船舶大功率負(fù)載起動方式選擇及應(yīng)用

中圖分類號：U662.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Selection and Application of Starting Methods for High-Power Loads in Ships

TANG Wenhe， TAN Ping， LIU Bing， LI Yi， ZHAO Binrui （Guangzhou Shipyard InternationalCompanyLimited，Guangzhou，China）

Abstract： The stability of ship power grids is a critical guarantee for safe ship operation. This paper systematicall analyzes the technical characteristics of starting methods for high-power loads，including direct starting，star-deltastarting，autotransformer starting，softstarting，andvariable frequency starting.Acomprehensive selectio method is proposed based on transient voltage drop verification，starting torque matching，and step-loading capability.Through a case studyofa specific ship type，the feasibilityoftheselected starting methods is validated， and a step-loading strategy for high-power loads across the entire ship is formulated.This research provides theoretical and practical references for ship power system design.

Key words： ship power grid; transient voltage drop; starting methods; step-loading

1 引言

船舶電站系統(tǒng)是船舶的“心臟”，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到全船設(shè)備的正常運(yùn)行與航行安全。隨著船舶大型化與自動化水平的提升，大功率負(fù)載（如艙底總用泵、主滑油泵、海水冷卻泵等）的應(yīng)用日益廣泛，此類負(fù)載的起動電流可達(dá)額定電流的6＼～8倍，若未合理選擇起動方式，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓驟降、保護(hù)裝置誤動作等連鎖故障。因此，如何平衡起動電流抑制、起動轉(zhuǎn)矩需求及經(jīng)濟(jì)性，成為船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)之一。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討船舶大功率負(fù)載起動方式的選擇策略，以期為行業(yè)提供參考。

2 起動方式的重要性

船舶大功率負(fù)載主要是電動機(jī)，大功率電動機(jī)的起動會帶來較大的起動電流，從而對船舶電網(wǎng)帶來較大沖擊，可能會引起船舶電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓降超標(biāo)，過大的瞬態(tài)電壓降會導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，引起繼電保護(hù)裝置的誤動作，甚至可能會引起全船失電，給船舶的正常運(yùn)營帶來安全隱患。因此，在進(jìn)行全船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需根據(jù)負(fù)載特性、電網(wǎng)容量及規(guī)范要求，對各類大功率負(fù)載選擇合適的起動方式，確保瞬態(tài)電壓降控制在安全范圍內(nèi)，避免因過大起動電流引起船舶運(yùn)營的安全。

3 起動方式的分類

3.1直接起動

直接起動方式是最常用的起動方式，其起動方式簡單，起動器成本較低。直接起動方式可提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，但同時起動電流也最大，一般是額定電流的6＼～7倍，對電網(wǎng)沖擊影響顯著。一般情況下，主要是針對較小功率的電機(jī)。

3.2降壓起動

降壓起動方式主要分為星三角起動、自耦降壓起動、軟起動、變頻起動等類型。降壓起動方式可有效減小起動電流，減小大功率負(fù)載起動時對電網(wǎng)的沖擊；相應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩也會減小，需要校核起動轉(zhuǎn)矩是否滿足負(fù)載對起動轉(zhuǎn)矩的需求。

1）星三角起動（SD）

起動時電機(jī)繞組接成星型，運(yùn)行時切換為三角形接法，其起動電流可降至直接起動的1/3，但起動轉(zhuǎn)矩也同步減小，需要校核負(fù)載轉(zhuǎn)矩需求。

2）自耦變壓器起動（ATR）

通過自耦變壓器抽頭（如 50% 、 65% 、 80% ）進(jìn)行分壓起動，起動電流與起動電壓成比例降低，但體積較大，散熱要求高。

3）軟啟動（SOFT）

采用晶閘管調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)電壓斜坡上升，平滑起動。起動電流精準(zhǔn)控制（可降至2＼～4倍額定電流），對電網(wǎng)沖擊較小，但成本相對較高。

4）變頻起動（VFD）

通過變頻器調(diào)節(jié)電源頻率與電壓，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。此種方式起動電流較小，節(jié)能效果顯著，但成本較高，維護(hù)較復(fù)雜。

