船舶供配电系统的分析与研究

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船舶供配电系统的分析与研究

摘要：在近年来的船舶发展中，供配电系统已经越来越趋向于智能化，集成化船舶电气在船舶整体上扮演着尤为重要的角色。船舶电气就是一个独立自主的系统，从发电机发电到配电到输电最后到用电，一个小小的船舶就将电气中的各个部分表现的淋漓尽致，船舶当中使用的仪器可以说是涵盖了各个领域，各类航海仪器，各种各样的传感器，以及多样化的照明系统。本文主要对现有的船舶电气的供配电方面进行分析与研究，来更好的去探究船舶电气方面的知识，而船舶电气往往又是离不开轮机机械方面的支持，所以更大程度的去理解船舶电气不仅仅是要掌握电方面的知识，对于机械方面同样需要深入的熟悉与掌握。

关键词：船舶；供电系统；配电系统；系统研究

根据材料，本船舶电气按下列的规范、规则和文件设计。《钢制海船入级范围》（2006年），《船舶与海上设施法定检验规则》（国际航区2004年版及2006修改通报），现行《国际海上人命安全公约》及有关的修正案、《国际海上避碰规则》（1992年，1998年修改通报），选用的国产设备和船厂自制及委托专业厂制造的凡属于重要设备除应符合上述规范、公钥要求外，均须经过CCS检验，并取得CCS证书。全船电气设备在船上安装，除无特殊要求外，均按《船舶电气设备安装工艺》（CB/T3909-1999）进行。电气设备的防护等级应满足CCS相关规范规定的要求。

本船的供电系统由1供电系统

3台柴油发电机组，1台应急柴油发电机组，岸电和对外供电，蓄电池组，变压器，应急变压器，厨房隔离变压器，航行灯、信号灯隔离变压器组成。

1.1柴油发电机1.1.1本船发电机介绍

本船在机舱安装3台柴油发电机组作为正常航行、拖缆航行、靠离码头、靠离泊作业、停泊时的主电源。其中，一台发电机的容量应可以满足正常航行、停泊时的船舶符合要求，任意2台发电机并联运行时的容量应能满足船舶进出港、拖缆航行以及靠、离泊作业工况下的负荷要求，另一台发电机作为备用。 另外，电动调速电位器，另外配AVR自动电压调节器做备件。

1.1.2发电机的基本结构166

申义|中港疏浚有限公司

交流同步发电机由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。定子由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。转子由铁芯、励磁绕组、电刷、滑环和风扇等构件组成。按照三相对称原理，在定子铁芯饶有三相对称绕组，在转子铁芯上绕有一对或数对绕组，外部的直流电源通过电刷、滑环和励磁绕组构成回路，以获得固定磁极极性的磁场。

1.1.3工作原理

同步发电机是把机械能转换成电能的装置，能量的转换是通过定子和转子之间的磁场进行的。同步发电机的转子绕组接直流电产生磁场，定子上有均匀的分布的三项绕组，称为电枢。原动机驱动转子旋转，就得到了一个在空间旋转的磁场，并在定子三相绕组中感应出三相正弦交变电势。如果在发电机输出端接上三相对称负载，会产生定子旋转磁场。这样，在同步发电机的气隙中存在两个同步旋转磁场：转子励磁磁场和定子电枢磁场。两个旋转磁场合成发电机的气隙磁场。机械能与电能的转换是通过气隙进行的[1]

。

1.2应急发电机

1.2.1本船应急发电机介绍

在应急发电机室安装1台柴油发电机组作为本船应急电源，当本船主电源失电时，应急发电机应自动启动，并向全船的应急设备和应急照明供电。表1为发电机规格。

1.2.2船舶重要负载的供电方式

船舶电力负载按重要程度可分为重要负载、次要负载等。所谓重要负载是指推进、操舵和船舶安全所必需的设备，如主机滑油泵、冷却水泵、舵机、锚机、主机控制装置、导航、无线电通信、各种报警装置等。重要负载要的配电方式如下：

（1）由主配电板直接供电，如舵机、锚机、消防泵等。

（2）对于特别重要的负载，如舵机、航行灯控制箱等要两路供电：一路来自主配电盘，一路来自应急配电盘，两路电缆尽量远离。

（3）分段母线供电有些重要设备有两台，互为备用，分别接分段母线两侧。当母线发生故障又不能及时排除时，可启动接在正常母线段的设备，保证重要设备的连续运行。如主机滑油泵、冷却水泵等。

