船舶岸電裝置設(shè)計(jì)

董 蕾，黃順杰，李 誠，余振華

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200135；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430000；3. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200231；4. 浙江海威電氣有限公司，浙江溫州 325000）

0 引言

岸電裝置將分別來自左舷和右舷的二路岸電電纜并接，經(jīng)相序轉(zhuǎn)換電路后連接至主配電板，用于船舶日常供電[1]。

1）設(shè)備的組成盡量簡單、可靠，力求操作維修方便。充分利用國內(nèi)外成熟的技術(shù)，對(duì)岸電裝置性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)及維護(hù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2）在設(shè)計(jì)中突出功能性能和生存能力，同時(shí)考慮可用性、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和安全性，兼顧配置的現(xiàn)實(shí)性、繼承性、經(jīng)濟(jì)性、可行性，充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)和研究成果。

3）岸電裝置的設(shè)計(jì)滿足船舶總體設(shè)計(jì)要求，其接口與船舶總體要求匹配。

1 組成及主要功能

1.1 組成

岸電裝置主要由柜體、斷路器、匯流排、相序轉(zhuǎn)換電路、相序檢測模塊、電量測量模塊、控制器、輔助控制電路、觸控顯示屏和必要的測量儀表、控制元件及指示燈等組成[2]。

1.2 主要功能

岸電裝置將分別來自左舷和右舷的二路岸電電纜并接，經(jīng)相序轉(zhuǎn)換電路后連接至主配電板；具有斷相、過載、短路保護(hù)、岸電相序指示及手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能，見圖1[3]。

圖1 岸電裝置功能流程圖

1）相序檢測模塊。對(duì)岸電輸入相序進(jìn)行判斷，檢測是否為正序。

2）輔助控制電路。通過繼電器等器件控制相序轉(zhuǎn)換及輸出，并將一些狀態(tài)信號(hào)傳輸給控制器。

3）相序轉(zhuǎn)換電路。岸電輸入正序時(shí)直接輸出，岸電輸入逆序時(shí)進(jìn)行相序轉(zhuǎn)換輸出。

4）電量測量模塊。對(duì)輸入電壓、電流進(jìn)行采樣并顯示。

5）控制器。對(duì)采樣到的電壓、電流及工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)輸出進(jìn)行報(bào)警保護(hù)，并傳輸給顯示屏。

6）顯示屏。顯示必要的參數(shù)及狀態(tài)信息，記錄岸電輸入電壓及報(bào)警信息。

7）岸電裝置還需要具備岸電供電/對(duì)外供電2種工況，岸電供電工況時(shí)具有手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換功能。

1.2.1 相序檢測及轉(zhuǎn)換功能

首先，岸電裝置的主要功能為在岸電供電工況下具有相序檢測及轉(zhuǎn)換功能，確保岸電對(duì)艦船安全供電。左、右舷為岸電輸入經(jīng)匯流排并接后的三相電。一路斷路器作為岸電輸入正序時(shí)的輸出通斷，另一路斷路器作為岸電輸入逆序時(shí)的輸出通斷。輸入電相序判斷由相序繼電器KVS實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換功能

通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換開關(guān)正常為0°時(shí)，繼電器閉合，為自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換模式。當(dāng)需要進(jìn)入手動(dòng)模式進(jìn)行相序轉(zhuǎn)換時(shí)，先用儀器檢測輸入岸電相序，若為順序，將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向左45°，按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān)，斷路器合閘，岸電正序輸出。若輸入岸電為逆序，將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向右45°，此時(shí)按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān)，另一斷路器合閘，岸電正序輸出。

1.2.3 供電模式

岸電裝置既要具備岸電對(duì)艦船供電功能，同時(shí)具有艦電對(duì)外供電功能。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)此功能。

當(dāng)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)正常為0°時(shí)，繼電器得電，通過聯(lián)鎖線路，進(jìn)入岸電供電模式。當(dāng)需要對(duì)外供電時(shí)，將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向45°，退出岸電供電模式，通過聯(lián)鎖線路，此時(shí)按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān)，則正序斷路器合閘，由艦電對(duì)外供電。

1.2.4 狀態(tài)檢測及顯示

岸電裝置需檢測工作狀態(tài)及電壓、電流參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算和相應(yīng)保護(hù)，并通過顯示屏顯示。

2 總體方案設(shè)計(jì)

岸 電 裝 置 的 整 體 外 形 尺 寸 為1 000 mm×1 650 mm×650 mm，內(nèi)部由斷路器、匯流排、相序轉(zhuǎn)換電路、相序檢測模塊、電量測量模塊、控制器和輔助控制電路外形走線槽等組成，見圖2[4]。岸電裝置電氣原理設(shè)計(jì)主要包括主回路、控制回路、測量回路和PLC控制回路4個(gè)部分。