綜上，采用降壓起動方式的起動器成本都相對較高，成本從低到高依次為星三角起動－自耦降壓起動-軟起動－變頻起動。

4 起動方式選擇的因素

4.1瞬態(tài)電壓降的考核

船舶入級規(guī)范規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)突加負(fù)載導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85% ，即突加負(fù)載或起動大功率設(shè)備時，發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降不應(yīng)大于額定電壓的 15%^[1]

過大的電壓降會使得電流增大，引起電動機(jī)的發(fā)熱異常，同時也會使得電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常甚至停機(jī)；特別是過大的電壓降可能會使得電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動作，比如欠壓脫扣，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的主斷路器保護(hù)功能異常，可能會引起全船失電，繼而會引發(fā)船舶運(yùn)營的安全問題。

因此，大功率負(fù)載的起動方式的選擇，必須以規(guī)范要求的瞬態(tài)電壓降值作為基準(zhǔn)進(jìn)行校核，在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格控制瞬態(tài)電壓降。

4.2起動轉(zhuǎn)矩的校核

理論情況下，為了確保船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性，希望大功率負(fù)載起動電流越小越好，采用降壓起動方式即是為了獲得更小的起動電流；但同時，較小的起動電壓也會使得起動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，一般地，起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。降壓起動方式的選擇，意味著減小了電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩的減小對電動機(jī)的起動影響很大。因此，選擇起動方式時，不能一味地要求降低電源電壓以獲得最小的起動電流，同時，也要考慮起動轉(zhuǎn)矩的校核，確保電動機(jī)能夠正常起動并運(yùn)行。

5 起動方式選擇的應(yīng)用

以某型船主滑油泵的起動方式的選擇為例，詳細(xì)說明起動方式選擇的過程及注意事項(xiàng)。

主發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如表1所示。

其中，主發(fā)電機(jī)組分級加載能力為 0-33%-67%- 100% 。

5.1瞬態(tài)電壓降計(jì)算

瞬態(tài)電壓降常用計(jì)算公式如下所示。

式中： Δu 為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降， % ·X_d^′ 為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗， % ; 為發(fā)電機(jī)直軸次瞬態(tài)電抗， % U_M 為電動機(jī)額定電壓，V； I_N 為發(fā)電機(jī)額定電流，A；U_?G 為發(fā)電機(jī)額定電壓，V; J_ST 為電動機(jī)直接起動電流，A;d 為降壓起動系數(shù)。一般的，直接起動時 d=1 ；星三角起動時， ；自耦降壓起動時， d 為變壓器抽頭比，通常為0.5，0.65，0.8等。

查閱設(shè)備資料，主滑油泵的參數(shù)如表2所示。

首先，計(jì)算在選擇直接起動方式的情況下，主滑油泵起動時發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降為 14.3% （見表3），已經(jīng)非常接近規(guī)范規(guī)定考核極限值 15% ，如繼續(xù)選擇使用直接起動方式，則很有可能在實(shí)際使用過程中因?yàn)榇肮r的差異，導(dǎo)致瞬態(tài)電壓降值超標(biāo)。因此，不能選擇直接起動方式。

其次，分別計(jì)算在星三角起動方式及自耦變壓起動方式情況下的瞬態(tài)電壓降，其計(jì)算值如表4所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，采用星三角起動方式及自耦降壓起動方式的瞬態(tài)電壓降均小于 15% ，均能滿足規(guī)范的要求。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，在同等電動機(jī)功率的情況下，帶有自耦變壓器的起動器價格會高于星三角起動方式；從實(shí)際使用的角度，自耦變壓器所需的安裝空間更大，發(fā)熱量更大，維護(hù)的成本也更高。所以，初步選定星三角起動方式。

5.2電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩校核

因?yàn)槠饎愚D(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，所以，當(dāng)采用降壓起動方式后，起動轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。比如，一般情況下電動機(jī)在額定電壓狀態(tài)下的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.2倍，當(dāng)采用降壓起動方式時，如電源電壓為額定電壓的 50% ，則起動轉(zhuǎn)矩為原起動轉(zhuǎn)矩的25% 。過低的起動轉(zhuǎn)矩可能無法使得電動機(jī)順利轉(zhuǎn)動及完成起動過程，因此在選定起動方式后，還應(yīng)對起動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核。

根據(jù)廠家提供的設(shè)備信息，主滑油泵的起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于 132N?m 。

電動機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下。

式中： T_N 為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩， N?μ_m ： P_N 為電動機(jī)的額定功率， kW ; n_N 為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速， r/min 。

根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)計(jì)算可得 T_N=689N?m ，采用星三角起動方式后的起動轉(zhuǎn)矩為 T_ST=d² ， T_N=229N?m_?

