觸不良，這對船舶電力系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。

1.2 船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

當船舶電力系統(tǒng)受到內外部因素的擾動后仍然能夠保持正常工作的能力就是船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性強度，船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證船舶正常安全航行的必要前提。

船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個方面的內容：靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。前者指的是受到小干擾的電力系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定性，能保持穩(wěn)定就說明系統(tǒng)具有靜態(tài)的穩(wěn)定；后者指的是受到某一特定大干擾后的電力系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定性，能保持穩(wěn)定就說明系統(tǒng)具有暫態(tài)的穩(wěn)定。突加突卸負載、電力系統(tǒng)的意外短路、大型用電設備工作等都屬于特定大干擾。

因為船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性更多的是體現(xiàn)在船舶航行過程中大干擾，因此針對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要是針對暫態(tài)穩(wěn)定進行的。

2 船舶電力系統(tǒng)短路故障的影響

2.1 船舶電力系統(tǒng)短路的危害

船舶電力系統(tǒng)由正常電力系統(tǒng)和應急電力系統(tǒng)兩部分組成，后者是前者正常工作的一個補充與保障。由于船舶電力系統(tǒng)總容量小、輸電網(wǎng)絡短、外部影響多等特點，使得一個小小的元件故障都有可能會影響到整條船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給船舶的安全運行帶來安全問題。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，會出現(xiàn)短時的大沖擊電流，電流沖擊時間雖然不長但卻會給整個電力系統(tǒng)帶來巨大的沖擊與損害，如果保護裝置動作不快還會帶來一系列的后續(xù)損害和問題。而且，穩(wěn)態(tài)短路電流如果過大也會損壞船舶用電設備。短路故障特別嚴重時，甚至會造成船舶的電力系統(tǒng)全部癱瘓，供電完全中斷，如果在惡劣天氣航行過程遇到這種情況，有可能會造成船毀人亡的重特大事故。

因此，構建高穩(wěn)定性的船舶電力系統(tǒng)，對短路電流實現(xiàn)有效、及時的限制，盡可能減少短路故障對于船舶的安全航行意義重大。

2.2 船舶電力系統(tǒng)短路故障的原因

正如前文所述，船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性對整個船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響不大，因為它能夠在干擾后迅速回歸正常電力狀態(tài)，在研究分析船舶電力系統(tǒng)短路故障原因時，主要是針對暫態(tài)穩(wěn)定性進行的。具體來看，船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響因素主要有如下幾點：其一，船舶電力系統(tǒng)自身出現(xiàn)的短路故障；其二，突加、突卸大負載極易引發(fā)船舶電力系統(tǒng)的波動。

3 提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的對策

3.1 及時有效地切除故障源

提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最關鍵的措施在于及時有效地切除故障源。只要能夠及時地發(fā)現(xiàn)并切除故障源，就能夠防止因為故障原因造成發(fā)電子轉子的轉矩變化，發(fā)電機轉子角速度不會變化也就不會改變電網(wǎng)頻率。

與此同時，及時有效地切除故障源能夠保證電力系統(tǒng)發(fā)電機穩(wěn)定的端電壓，從而提高所帶負載的穩(wěn)定性，保證發(fā)電機輸出功率的最大化。實際上，當前船舶電力系統(tǒng)大多引進了自動空氣斷路器，能夠做到及時有效地切除故障源。

3.2 實現(xiàn)發(fā)電機強行勵磁

所謂的發(fā)電機強行勵磁指的因船舶電力系統(tǒng)故障而引發(fā)的發(fā)電機端電壓下降時，勵磁系統(tǒng)會在端電壓低于額定電壓時主動進行勵磁調節(jié)，通過增加勵磁的方式提高發(fā)電機電磁輸出功率，并實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的提高。

實際上，只要電力系統(tǒng)發(fā)生了故障，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)就會開始勵磁調節(jié)，實現(xiàn)勵磁電壓的最大化，從而對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定發(fā)揮巨大的作用，使整個船舶的電力系統(tǒng)保持在暫態(tài)穩(wěn)定的極限值，讓那些正常的負載能夠獲得穩(wěn)定的電流并正常工作，不至于因故障的發(fā)生而導致整個電力系統(tǒng)崩潰。因此，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對于維持船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用是十分明顯的，因為較高的勵磁電壓能夠有效地增大發(fā)電機轉子勵磁電流。

