浅谈船舶电气系统及设备选型设计

《装备维修技术》2021年第12期

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浅谈船舶电气系统及设备选型设计 单 旭 （上海交运船舶有限公司，上海 201401） 摘 要：船舶在航海经济之中占有重中之重的地位，随着造船业及造船市场的进一步发展，使船舶结构的日趋复杂，功能不断完善，自动化程度日趋提高，其电气系统设计和设备的可靠性在船舶正常运行中起到重中之重的作用，因此研究设计稳定性高、经济性强的船舶供电机舱十分有必要。本文通过对船舶电气系统网络的探究，描述其配电网的设计原则，进一步分析各环节配置的电气设备选型原则，对船舶电气系统的设备选型有积极的意义。 关键词：船舶；电气系统设计；设备；选型 船舶主供电系统设计及设备选型基本是一次成型的，之后改造及设备升级换代一般是在原有供电设计基础上进行的，因此船舶供电网设计及电气设备选型应该慎之又慎，在选型的原则上既要兼顾经济型又要考虑供电可靠性。随着电气设备及继电保护技术的不断发展，原理的不断成熟，电气设备选型也应该与时俱进，选用采用前沿且成熟应用的各类设备元器件。本文从船舶电气主接线及电气设备选型的原理出发，综合考虑经济性及可靠性，介绍了设备选型的基本思路与原则，为船舶供电设计及设备选型提供了思路与基本要求。 1 船舶电气主系统的设计 船舶电气主系统表示传播内部各环节设备相互连接方式以及传播电网内部链接路径。船舶电气主系统的设计，将直接成为供配电设备选型的依据，因此，必须在选择确定可靠性高、经济型好又便于执行的船舶电气主接线设计后，才能合理选择配电板的各种电器元件。如图1典型船舶电力系统图。 图1 典型船舶电力系统图 电气主系统的设计需要考虑的因素很多，通常从整个系统的可靠性和运行方式切换的多样性来考虑，同时还要兼顾实施环节当中成本的可行性。从可靠性角度出发，当供电系统当中的任意一点任意一台设备出现故障时，不仅要考虑连续供电还应考虑避免发生非同步运行，也就是我们常说的“合环”。为了避免破坏电气设备的稳定运行环境以及一旦发生事故后的快速恢复供电，还应考虑到发生故障时的举动或误动，甚至有一点故障引起到多点故障，由于船舶供电系统与负荷之间的距离较短且用电设备大多数是重要负荷，在供电设计中需要考虑供电路径的简单和供电设备的可靠性，达到检修时不断电或小范围停电，保证I类负荷和部分II类负荷的供电要求，如图2 船舶负荷分类情况统计。运行方式的多样性方面，应考虑船舶电气主系统在满足现有运行环境即负荷的前提下，运行方式可以灵活切换，在分段检修时可以灵活

倒负荷，还有为将来负荷的增加考虑到增容的可行性。 图2 船舶负荷分类情况统计 2 变压器选型原则 陆地变电站由于有充足的场地供应及稳定运行环境所以设计是大多考虑容量冗余配置，方便未来负荷增加时有足够的供电空间，但由于船舶电气设备运行环境空间受限，不可能在设计时留有太多容量冗余，所以在设计时主要考虑在满足船舶所有电气设备用电需求后，冗余的容量不应太大。配有单台变压器的船舶在考虑变压器容量时，应考虑变压器带所有船舶里所有电气设备并富余一定容量；双主变分裂运行的船舶，在主变选型设计时应考虑到单主变容量可以提供保安负荷并仍有一定的余量，保证船舶所有I、II类负荷的正常运转。除此之外，不管是单主变运行还是两台主变，不管母线是否分段，都应考虑后备电源设计，例如直流蓄电池组通过逆变装置整流后成为船舶电气设备第三电源。直流蓄电池组从经济性的考虑大多选用体积小价格便宜的铅酸蓄电池。随着生产技术不断成熟，磷酸铁锂蓄电池的成本价格也在调整，并渐渐融入了大众视野，其稳定高、体积小、容量大、不必长时间处于浮充状态的特点逐渐得到认可。 