船舶區(qū)域配電技術淺析

杜智慧，陳海金，劉茂輝，王 洋

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

船舶配電系統(tǒng)，由柴油發(fā)電機組、主配電板、區(qū)配電板、變壓器、配電箱及相應的供配電網(wǎng)絡組成[1]。船舶電力系統(tǒng)對供電穩(wěn)定性要求較高，在船舶電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者存在局部破損時，仍能保持對負載提供穩(wěn)定連續(xù)的電力供應，同時將故障的范圍和影響減少到最小。

為了提高艦船供電的生命力，艦船電網(wǎng)通常采用區(qū)域配電技術，通過左右舷兩根主母線輸送電能，并把各個艙室的負載按配電量分成幾個區(qū)域進行配電；兩根主母線中的一根布置在高于水線，另一根低于水線，兩者之間有兩層甲板相隔，提高了供電的可靠性；兩根主配電母線經(jīng)過各分區(qū)域的負載中心，重要負載接在各分區(qū)域的負載中心上，通過電源轉換裝置接在左右舷主配電母線上。在船舶大型化、自動化和智能化的發(fā)展趨勢下，區(qū)域配電技術向著更先進的直流母線技術方向發(fā)展。

2 艦船電網(wǎng)結構形式

艦船電網(wǎng)，是指在船舶電站和電氣設備之間傳輸和分配電能的裝置和供電網(wǎng)絡的總稱，船舶電站通過電網(wǎng)將電能輸送到全船各個負載上。船舶電網(wǎng)類型有很多，其中大多是環(huán)形供電式網(wǎng)絡和饋線供電式網(wǎng)絡[2]。

2.1 饋線式供電網(wǎng)絡

饋線式供電網(wǎng)絡結構呈樹枝狀，是主配電板向區(qū)配電板、分配電板和重要負載等各支路直接供電的輸配電方式，其結構如圖1 所示。

圖1 饋線供電式網(wǎng)絡結構圖

在饋線式供電網(wǎng)絡中，所有用電設備均由一個主配電板供電，其優(yōu)點是方便對用電負載的集中控制，同時增加負載也比較方便，與環(huán)形式供電網(wǎng)絡相比，價格便宜、投資少；缺點是當船上用電設備較多時，支路數(shù)量就會很多；當支路上出現(xiàn)短路時，相應支路保護裝置會動作，造成用電設備斷電，因此供電可靠性較差。

2.2 環(huán)形式供電網(wǎng)絡

環(huán)形式供電網(wǎng)絡是指供電主干線是閉合的環(huán)路，環(huán)形供電回路為所有負載提供電源的輸配電方式。在環(huán)形式供電網(wǎng)絡中，船舶發(fā)電機與用電設備之間為縱向連線，而發(fā)電機之間或用電設備之間為橫向連接，縱橫連接網(wǎng)絡匯總形成閉合供電回路，可以提高供電網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

環(huán)形式供電網(wǎng)絡結構，如圖2 所示：供電主回路通過船舶的左右兩舷，同時連接前后的兩個電站和發(fā)電機組，形成一個閉合的供電回路；在左右兩舷的供電主干線經(jīng)過水密艙室時，兩根主干線分開布置于水線以上和以下，以提高船舶供電系統(tǒng)在船舶破損時的供電能力，其結構如圖2 所示。

圖2 環(huán)形式供電網(wǎng)絡結構圖

2.3 兩種電網(wǎng)形式對比分析

饋線式配電方式在商船上非常普遍，其保護裝置及開關較少，選擇性保護方便且整定容易；電纜的總長度比較短；投資少，非常適合商船，但不適合在高強度對抗的艦船上使用。

環(huán)狀式供電網(wǎng)絡比饋線式供電網(wǎng)絡可靠性更高，電網(wǎng)功率損耗較小，但環(huán)狀式供電網(wǎng)絡維修保養(yǎng)較為復雜。近年來，隨著計算機在船舶電力監(jiān)控上的發(fā)展，環(huán)狀式供電網(wǎng)絡被認為是未來軍用艦船的發(fā)展方向。

