船舶电力系统设计

32,500DWT散货船电力系统的设计简介
李熙群
（广东省江门南洋船舶工程有限公司）
摘要：船舶电气设计的核心部分是电力系统的设计，主要包括：电站的负荷计算，发电机台数和容量选择，船舶电制的确定，电力一次单线图的绘制，短路电流的计算以及保护开关的选用等。

关健词：设计电力系统32,500DWT散货船
32,500 DWT Bulk Carrier Design in Power Systems
Xi QUN Li
(Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co., Ltd. Guangdong province)
Abstract:The main part of electrical design is the design of power system in ship, including: Power load calculation, select the number of set and rated output of the generators, decide power system for shipping, mapping the primary power single-circuit, calculated short circuit current and selected protection Switch, etc..
Key words: design power system 32,500 DWT bulk carrier
前言
船舶电力系统是船舶动力和控制的核心部分，随着船舶日趋向大型化、电气化、电子化发展，电力系统担负着给船舶推力、控制、通讯导航等设备提供电源的任务，其电源的质量和选配的数量直接关系到船舶操纵性、节能、排污等方面，所以船舶电力系统的设计是船舶电气详细设计的主要部分，本文以江门南洋船舶工程有限公司建造的3,5000DWT灵便型散货船的电力系统为例，介绍船舶电力系统的设计过程。

一、船舶电站的设计
1、选配发电机的台数和容量
通常用采用三类负荷法对全船电气设备进行分类估算，并据此选配发电机的台数和容量。

（1）收集轮机、舾装专业提供的船舶辅机的功率、功率因数和机械负载系数、同时系数等，统计电气设备、通导设备的功率、功率因数。

（2）将全船的电气设备按使用的频率分类，一般地说，连续运行的设备为一类负荷，间歇使用的设备为二类负荷，偶尔使用的设备为三类负荷。

（3）按船舶设计手册的程序和公式进行计算，计算结果如下表：
2、确定发电机的台数和容量
按BV规范C篇第2章第3节2.2.3的要求，主发电机应至少由两台发电机组组成。

这些发电机组的容量应是当任何一台发电机组停机时，仍然能对那些必须的设备供电：
a)推进及安全的正常工作条件。

b)可居住的最低舒适条件。

c)保存货物。

此外，发电机组的容量应足以启动最大的电动机而不会引起其他任何电动机停转或对处于正常运行的其他设备带来任何不利影响。

如上表中所列，发电机至少应选3台440KW的发电机，在进出港状态和装卸货状态需二台发电机并联运行，这种发电机的组合配备有下列优点：
（1）船舶多数时间处于航行状态，运行发电机接近满负荷，可以最大发挥发电机的效率，节约能源。

（2）有足够的备用发电机，可灵活调节。

不足之处是：
（1）发电机组的富裕量不够。

起动大功率的电动机时需起动备用发电机，备用发电机起动、并车投入电网后才能起动大电机，起动完成后又解列停车。

部分没有在自动电站系统内设置大电
机重载询问功能的次大电动机的起动过程需人工操作，否则容易造成运行中的发电机过载跳
闸。

（2）有的船级社对规范的解释是：“备用发电机的容量必须满足正常航行的要求”，“船舶靠离码头状态也应理解为航行状态”。

从上表中看出，在靠离码头状态时，使用发电机为二台，而备
用发电机的只有一台，就不能满足规范的对备用发电机的容量要求了。

但此观点在业内是值
得商榷的，需按具体的入级船级社的要求来进行选择。

32,500DWT散货船的主发电机组的配备如下：
数量 3 台
型号HFC6 454-64K型船用无刷交流同步发电机
额定功率550 KV A（440 KW）
额定转速1200 rpm
频率60 HZ
相数 3 相
电压440V
功率因数0.8
绝缘等级 F
防护等级IP23（接线箱IP44 满足高压水雾喷淋的要求）
冷却方式风冷
二、配电设备
1、电制的选择
按BV规范C篇第2章第3节 1.1.1的要求，可供本船选择的电制有“中线绝缘的三相三线系统”和“中性点直接接地或通过一个阻抗接地的三相四线系统”，这两种电制比较，前者的主要优点是安全，理论上讲，船上的人员触及一相导线时，不会造成触电事故，缺点是单相负荷需使用变压器，当各种单相负荷搭配在三相电路中不平衡时，造成三相电路的中性点偏移，各相电压和电流畸变，给用电设备造成影响。