（4）将次要负载由一个或两个专用开关控制，当发电机过载时，自动分级卸载装置动

作，自动卸掉部分次要负载，以保证重要设备的连续供电。

1.3岸电与对外供电1.3.1岸电箱

岸电箱至主配电盘之间应设有足够容量的固定电缆。使用岸电前，应检查岸电电压、频率是否与本船电网一致，若频率相同，电压不同，可通过岸电调压装置将岸电电压变成与本船电压相等后，再接至本船。岸电上船技术可以有效的减少船舶靠港期间的污染[2]。

岸电箱上设有相序测定器或负序继电器，用于检测岸电相序，保证使用岸电时和船电的相序一致。另外，岸电箱还需清楚标出船舶电源系统的参数。当接至中性点接地的三相四线制岸电时，岸电箱应设置一个接地端，以便将船体与岸上的接地装置相连接。

在船舶主配电盘上的岸电接线，应装有指示灯，以便指示外来岸电电源的电缆是否已经带电。接通岸电后，不允许再启动船上主发电机和应急发电机，因此船舶电站均设有与岸电的连锁保护，使二者不可能同时合闸。

1.3.2本船设备

本船设岸电箱一只，规格为AC380V、150A、3相。具有与主发电机和应急发电机连锁，手动换相、相序指示等功能，并配备电度表。另配100m岸电电缆和电动电缆卷筒。

本船设对外供电箱一只，规格为AC380V、50KW、3相。

1.4蓄电池组

1.4.1碱性蓄电池的结构和工作原理船上主要使用镉—镍碱性蓄电池，化学反应方程式如下： Cd+2KOH+2Ni(OH)3

Cd(OH)2+2KOH+2Ni(

OH)2 （1）

从上式可以看出，电解液KOH只做电流的传导体，其浓度不起变化，因而碱性蓄电池不能根据电解液的比重来判断蓄电池充放电的程度，只能根据电压的变化来判断蓄电池充放电的程度。

碱性蓄电池容量是以8h放电率的安时数表示其标称容量。碱性蓄电池的单体额定电压为1.25V，按8h放电率放电，碱性蓄电池终止电压为1.1V，按5h放电率放电，终止电压为1.0V，按1h放电率放电，终止电压为0.5V。

通常，碱性蓄电池的充放电标志是：放电时，碱性蓄电池单体电塔降低到1至1.1V为限，

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表1　发电机规格

当主配电板失电时，应急发电机自动启型号容量电压MP-H-64-4上海马

拉松

64KW

AC40V

尽管碱性蓄电池可以大电流放电，但通常应保证电压降得极限不低于0.7V；充电后，碱性蓄电池单体电压升到1.4至1.8V为限。

1.4.2本船蓄电池组配备

本船设应急蓄电池组2组，容量为400AH、DC24V（每组由4只200AH、DC12V蓄电池组成）作为全船的临时应急电源。

本船设报务蓄电池组1组，容量为200AH、DC24V（每组由2只200AH、DC12V蓄电池组成）作为通导助航设备的备用电源。

本船选用的蓄电池均为免维护蓄电池，蓄电池的按放出应设置禁火警示牌。

1.5变压器

变压器是利用电磁感应原理制成的静止电气设备，它能将某一交流电压变换成同频率上网另一等级同压，同样也能进行交流电流的变换及阻抗变换。变压器在船舶电力系统中主要用作改变电压等级的电力变压器，此外还包括一些仪器设备中的电源变压器、阻抗变换器、电压互感器、电流互感器等。

变压器有一个用以沟通磁回路的铁芯，铁芯采用互相绝缘的薄硅钢片叠成。在铁芯上安放两个由绝缘铜线绕制的线圈，其中与电源相连接的线圈称为原边绕组，也称之为初级绕组；与负载连接输出电压的线圈成为副边绕组，又称为次级绕组。

变压器作为一个能量传递装置，从电路角度上考虑，具有双重的特性：对原边的电源来说，变压器相当于一个负载，对于副边所接的负载，变压器又相当于一个带有内阻抗的电源。

本船配备了变压器、应急变压器、厨房隔离变压器、航行灯、信号灯隔离变压器。其中变压器在机舱用于正常照明，为全船220V供电。

船舶配电装置是用来接收和分配船舶电2配电系统

能，并能对船舶发电机、船舶电网以及各种船舶用电设备进行切换、控制、保护、测量和调整等工作的设备。它能有各种开关、自动控制与保护装置、测量仪表和互感器、调节和信号指示等电气设备按一定的要求组合而成的一个整体。因此，传播配电装置的功能是集中、分配和控制电能。

