基于柴電推進技術的船舶電網的設計

蘇夢夢+盧黃城+王進東

摘要：船舶電網是船舶電力系統中的輸配電裝置，直接影響全船的供電質量以及設備的運行安全。柴電推進是主流的電力推進方案，因此對于柴電推進船舶電力系統的設計分析和研究有著重要意義。本次設計主要完成了基于柴電推進技術的船舶電網的設計，論文首先分析設計準則、電機啟動器和器件設計所有材料，然后對設計的基本參數和短路電流進行計算。設計屬于船舶電網的初步設計，具有一定實際參考價值。

關鍵詞：柴電；船舶；電網；短路電流

船舶航行區域廣闊特別是遠洋船舶，其電氣設備的工作環境往往比陸用設備要差，所以對船舶用電氣設備的設計要求也往往比陸用電氣設備要高。在設計柴電推進系統船舶電網時，應以運行連續性，操作人員高度安全，安裝簡單、及防腐蝕抗震動為主要設計準則，并兼顧較低建造成本，預留一定擴展空間。

電機起動器

所有電動機起動器應為能承受高潮濕環境和船舶振動的船用型。功率大于0.5kW的起動器均采用接觸器控制形式，控制電壓采用220V。480V主配電網絡中功率大于55kW小于110kW的電機采用星三角起動，功率110kW及以上的電機采用軟起動形式[1]。

船舶輔助設備的起動器盡可能以組合起動單元的形式布置在組合起動屏柜內。不同的單元之間應有良好屏蔽，且具備防弧功能。冗余設備的電機起動器應分別安裝在不同的組合起動屏上。采用組合起動屏起動的電機配備就地起動/停止按鈕和運行指示燈，停止按鈕應可以鎖定（禁止誤操作），或在電機附近安裝一個獨立的安全開關。起動器應包括：塑殼斷路器、接觸器、熱繼電器、起動/停止按鈕、用于控制電路的變壓器 400V/220V、運行指示燈、電流表、運行計時器、電機空間加熱器指示燈和起動/停止開關[4]。

電站、推進輔助系統和安保系統電機，應能在集控室進行遠程遙控。所有重要泵均需要進行冗余設計，當泵出口壓力下降至某一設定值時或有電氣故障發生時，備用泵應具備自動起動功能；若電網故障消失并恢復供電后，主電站的輔助泵以及與船舶主推進相關的重要泵應按順序重新自起動。

控制設備材料和材質

低壓元器件（包括接觸器，繼電器等）采用ABB或西門子等歐洲知名品牌產品。PPU及儀表采用DEIF產品或等同的歐洲知名品牌產品。PLC均采用ABB或西門子等歐洲知名品牌產品。指示燈采用LED。

安裝在室外的接線盒，控制箱及控制箱的殼體和螺栓采用316L不銹鋼，并滿足船級社規定的外殼防護IP等級要求。

主配電板采用雙層柜體，第一層用于安裝所需要的元器件，第二層上部用于安裝進出線母排。母排的材料為銅，所用電線和開關元器件不含鹵素。主電纜和控制電纜進出線位于柜子底部。柜門、柜體和底板采用1.5mm厚的覆鋁鋅鋼板。柜子前后門板都要安裝手柄。

基本參數

設備在機艙的環境溫度：+50℃

相對濕度：80%

尺寸單位：國際單位

電制：采用交流480V60Hz 三相三線絕緣系統，220V60Hz單相雙線絕緣系統，24V直流系統。

船舶電網具體負載電壓要求如下：

推進電機采用變頻驅動交流660V

其他通用交流電動機及風機采用交流480V60Hz

正常照明，應急照明等采用交流220V60Hz

助航儀器、內部通訊、無線電通信等采用交流220V60Hz和直流24V

臨時應急用電設備采用直流24V

短路電流計算

在船舶電力系統中，可能發生的短路故障有單相短路、兩相短路及三相短路故障等。作為船舶電力系統中最嚴重的故障，短路故障將直接影響到船舶正常航行，甚至危及人身安全。短路時供電電壓的大幅降低會使設備停止運行，同時巨大的沖擊電流產生的電動力和熱效應可能造成重要設備的損壞。嚴重的短路故障若不及時切除，有可能使并聯運行的發電機失去同步，破壞并聯運行的穩定性，擴大成為系統性事故，以使整個電力系統失電[3]。