后者的优缺点正好和前者相反，安全性较差，如果船上的人员触及一相导线时，就会直接受到相电压（相线和船壳间的电压）的电击，是十分危险的，但中性电流是靠导线导通的，各相电压和电流始终会保持一致，提供给各种用电设备的电源质量好。

出于人性化的考虑，普通的船舶的电制一般都采用前者，本船为散货船所按常规设计采用中线绝缘的三相三线系统，AC单相和DC电路采用两线绝缘系统。

2、确定一次电力系统
本船一次电力系统由设在集控室的主配电板组成，主配电板有三屏发电机控制屏，一屏同步屏，两屏AC440V负荷屏，一屏AC220V负荷屏，另外还有两屏组合起动屏，其组成船舶主要的电力配电系统如图1 一次电力系统图所示。

三台发电机的主开关采用施耐德的空气断路器NW10N，能可靠地对发电机进行过电流的长延时、短延时和瞬时动作的保护，还具有对发电机并联运行时的逆功率保护功能。

按规范和船东的技术规格书的要求，用三个隔离开关（QS1~3）把主汇流排分成四部分，AC440V的设备分开布置在BAS-A和BUS-B，凡属船上与航行安全有关的两台以上的互为备用的重要设备，都分开设在两边的BAS-A和BUS-B上，这样的布置确保当某一台发电机出现出现短路故障时，分开相应的隔离开关后，另外的两台发电机能正常供电；当一边的汇流排电路出路短路时，另一边也能保证正常供电。

AC220V汇流排是靠两台AC440V/220V 80KV A变压器供电的，两台变压器互为备用。

由AC220V汇流排供电的多为单相的照明等设备，如前所述，各种不能功率的设备必须在AC220V汇流排和负荷平衡式的分配电箱内，作适当的搭配，以保护三相负荷平衡，否则变压器的中性点偏移，会造成电压和电流畸变。

规范规定允许误差在15%以内。

变压器的初级和次级的开关应有联锁，同时分或合。

假如变压器的初级开关合上，次级开关断开，会造成变压器的初级有空载电流，次级开路产生高压，时间长了有可能造成变压器的损坏。

3、电力系统短路保护的校核
按BV规范C篇第2章第3节7.2和IEC出版物60362的要求需进行短路电流的计算，以校核所选开关的短路分断能力，保证电网的安全。

参与计算的电力设备选择为三台主电机的（A点），二台变压器（B1点），四台克令吊的液压泵电动机（B2点），AC220负荷端（D点），如图2所示。

计算结果和各点空气开关的选用如下表：
从表中得知，所选开关的短路分断能力Ics大于所保护点的对称短路电流Iac，满足设计要求。

三、自动电站
按船东的技术规格书要求，本船附加入级标志AUT-UMS即有无人机舱的要求。

本船在主配电板上增设丹福生产PPU自动电站管理系统，以满足BV关于无人机舱的F篇第3章第1节条4.8的要求。

自动电站主要有下列功能：
1、电压自动调整
发电机输出电压稳定，静态电压调整率不超过额定电压的±2.5％，动态电压压调整率不超过额定电压的±15％，恢复时间不超过1.5s。

(电压波段≤3％额定电压)
2、机组自动起动
机组自动起动具有三次自起动功能，若三次自起动失败则应给出指示或报警。

在如下情况下，各备用机组应能自动起动，①电网失电；②机组平均功率＞85％；③正在运行的机组发生故障。

需要停机或换机；
④机组接到人工起动指令。

3、自动整同步并车
电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，选择优先起动机组，停止后起动机组，自动进入整同步并车程序，（应符合电压相等，频率相同和相位差为零）自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使条件满足，并给出合闸指令，一般合闸信号给出要略微提前。

4、自动调频调载
对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配的控制，使各运行机组按比例分配，负载分配差小于±5％额度负载，频率调节精度为50±0.25％。

5、自动转移负荷及解解列
对已投入电网运行的发电机组，如出现如下情况，则按顺序使运行机组逐个解列。

①机组平均功率小于35％；②机组有故障。

6、机组自动停机
对已投入电网运行的发电机组解列分闸后，则该机自动停机，在机组出现如下情况下，则机自动停机。

①机组有故障；②机组平均负荷小于35％额定负荷；③机组接到人工停机指令。

7、重负荷起动询问控制
本船的重负荷为克令吊，当某一台克令吊需起动时，人工向自动电站发出一个信号，电站自动控制系统接到信号后进行剩余功率的计算，若剩余功率大于该起动负荷，则可起动反馈一个起动信号给克令吊控制箱，否则，应先起动备用机组，满足后在起动该负荷。