船舶電氣配電系統方案設計探究

王森 陳濤

【摘要】船舶電氣是以電能、電氣設備和電氣技術為手段，利用電工、電子技術維持與改善船舶室內空間的電、光、熱、聲環境的一門科學。在船舶物內部人為創造并保持理想的環境，以充分發揮船舶物功能的電工、電子設備系統，統稱船舶電氣。由于電能具有配置靈活、控制簡便、污染小等優勢，人們一直希望在艦船上廣泛采用電力作為能量傳輸的方式。隨著大功率電力電子技術和永磁、超導等新材料的迅速發展，使得電力設備的功率密度不斷提高，促使電力推進技術在商船上廣泛應用，并逐漸向軍用艦船領域擴展。本文介紹了現代船舶電氣配電系統的一些合理性設計方案和建議，充分利用資源，合理的設計符合可持續發展的科學方針。

【關鍵詞】船舶;配電系統;電氣;設計

1.引言

近幾年，電子技術、計算機技術發展迅速，新技術、新器件層出不窮，越來越多地應用到船舶行業中，已成為推動行業發展的重要因素。大型施工機械、照明控制、監控、報警、對講等智能化工程施工與管理，急需既懂專業知識又掌握電子技術的復合應用型人才。電氣工程專業的教學改革和教材建設應主動適應市場變化，開拓創新，反映時代特色，面向經濟建設和社會發展，有鮮明的行業特色，突出高職教育的特點和培養目標。本文也從多角度分析了船舶電氣配電系統的方案設計，為廣大同行作參考。

2.負荷等級及供電要求

2.1 負荷等級分類

電力負荷應根據供中斷供電及電可靠性在經濟、政治上所造成的影響或損失的程度，分為一級、二級和三級負荷。對于某些特等船舶，需要一級負荷。一級負荷中的特別重要負荷是指中斷供電將影響中斷供電或計算機網絡正常工作甚至將發生火災、爆炸以及嚴重中毒的災難性后果所需要的負荷標準。其他用電配備情況可以酌情降低負荷等級。

2.2 供電要求

根據《船舶電氣規范》，一級負荷應當由兩個電源供電，當一個電源發生故障或受到損壞時，另一個電源可以應急在正常情況下工作”。二級負荷“宜由兩回線路供電”，即當發生線路常見故障或電力變壓器故障時不致中斷供電，也可以說中斷后能迅速恢復。設計中常采用一路高壓電源供電或者采用一用一備兩路高壓供電。三級負荷對供電無特殊要求。此外，根據《船舶設計防火規范》以及《船舶設計防火規范》對消防用電設備進行負荷等級劃分，對于二類高層船舶的消防用電按二級負荷要求供電并且消防用電設備應采用專用的供電回路。火災事故照明和疏散指示標志可采用蓄電池作備用電源，其配電設備應明顯標志。

3.計算負荷的有關參數及公式

3.1 確定用電設備組或用電單位計算負荷的公式：

a.無功計算負荷Kvar

Q30=P30/tanψ

式中tanψ是指設備給定功率因數角與用電單位或用電設備組功率因數角的正切值

b.有功計算負荷（KW）

式中：為用電單位或用電設備組的需要系數;為用電單位或用電設備組的總容量;

c.負荷視在（KV·A）

S30=P30/cosψ

d.電流計算（A）

I30=S30/UN

式中為用電設備組或用電單位供電電壓額定值（KV）

3.2 確定多組用電設備組或多個用電單位總計算負荷的公式

a.有功計算負荷（KW）

式中，為各組的計算負荷（KW）;為有功負荷同時系數，由設備組計算車間配電干線負荷時可取=0.85～0.95，由設備組直接計算變電所低壓母線總負荷時可取=0.8～0.9。

b.無功計算負荷Kvar

式中，為各組無功計算負荷（Kvar）;為無功負荷同時系數，由設備組計算車間配電干線負荷時可取=0.9～0.97，由設備組直接計算變電所低壓母線總負荷時可取=0.85～0.95。

c.視在計算負荷（KV·A）

d.計算電流（A）

I30=S30/UN

式中為用電設備電壓額定值（KV）

e.無功補償公式

補償前

補償后

4.基于直流區域配電系統的艦船綜合電力系統方案

設想的核商船的主要設計要求為：采用汽輪/電力混合推進;電力推進功率2200kW左右;其他全船用電負載最高達2800kW左右，并要求滿足1B1備用原則。

4.1 發電機配置

由于尾部空間和總體重量平衡的限制，推進電機采用高功率密度的永磁電機。永磁電機一般采用變頻調速方式，考慮到核商船應急航行時以蓄電池作為電源，電力推進采用直流供電。又由于斷路器分斷能力的限制，發電機單機功率不宜超過2000kW。根據負載功率的要求和備用原則，有3種發電機的配置方案可供選擇。