兩種電網(wǎng)形式的比較分析，如表1 所示。

3 區(qū)域配電技術

為了把用電設備的故障控制在最小范圍內，避免故障影響電網(wǎng)并滿足未來船舶模塊化和電氣化對船舶電網(wǎng)穩(wěn)定性的需求，提出了區(qū)域配電的概念。區(qū)域配電是將船舶電網(wǎng)分為多個獨立的區(qū)域，每個區(qū)域都有自己的區(qū)域配電板或者分電箱，在各區(qū)域設置了兩路電源轉換裝置，各區(qū)域同時由左右兩舷母線供電，當某一個區(qū)域的母線出現(xiàn)故障時，斷開該區(qū)域的斷路器就可以避免故障擴大。

艦船區(qū)域配電是環(huán)狀布線和樹枝狀結構的復合體，干饋復合結構：主干配電網(wǎng)采用環(huán)狀布線，各區(qū)域內部采用樹枝狀結構；通常設置雙電站，前后兩個電站互為備用，對稱分布，供電量為100%冗余，前后主配電板負載屏連接至各區(qū)配電板，區(qū)配電板也是主配電板的延伸，在區(qū)配電板內設置兩路電源轉換裝置，實現(xiàn)前后主配電板配電的冗余；在區(qū)域內是樹枝狀結構，區(qū)域內重要負載直接連在區(qū)配電板上，非重要負載通過分電箱和組合啟動箱連接在區(qū)配電板上，其結構圖如圖3 所示。

圖3 區(qū)域配電網(wǎng)絡結構圖

將配電系統(tǒng)進行區(qū)域化設計，從而提高系統(tǒng)的生命力。將全船由主隔壁分成若干個獨立區(qū)域，隔壁一直延伸到上層建筑，在每個區(qū)電力系統(tǒng)沿垂向分隔成一個獨立區(qū)域；與以往船舶采用電纜通道沿著船舶艏艉方向縱向布置不同，獨立區(qū)域的電纜通道采用垂直結構形式，因此在船舶受到攻擊導致船舶破損時，最多有一個到兩個獨立區(qū)域受到破壞，其它區(qū)域仍然可以保證穩(wěn)定供電，從而提高全船的生命力。

艦船根據(jù)防火主隔壁，將全船分成多個損管區(qū)域，根據(jù)負載的集中布置情況，還可以區(qū)分出不同的功能區(qū)、如垂直發(fā)射武器功能區(qū)、直升機保障功能區(qū)等；結合這些損管分區(qū)及功能分區(qū)，也可以將全船分成不同的配電區(qū)，從而將損管分區(qū)的思想融入到配電設計中。

4 國外區(qū)域配電技術應用

區(qū)域配電技術是歐美等發(fā)達國家研究開發(fā)的，可提高船舶供電可靠性和生命力。該技術具有靈活的運行模式和良好的運行經(jīng)濟性[4]，歐美國家海軍艦船電力系統(tǒng)的設計已全面貫徹區(qū)域配電理念。其中，英國45 型驅逐艦、美國的“阿里伯克”級驅逐艦是當前世界上比較先進的具有代表性的先進戰(zhàn)斗艦艇，在配電系統(tǒng)方面采用了最先進的設計[5]。

45 型驅逐艦作為全球首艘采用全電力推進的驅逐艦，采用中壓交流電制，除用推進電機驅動螺旋槳外，還供給電力給各個作戰(zhàn)及輔助系統(tǒng)使用，這些系統(tǒng)都連接到全船綜合電力系統(tǒng)中。全船電力系統(tǒng)包括4 臺主發(fā)電機，發(fā)電機的電壓是4.16 kV，通過日用變壓器將電壓降低到AC440 V，滿足作戰(zhàn)及各輔助設施的使用。