3 断路器选型原则 船舶供电电压等级在6kV以下，大多数船舶供电网甚至在500V以下，断路器选型一般选择经济性好、可靠性高、技术成熟的真空断路器。真空断路器选型通常参考下列因素： 3.1电机操控保护考虑动作的敏捷性应使用额定短路开断电流大的真空断路器。 3.2选用新型智能化新型真空断路器。 3.3选用投切次数要求高的真空断路器。真空断路器的设计分和次数能达到几万甚至几十万次，因此其使用寿命应尽量可靠。 4 电流互感器选型原则 4.1按型号选择。确定准确等级、容量。 4.2按工作电压选择。CT的最高工作电压，应该大于系统平均工作电压。[1] 4.3按额定电流选择。根据主变容量、平均工作电压，确定主变工作电流，满足船舶电气网一次负荷电流变化的需要，并能承受断路器可能的短路电流及二次侧数十秒断路电流。 4.4此外，还可通过CT额定值、端电压、准确度和过电流性 （下转第181页） 《装备维修技术》2021年第12期

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应用价值。 3.2 该新型侧卸式装岩机后电缆自移拖曳装置具有结构简单、制作容易，成本低、安装方便的优点，其重量轻，便于拆装，使用更换方便。 3.3 该新型侧卸式装岩机后电缆自移拖曳装置的发明降低了工人生产过程中的劳动强度和劳动时间，提高了侧卸式装岩机拖曳电缆的效率，并保证了工作中的安全。 3.4 该新型侧卸式装岩机后电缆自移拖曳装置使用范围广，对环境的适应性强，故推广后具有较好的社会和经济效益。 4 应用实例 031214运输顺槽掘进工作面位于老石旦煤矿北部第三采区的西南方向，031214运输顺槽掘进工作面位于北二、北三井口之间，12#煤层北西1100米处。位于北二、北三井口之间，12#煤层北西1100米处，031214运输顺槽在12#运输下山14#点前3米处开口，巷道长：830米。 煤层赋存特征 项目 指标 备注 煤层平均厚度m 1.10 煤层倾角（°） 5°-8° 煤层硬度f 1.5 煤层层理（发育程度） 发育 煤层节理（发育程度） 发育 煤层顶底板情况表 顶底板名称 岩石名称 厚度（m） 岩性特征 老顶 细砂岩 3.45 坚硬、完整性好 直接顶 细砂岩 1.8m 灰白色、胶结致密完整性好 伪顶 泥岩 0.10m 层理发育，易垮落 直接底 细砂岩 1.88 坚硬、完整性好 老底 砂页岩 7.11m 坚硬、完整性好 031214运输顺槽采用全断面爆破一次成巷掘进方式掘进。前25m兼做胶带输送机机头硐室，胶带输送机机头硐室毛断面：宽4500mm，中高2600mm，净断面：净宽：4200mm净高：2200mm；正巷毛断面：宽3600mm，中高2600mm。净断面：净宽：3300mm净高：2400mm。装载运输采用侧卸式装岩机装运至刮板输送机，经胶带输送机运出。 巷道支护参数：顶板选用Φ18×2000mmQ500矿用螺纹钢锚杆，间距800mm，排距1000mm；巷道帮锚杆选用Φ16×1600mm圆钢锚杆，间距1000mm，排距1000mm； 结束语： 该掘进工作面自2015年7月份进行掘进，侧卸式装岩机八月投入使用，在出渣时，当班需要八人完成此工序，侧卸式装岩机装运岩石过程中3人拖曳电缆，不仅劳动强度大，而且还不安全，经常发生磕手碰脚事故，自从2015年8月份使用了新型侧卸式装岩机后电缆自移拖曳装置以后，在装岩机运行期间无需人员看护拖曳电缆，提高了经济效益，基本上杜绝了磕手碰脚事故，而且工人的劳动强度也大大地降低了，在031214运输顺槽730米掘进中，此自移拖曳装置高效稳定，收到了良好的使用效果。 参考文献： [1]煤矿用侧卸装岩机的创新性设计与改造[J].郭绍坤,南宁,纪永刚.科技创新与应用.2017(24) [2]矿山电力装岩机在安全生产中的几个改进[J].李晓明.