與此同時，勵磁系統(tǒng)的作用還能在這樣幾個方面得到體現(xiàn)：首先，能夠控制發(fā)電機轉子的最大電流值，將其限制在一定的范疇之內；其次，能夠控制發(fā)電機轉子和定子，限制其過載時的效電流值；最后，在能夠實現(xiàn)強行勵磁功能的同時，還能夠強行減磁。總而言之，發(fā)電機勵磁自動調節(jié)裝置對于船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高具有重要作用。

3.3 分級卸載負載

船舶電力系統(tǒng)的電網(wǎng)負載與陸地上的無限電網(wǎng)不同，是有額定負載的。一旦電網(wǎng)額定負載被超過，就要分級自動卸載那些次要負載，以保證發(fā)電機不因持續(xù)過載而造成短路，這能夠極有效地提高船舶電力系統(tǒng)的暫存穩(wěn)定性。發(fā)電機輸出電流的過載信號是船舶電力系統(tǒng)自動分級卸載的關鍵信號，只要電網(wǎng)中運行設備的負載超過額定負載時，就要按級別一次或多次把次要負載分級卸載，強行將其退出電網(wǎng)，以保證那些重要負載始終能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的供電。

3.4 分級啟動負載

船舶電力系統(tǒng)發(fā)生故障停止工作后，一旦修復恢復供電時，如果所有用電同時啟動就會帶來巨大的啟動電流，這對船舶電力系統(tǒng)而言又是一次沖擊和考驗。為了減少因過大啟動電流對整個電力系統(tǒng)的影響，就必須采取分級啟動負載的方式，按用電設備的重要性來確定啟動的順序及啟動的間隔時間。通常情況下，用電設備啟動的間隔時間大多控制在3～6s。

3.5 運用數(shù)學物理建模方法

隨著各種自動化數(shù)字技術的發(fā)展與運用，船舶設計與駕駛中也引進了機械、電氣及航海雷達等技術，這就對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求更高了，要求電力工程師在設計電力模塊時，既要考慮到電力系統(tǒng)的常態(tài)穩(wěn)定性，還要考慮到新進模塊動態(tài)的特殊要求。數(shù)學物理建模方式的引入，可以實際模擬船舶電力系統(tǒng)可能遇到的問題，并建模找到科學可行的最佳解決方案，使因電流不穩(wěn)定等因素引發(fā)的船舶電力系統(tǒng)短路故障及時得到解決，將可能的損失降到最小。

船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的數(shù)學物理建模主要圍繞發(fā)電機展開。船舶發(fā)電機主要包括電力發(fā)生裝置和電磁轉換系統(tǒng)兩部分，現(xiàn)有的發(fā)電機的設計原理基本都是法拉第電磁發(fā)生原理，必須要注意的就是減少磁化現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而不干擾羅盤及航海雷達等設備。

同時，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性關鍵是保護電路的穩(wěn)定電阻，在設計穩(wěn)定電阻時必須遵循的幾個規(guī)程和原則是：其一，合理均衡的設計負載，通過串聯(lián)、并聯(lián)方法的合理運用，保證電阻負載的合理性，對于提高船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性效果明顯；其二，設計發(fā)電機應急機制。要運用數(shù)學物理建模的方式，提前模擬船舶電力系統(tǒng)可能的故障情況，并提前設置應急機制加以預防。

結論：目前，國內外運輸大型設備和人員的客貨兩用水上運輸工具就是船舶，在海洋經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快的今天，船舶運輸發(fā)揮了越來越大的作用。船舶在海洋中航行時安全是最重要的，為了能夠提高海洋船舶航行的安全性與穩(wěn)定性，就必須加強船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的設計，盡量減少船舶電力系統(tǒng)短路故障，使船舶的每一次海洋航行都是安全、穩(wěn)定、可靠的。