圖2 岸電裝置外形尺寸圖（單位：mm）

2.1 主回路

岸電裝置主回路為相序轉(zhuǎn)換電路和一次回路，相序轉(zhuǎn)換回路主要由斷路器Q1、Q2及其附件組成，為供電線路提供過載和短路保護(hù)。主回路原理見圖3[1]。

圖3 主回路電氣原理圖

2.2 輔助控制回路

岸電裝置配置相序檢測模塊及其輔助控制回路，用于實(shí)現(xiàn)斷相檢測、相序檢測和相序轉(zhuǎn)換功能及供電模式轉(zhuǎn)換功能。

當(dāng)岸電向艦船供電時(shí)，可通過相序檢測模塊自動(dòng)檢測岸電輸入相序，并由輔助控制回路控制斷路器完成岸電相序自動(dòng)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)檢測岸電輸入順序時(shí)，操作“供電”指令后自動(dòng)判斷Q1斷路器合閘輸出順序電源，當(dāng)檢測岸電輸入逆序時(shí)，操作“供電”指令后自動(dòng)判斷Q2斷路器合閘輸出逆序電源。當(dāng)艦電對(duì)外供電時(shí)，由輔助控制回路切除相序檢測回路，操作“供電”指令后Q1斷路器直接合閘向外輸出電源。原理見圖4[3]。

圖4 輔助控制回路原理圖

2.3 測量回路、PLC 控制回路

岸電裝置內(nèi)部配置電量采集模塊，用于采集三相工作電壓、電流參數(shù)，通過通信接口傳輸?shù)絇LC控制器，PLC控制器設(shè)置I/O接口，采集斷路器狀態(tài)、供電指令模式、岸電換相控制指令模式、供電狀態(tài)信息，經(jīng)邏輯分析判斷，實(shí)現(xiàn)岸電輸入電壓超限報(bào)警、過流報(bào)警保護(hù)、電源輸入狀態(tài)與供電模式選擇聯(lián)鎖報(bào)警保護(hù)、供電聯(lián)鎖報(bào)警保護(hù)、斷路器故障脫扣報(bào)警和相序繼電器故障或岸電斷相報(bào)警功能。

PLC控制器通過通信接口將工作狀態(tài)和報(bào)警信息傳輸至觸摸屏，由觸摸屏的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)模擬圖的直觀顯示，人機(jī)界面提供工作電壓、電流和報(bào)警記錄查詢功能。原理見圖5。

圖5 測量、PLC 控制回路

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)要求，岸電裝置需滿足艦船B級(jí)抗沖擊振動(dòng)要求。岸電裝置的抗振動(dòng)、沖擊性能主要從元器件、柜體強(qiáng)度和減振措施3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。

1）元器件選型

岸電裝置的主要元器件為斷路器，選用艦用塑殼斷路器，斷路器本身已滿足艦用抗振動(dòng)、沖擊要求，其他器件均選用應(yīng)用成熟的常規(guī)器件，在公司其他類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中均得已驗(yàn)證。

2）柜體強(qiáng)度

岸電裝置主要結(jié)構(gòu)件采用通用C型型材，其主要材料為國標(biāo)GB/T 709—2006 Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼板，屈服強(qiáng)度大于235 MPa，彈性模量200 000 MPa，柏松比0.3，密度7 835。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確保柜體主體部件及其附件的抗沖擊基本要求，該結(jié)構(gòu)已成熟應(yīng)用于各類艦用配電設(shè)備。

3）減振器

岸電裝置底部和背部設(shè)置不銹鋼鋼絲繩減震器，通過岸電裝置的質(zhì)量重心和減振器性能參數(shù)分析以及以往類似產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用情況，合理選型和布置減振器，實(shí)現(xiàn)減振器對(duì)沖擊振動(dòng)具有良好的的隔離和吸收作用，其隔離率可達(dá)80%以上，有效地起到保護(hù)設(shè)備的作用，以滿足GJB 150A—2009中對(duì)艦載設(shè)備的沖擊和振動(dòng)的要求。

3.2 匯流排動(dòng)熱穩(wěn)定計(jì)算

岸電裝置匯流排需要承受短路耐受電流75 kA/s，峰值電流165 kA情況下不變形，按此要求進(jìn)行匯流排規(guī)格選型，通過理論計(jì)算，計(jì)算出相間中心距及絕緣支撐件跨距，以滿足動(dòng)熱穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

岸電裝置總體功能設(shè)計(jì)的結(jié)果將直接影響岸電供電功能的實(shí)現(xiàn)，岸電裝置的功能設(shè)計(jì)借鑒常規(guī)碼頭岸電設(shè)施，立足國內(nèi)現(xiàn)有成熟技術(shù)展開，充分考慮岸電裝置布置的科學(xué)性、合理性、安全性和可靠性，采取合理有效的計(jì)算論證，充分化解質(zhì)量、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，通過研究應(yīng)用岸電裝置，對(duì)船舶靠港后采用岸電供電，對(duì)于環(huán)境保護(hù)，起到積極作用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。