45 型驅逐艦分為兩個完全獨立的電站，每個電站包括1 臺WR-21 燃氣渦輪驅動的21 MW 級交流發(fā)電機和1 臺單機功率2 MW 的Wartsila 12 V200 柴油交流發(fā)電機組，與1 個高壓配單板相連；兩個高壓配電板之間設置并聯(lián)母線，可以并聯(lián)使用，也可以分開供電；同時，設置2 臺2 MW 4.16 kV ∕440 V 變壓器、2 個低壓主配電板、13 個區(qū)域負載中心的低壓配電設備，通過這些設備組成了全船的區(qū)域配電系統(tǒng)；左舷和右舷的4.16 kV 配電板都各自連接到一個4.16 kV ∕440 V變壓器上，每一個440 V 主配電板都可以向13 個區(qū)負載中心供電。

美國的“阿里伯克”級（DDG-51）驅逐艦，配置了3 臺AG9 140 燃氣輪機發(fā)電機組，單臺發(fā)電機功率達到3 000 kW，采用了非常有代表意義的交流區(qū)域配電設計，由多臺發(fā)電機組、主配電板及區(qū)配電板組成，重要負載直接接至主配電板，其余負載通過各區(qū)域的負載中心配電。目前，正在研究和開發(fā)直流區(qū)域配電系統(tǒng)，作為下一代水面艦船綜合電力系統(tǒng)的核心。全艦結合防火區(qū)段和水密隔壁劃分成了若干個區(qū)域，如圖4 所示。

圖4 “阿里伯克”級驅逐艦配電區(qū)域劃分示意圖

5 區(qū)域配電總體設計

5.1 配電區(qū)域的劃分

艦船配電區(qū)域的劃分，首先以損管區(qū)劃為基礎，結合船體總段、防火區(qū)段和水密隔壁來劃分。為提高船舶生命力，減少船舶建造成本，電力區(qū)域的劃分界線最好與防火隔壁、水密主隔壁及建造區(qū)域分隔線三者統(tǒng)一。然而，電力區(qū)域的劃分是綜合權衡后的結果，如果電力區(qū)域穿過較多的水密主隔壁，則在船舶破損時船舶生存能力就會降低；如果電力區(qū)域穿過較多的建造區(qū)域，則會增加船舶建造成本；如果將電力區(qū)域劃分較小，則增加了負載中心和元器件數(shù)量，導致設備成本增加。

配電區(qū)域盡量與水密主隔壁為界，配電區(qū)域內的電纜盡量在一個主豎區(qū)內配電，電纜可豎向穿越甲板，避免區(qū)域配電的電纜穿越主水密主隔壁，可以減少穿越水密主隔壁電纜的數(shù)量，提高抗沉能力。

5.2 區(qū)域配電中心的設置

區(qū)域配電中心，盡量布置在破損水線以上，以降低船體破損進水后區(qū)域內配電設備泡水的可能性；區(qū)域配電中心盡量布置在靠近船中位置，提高生命力；區(qū)域配電中心周界要設置A0 級以上防火隔壁，具有一定的防火能力；區(qū)域配電中心設置在配電區(qū)域中心位置，可以考慮臨近供電設備多的位置，減少電纜敷設數(shù)量；

區(qū)配電板、日用照明變壓器、通風油泵組合啟動箱、電力分配電箱，可集中布置在區(qū)域配電負載中心內，便于配電設備的集中管理。

5.3 兩舷電源轉換裝置的設置

區(qū)域配電中，重要的用電設備要配備兩舷電源轉換裝置，用來保證兩路電源的轉換。因動力類負載在電源轉換過程中可能會產(chǎn)生較高的瞬態(tài)電流，因此轉換裝置要設置延時，一般轉換時的斷電時間為0.5～20 s；兩舷供電轉換裝置根據(jù)動作方式進行分類，可以分為自動轉換型和手動轉換型，為確保電源供電的自動化水平，一般選擇自動轉換型；兩舷供電轉換裝置一般布置于區(qū)域負載中心或區(qū)域配電板的供電入口端。

5.4 配電母線的設置及布置

區(qū)域配電系統(tǒng)通常采用左右兩舷兩條供電母線的方式。兩條配電母線之間要分甲板布置，考慮一舷布置在水線的上方，另一舷布置在水線的下方，兩條供電母線盡可能遠離敷設，一般船舶供電的主干電纜縱向布置應為四方形走向，以便最大程度地擴大兩個回路電纜在船舶橫向和艏艉方向上的距離，從而提高船舶破損時的生命力。