企业导报.2013(02) [3]井下Z系列装岩机故障原因及处理方法[J].同国勋,洪伟,张立平,仲伟,肖志来.设备管理与维修.2013(03) [4]侧卸式装岩机在煤矿掘进系统中的应用[J].魏培权,田克勇,闫江鹏.中国科技信息.2011(16) [5]电动铲运机与电动装岩机的使用比较[J].李文才.矿业工程.2011(05) （上接第179页） 能等数据确定互感器型号。 5 继电保护选型原则 5.1船舶用发电机保护 5.1.1船舶用发电机过载保护。为了保证供电连续性，船舶用发电机过载保护配置一般选用发电机逐级卸载保护。所谓逐级卸载保护指的是当发电机过负荷运行时，继电保护装置会逐级将一些不重要负荷甩开来降低发电机负荷，并报警发出告警信号，若甩开这些不重要负荷后发电机仍然过负荷且超过发电机保护动作时限的设置，过载保护会发出跳闸命令，以免发电机长时间过负荷工作。 5.1.2船舶用发电机外部短路保护。船舶用发电机外部短路保护有发电机短路短时间延时保护和短路瞬时动作保护。当发电机发生短路故障，短路电流达到额定值两倍左右时，发电机短路短时间延时保护触发，动作时间延时0.3-0.5秒动作；当短路电流达到额定值数倍时，短路瞬时动作保护触发，并发出跳闸指令，瞬间切断短路电流。[3] 5.1.3船舶用发电机失压保护。当系统电压降低，发电机低电压工作，导致发电机运行电流急剧降温变大，严重时烧毁发电机。达到临界低电压时，失压保护发出跳闸命令。 5.1.4船舶用逆功率保护。船舶用逆功率保护承担发电机到电动机的保护，正常状况下发电机切割磁感线配合换向器实现发电，正所谓同步发电机。当发电机出现漏磁或丢磁现象或其他原因，发电机不再同步，相反变为电动机来消耗功率，如果功率消耗到最小逆功率，触发逆功率继电器的动作条件，发出跳闸命令。 5.2船舶用电网保护 5.2.1电网过载保护。船舶配电系统出线基本上是分散型的，配电用电缆选择也都是与发电机或负荷相匹配的，因此一般不独立设置线路过载保护，而是与发电机过载保护和电动机综合保护装置相互协同来保护线路线缆。另外，舵机电机和它的供电线路参照相关规程要求均不配置过载保护，单单配置电流保护，过载保护只发出告警信号。[4] 5.2.2电网短路保护。参照变电站短路电流保护通常将船舶用短路保护设置为带时限速断及过电流保护，且从负荷到发电机的各级保护动作时限应一级比一级大。按整定电流值的原则，从负荷到发电机的各级保护动作电流一级比一级大。 5.2.3电网绝缘监测。绝缘监测分为单相接地监测和配电系统各环节绝缘电阻监测。单相绝缘监测通过零序CT采集零序电流的方式同小电流接地选线装置相互协作可准确选出故障线路；电网绝缘监测动态监测配电系统各环节对地绝缘电阻，实时监测绝缘电阻降低位置。 5.2.4相序保护。船舶电网接岸用变频电源时，应注意岸用电源月船舶供电系统相序配置，若相序接反则会导致船用用电设备倒转，严重时损坏设备，因此岸电相序保护有必要在相序接反时切断电源。 结束语： 船舶用电气设备不管从发电机组到配电网再到用电设备，每一个环节都关系到整船电气系统稳定性，船舶能否正常运转，电气系统从设计、安装再到后期维护各个环节都环环相扣。本文所阐述相关船舶电气设备选型设计旨在对设计人员在船舶电气系统设计时充分考虑相关因素并起到帮助作用，我们不仅要在设备选型当中把好关，更应该在日常维护中把好检修关、用电环节当中把好安全用电关，这样才能确保船舶电网各环节稳定运行。 参考文献： [1]何银光.工厂供电变电站设计分析[J].企业技术开发.2010（6）. [2]苟宁宁.110kV变电站初步设计[D].甘肃：酒泉职业技术学院，2015. [3]李光亮.浅谈船舶发电机故障保护策略[J].电子世界，2013. [4]王家林.船舶电力系统智能保护关键技术探讨[j].电力系统及其自动化学报,2012.