配电装置具体内容包括：

（1）接收船舶发电机输出的电能并对负载分配电能。

频率绝缘等级励磁方式50HZ

H

无刷励磁

（2）正常运行时接通和断开电路。（3）电力系统发生故障或不能正常运行状态时，保护装置动作，切断故障电路或发出报警信号。

（4）测量和显示电力系统运行中的各种电气参数，例如电压、频率、电流、功率因数、绝缘电阻等。

（5）进行参数的调整，如电压、频率的调整。

（6）对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号指示。

2.1主配电板

2.1.1在机舱集控室设主配电板一座主配电板的组成包括以下单元：柴油发电机屏3屏，AC380V负载屏3屏，AC220V负载屏1屏，组合起动屏3屏。

其中，发电机屏包括有主开关、交流电流表、交流电压表、频率表、功率表、功率因数表、调速开关、低功率保护装置、加热器按钮和指示灯、按钮指示灯、调压电位器、电压检测报警装置；AC380V负载屏包括有岸电供电开关、岸电电压表、岸电电流表、负载开关、高阻表；AC220V负载屏包括电压表、电流表负载开关、高阻表；并车屏包括有PMS电站管理系统、汇流排隔离器、同步表；组合起动屏包括有负载开关、接触器、热继电器、开关和按钮。

主配电板其他要求：

主配电板制成成前后带铰链门的框架结构，前后面板设置绝缘扶手，配电板四周的地面配绝缘皮垫，侧面设封板。主配电板二侧及后面设有散热孔。

主配电板的主开关及分路开关均选用施耐德或寺崎产品。主配电板内部接线次啊用CBV或CBVR塑料线。

主配电板各分路开关的负载必须引入后面接线排上，并表明与原理图享福的线号，以便于接线检修。

2.1.2主配电板与应急配电板、充放电板及岸电的连锁关系

当主配电板有电时应急发电机主开关。岸电供电开关不能合闸向汇流排供电。

当应急配电板有电时，主配电板和岸电供电开关不能合闸向汇流排供电。

当岸电向主配电板汇流排供电时，如有任何一台发电机主开关合闸向汇流排供电，应先断开岸电回路。

动，应急发电机主开关自动合闸向应急配电板供电。当主配电板恢复供电时，应先行断开应急发电机主开关，主配电板向应急配电板的亏电开关方可合闸。

当主配电板应急配电板同时失电时，充放电板自动向全船的临时应急照明供电。在主配电板和应急配电板上设有充放电低压放电指示灯。

2.2应急配电板

在应急发电机室设应急配电板一座，分2屏，份卑微应急发电机控制和AC380V负载屏1屏，AC220V负载屏1屏。

应急配电板各屏的配备要求如下：应急发电机屏有主开关、交流电流表、交流电压表、频率表、功率表、功率因数表、调速开关、按钮指示灯、电压检测报警装置、联络开关；负载屏有负载开关、高阻表。

2.3电站管理系统

本船电站具体应实现以下功能：

（1）电网负载超过90%时延时5秒，预报警。祝汇流排超过95%时，延时20秒自动做一级卸载。

（2）重在询问功能。欲起动船上大功率负载前，按照已投入电网运行上网机组总容量做询问。询问时主配电板发出声光报警信号，值班人员根据发电机富裕容量，发出允许该大功率设备起动的指令。

（3）自动并车。

（4）出现电网电压和频率过高或过低、电网失电时进行报警[3]3结论

。

在电力技术飞速进步与科学方法不断创新的今天，船舶电气正在发生着翻天覆地的变化。就船舶电气而言，技术是不断的在进步，而问题也没有终止过，所以，在理论知识的前提下，经验与动手能力是尤为重要的，尤其是判断问题的准确性与迅速性，对于问题剖析的思维能力等等都是要不断进步的。也许在未来船舶电气又会发生重大的变化与革新，而智能化人性化的大方向是不会改变的，这就要求从业人员具有较强的适应能力与学习接收的能力，同时要有一定的创新能力。

参考文献

[1]吴志良.船舶电站及其自动化系统[M].大连:大连海事大学出版社,2010.

[2]赵湘前,袁航.船舶岸电技术研究及其应用[J].水运工程,2013(10):178-180.

[3]陈兵,刘家劼.船舶电站管理系统的设计与研究[J].中国科技纵横,2015(10):46.

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