與該泵所需的最小起動轉(zhuǎn)矩對比，采用星三角起動后的起動轉(zhuǎn)矩能使得該泵正常起動，因此星三角起動方式的選擇是有效可用的。

5.3發(fā)電機(jī)分級加載校核

船舶電網(wǎng)發(fā)生失電故障并恢復(fù)供電后，需及時恢復(fù)船舶動力，確保船舶安全。因此，會出現(xiàn)多個重要設(shè)備在失電恢復(fù)后同時自動起動的情況，將會出現(xiàn)較大起動電流的情況，也將會引起發(fā)電機(jī)端電壓跌落的情況。因此，需要按照以上的步驟對全船大功率電動機(jī)進(jìn)行逐個分析并選擇合適的起動方式，完成起動方式的選擇后還應(yīng)對發(fā)電機(jī)的分級加載能力進(jìn)行校核。

根據(jù)設(shè)備的重要程度，將重要設(shè)備按組設(shè)定順序起動分級，計(jì)算每一級的起動電流、起動功率、瞬態(tài)電壓降，確保滿足規(guī)范要求，確保滿足發(fā)電機(jī)分級加載的能力。

在計(jì)算起動功率時，一般電動機(jī)負(fù)載的起動功率因素按照0.3，照明及其它負(fù)載按照0.8考慮進(jìn)行計(jì)算。

該船順序起動分級如下：

第一級（0s后）：舵機(jī)，供油單元，通導(dǎo)設(shè)備，照明，自動化設(shè)備等；

第二級（10s后）：主滑油泵；

第三級（15s后）：主機(jī)缸套水冷卻泵，低溫淡水冷卻泵；

第四級（25s后）：主海水冷卻泵；

第五級（35s后）：機(jī)艙風(fēng)機(jī)。

規(guī)范規(guī)定，當(dāng)電壓跌落時，電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差 3% 額定電壓以內(nèi)所需的時間應(yīng)不超過 1.5s （應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差 4% 額定電壓以內(nèi)所需的時間可不超過 5s ）；當(dāng)加載負(fù)荷時，船舶電網(wǎng)的瞬時頻率變化應(yīng)不超過額定值的 ±10% 且穩(wěn)定時間不超過5s。綜合以上考量，順序起動分級之間的時間間隔一般選擇不小于 5s^[1] ，具體以項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)需求為準(zhǔn)。

整理全船重要設(shè)備的參數(shù)并依據(jù)順序起動分級的設(shè)定，計(jì)算各級起動所引起的發(fā)電機(jī)端瞬態(tài)電壓降及起動功率負(fù)荷率（占比發(fā)電機(jī)組容量）如表5所示。

根據(jù)以上表格所計(jì)算的結(jié)果，每一順序起動分級所引起的發(fā)電機(jī)端瞬態(tài)電壓降均小于規(guī)范考核值15% ，同時，每一級的起動功率相對發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率亦是在發(fā)電機(jī)組分級加載能力（ 0-33%-67%- 100% ）范圍內(nèi)。由此可見，該船的大功率負(fù)載起動方式及順序起動分級的設(shè)定均是可行，滿足船舶正常運(yùn)行的需求。

6 結(jié)語

船舶大功率負(fù)載起動方式的選擇是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的重要組成部分，是保證單個設(shè)備正常工作的前提，亦是確保全船電網(wǎng)穩(wěn)定的重要內(nèi)容。因此，起動方式的選擇應(yīng)以合理的計(jì)算為基礎(chǔ)，同時，亦需從經(jīng)濟(jì)性、安裝可行性、維護(hù)方便性等多角度綜合考慮，選擇合適的類型，保證船舶運(yùn)營安全。

參考文獻(xiàn)

[1]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2021.