6 區(qū)域配電技術發(fā)展趨勢

當前，全球的船舶電力系統(tǒng)大多采用的是交流電制，但隨著綜合電力技術的應用和發(fā)展，交流區(qū)域配電在電磁兼容方面不佳；無功功率影響電網(wǎng)品質、電壓及其損耗；不能滿足大功率脈沖負載供電需求等；當采用直流電制，這些問題迎刃而解，近些年正在研究和開發(fā)直流區(qū)域配電系統(tǒng)，其中美國海軍DDG1 000驅逐艦應用的直流區(qū)域配電網(wǎng)絡非常有代表性[6]，其區(qū)域配電結構如圖5 所示。

圖5 直流區(qū)域配電結構示意圖

圖5 中：發(fā)電機組輸出三相交流電，經(jīng)過整流模塊PCM-4 將三相交流電AC4 160 V 整流成直流DC1 000 V，輸送到直流母排；PCM-1 模塊將DC1 000 V 降壓至DC800 V，再經(jīng)過逆變模塊PCM-2，將DC800 V 逆變?yōu)槿郃C450 V 交流電，供電至區(qū)域內的交流負載；PCM-3 將DC800 V 直流電降壓至DC270 V，供電至區(qū)域內的直流負載，滿足區(qū)域內各類型負載的供電需求。

直流區(qū)域配電系統(tǒng)中，發(fā)電機組發(fā)出的交流電經(jīng)過整流和降壓等電力變換模塊后，再輸出給各區(qū)域的電氣設備和逆變器，具有一定緩沖作用[7]。與交流區(qū)域配電相比，直流區(qū)域配電有以下優(yōu)勢：

1）船舶發(fā)電機組經(jīng)整流裝置輸出直流電力，再逆變輸出交流至負載，船舶發(fā)電機組與船舶用電設備的電壓、頻率等要求互不相關，因此可以降低發(fā)電機和整流器的成本、尺寸、質量，原動機也可以設計成在最經(jīng)濟的轉速下運行，以降低發(fā)電機組的燃油消耗量；

2）直流區(qū)域配電系統(tǒng)各區(qū)域包含了由電力電子器件組成的變電模塊，這些模塊具有快速開關特性，可以隔離故障和起到保護作用，因此可以免去交流配電系統(tǒng)中大型機電式開關裝置；

3）在直流區(qū)域配電系統(tǒng)中，通過逆變器，泵和風機等輔機可實現(xiàn)調頻調速，也同時減小了電動機啟動瞬間的沖擊電流，有助于保護匯流母排的電壓穩(wěn)定；

4）在直流區(qū)域配電系統(tǒng)中，電力變換模塊可以提供電氣設備所需的各類電制，從而減少了電力變換的級數(shù)，具有減小質量和空間的優(yōu)點；

5）直流配電技術是開放式母線結構，便于各種儲能裝置的并聯(lián)，可以提高大功率脈沖負載供電的穩(wěn)定性。

綜合電力系統(tǒng)是國內外船舶電氣發(fā)展的主流，大功率儲能裝置及大功率脈沖負載應用是未來發(fā)展的趨勢，大功率裝置的關鍵技術是采用直流區(qū)域配電技術，因此直流區(qū)域配電技術是未來艦船的技術發(fā)展趨勢。

7 結束語

綜上所述，區(qū)域配電系統(tǒng)具有提高艦船的生命力、減少故障蔓延的優(yōu)勢，符合艦船模塊化、自動化、智能化發(fā)展要求。隨著現(xiàn)代艦船電氣化的發(fā)展，對船舶電力系統(tǒng)的容量需求不斷增加，同時也提高了艦船生命力的要求，區(qū)域配電技術正在應用集成電路技術、網(wǎng)絡技術、固體半導體技術而高速發(fā)展，區(qū)域直流配電技術越來越成熟，支撐未來全電氣艦船和智能艦船的發(fā)展。