方案一：2臺1200kW/1000V高速整流發電機給推進電機供電，2臺3000kW/390V交流發電機給全船其他負載供電。該方案中電力推進電源不能給其他負載供電，不能稱其為綜合電力系統。更為不利的是，需要研制難度很高的低壓、大電流交流開關。

方案二：采用直流區域配電系統構成綜合電力系統。設置2臺2000kW/1000V高速整流發電機和2臺2000kW/390V交流發電機，交流功率不足的部分由整流發電機經逆變器供給。該方案可以解決交流開關分斷能力限制問題，但是由于難以采用合適的配電方式，系統極為復雜，同時面臨交、直流2種系統中的困難：交流系統仍存在故障隔離差，難以實施模塊化建造的缺陷;直流系統需要采用大功率逆變，并且需要解決大功率逆變器并聯運行問題，如果采用變壓器進行隔離/濾波，則會使逆變器的尺寸/重量相當可觀。此外，原動機如何配置也面臨兩難：4臺汽輪機的尺寸/重量較大，并且冷凝器難以設計;2臺機則會使系統穩定性大為降低。

方案三：采用直流區域配電系統。全船設置2臺4000kW/1000V高速整流發電機，向包括推進電機在內的全船負載供電。

4.2 系統方案

以艙室作為區域，每個區域都可以設置1臺或多臺區域配電模塊，與直流干線進行連接，其原理相當于脈寬調制（PWM）式DC/DC變換器。功率電子器件采用絕緣門雙極型晶體管（IG-BT），兼作區域故障保護。區域中還設置電力變換模塊，完成DC/AC變換，用于驅動交流負載，并提供故障保護。重要負載采用兩路供電，兩路供電分別來自左舷和右舷干線，利用直流電的單向性，可以十分方便地實現自動切換。

大功率交流負載（50kW以上），主要有反應堆一回路循環泵、主循環泵、給水泵、制冷機、螺桿壓氣機、液壓泵、海水泵等，傳統上都是采用鼠籠式感應電機，只能定速運行。但是實際上，這些負載都有調速運行的需要，都希望能根據負載的情況對電機轉速進行調節，而不是靠閥門來消耗多余的能量。因此可以給這些負載設置專門的電力變換模塊，應用PWM技術將區域配電模塊提供的直流電逆變成直接驅動電機的三相交流電，同時起到軟啟動、調速和保護的作用。也可應用永磁電機技術，采用啟動、控制、保護、散熱機電一體化的驅動方式。永磁電機的尺寸比傳統電機小30%，其驅動部分可以和電機集成，不必占用額外的空間。如果采用熱管、水冷等先進技術，還可進一步減少體積/重量。

小功率交流負載，無論是400Hz中頻設備還是50Hz異步電動機，都可采用區域逆變器集中供電。與傳統系統和方案二比較，可以取消交流主配電板、直流主配電板、可靠配電板、主變流機組、主變控制屏等大型電氣設備，隔離濾波變壓器的體積/重量大大減小，甚至可以取消。通過簡化熱力系統和電力系統的配置，足以換取區域配電模塊和電力變換模塊所需空間，且布置更為靈活。美、英等國的研究經驗表明，基于現代電力電子技術的直流區域配電系統的全系統尺寸/重量明顯低于傳統的交流輻射式系統。

5.結束語

本文淺談了部分船舶電氣配電系統設計以及安裝的參數分析及合理化建議，符合現代可持續科學性發展觀，為電氣學術領域提供有效資源，充分利用資源，合理的設計符合可持續發展的科學方針，希望在此基礎上能夠提出更多合理性意見和方案。

參考文獻

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作者簡介：王森（1988—），男，山西運城人，碩士，現供職于海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，研究方向：電力集成技術。