當電力系統內某一點發生短路時，在短路的瞬時，接入系統內所有運行的發電機和電動機都是短路電流供給源。為了計算總短路電流，應該對每個供給源產生的短路電流分別計算，然后再將各個分量進行合成或疊加，這是短路電流計算最基本的方法。

短路電流計算方法種類繁多，有 IEC 電工委員會規范，JP 日本協同研究會和 GB 中國國家標準等規定的計算方法。各計算方法雖然在發電機繞組電阻和瞬態短路電流衰減、短路計算精度以及等效電動的合成等方面存在著不同，但究其本質而言，所有計算方法并沒有較大的差別，所基于的原理都是相同的，在下文將對其部分做簡要介紹。關于船舶電力系統的短路電流計算，現在各大型船級社都有自己的計算軟件和計算修正標準。

本文在此僅介紹短路發電機饋送的短路電流以及短路電動機饋送的短路電流的計算原理。

1.短路發電機饋送的短路電流計算

計算中使用的參數包括：Ur--發電機額定線電壓；Ir--發電機額定電流；Xd”，Xd[--發電機直軸超瞬態和次瞬態電抗；Ra--發電機定子繞組電阻；Ik--發電機穩態短路電流；t--短路時間；Re”，Te[--發電機超瞬態和次瞬態時間常數；Tde--發電機直流時間常數；

發電機超瞬態相電動勢Eq”如式1所示：

（1）

發電機次瞬態相電動勢Eq"如式2所示：

（2）

發電機超瞬態短路電流Ik"（忽略電纜的阻抗）如式3所示：

（3）

發電機超瞬態短路電流IK"（忽略電纜的阻抗）如式4所示：

（4）

短路點短路電流的交流分量Igac如式5所示：

（5）

短路點短路電流的直流分量Igdc如式6所示：

（6）

短路發電機饋送的峰值短路電流Igp如式7所示：

（7）

2.短路電動機饋送的短路電流計算

計算中使用的參數包括：Ur--電動機額定線電壓；--電動機轉子繞組電阻；--電動機定子繞組電阻；Xm"--電動機直軸超瞬態電抗；--短路時間；--電動機超瞬態時間常數；Tde"--電動機超瞬態直流時間常數；

電動機超瞬態短路電流Im"（忽略電纜的阻抗）如式8所示：

（8）

短路點短路電流的交流分量Imac如式9所示：

（9）

短路點短路電流的直流分量Imdc如式10所示：

（10）

短路電動機饋送的峰值短路電流Imp如式11所示：

（11）

在船舶設計的實際工程應用中，通常都是選擇該船舶所入船級社認可的軟件進行短路電流計算。本平臺供給船入級ABS美國船級社（American Bureau of Shipping），采用ABS認可的SKM Power Tools仿真軟件進行短路電流計算。

SKM Power Tools是基于 IEC61363標準開發出的計算軟件，強化了發電機和電動機短路電流計算功能，適用于船舶和石油平臺等此類獨立電力系統的仿真分析。其軟件內的計算程序在此不再贅述，下面僅研究實際工程中船舶短路電流的計算過程和結果。

首先根據船級社相關規范要求和系統繼電保護設計的要求，即在進行短路點的選取時應使通過所要選擇和校驗的電氣設備的短路電流值達到最大，結合平臺供給船電力系統單線圖，需要計算以下主要結點處短路電流：

1.主發電機出線端S1；

2.440V/220V配電變壓器二次側 S2；

3.440V應急配電板進線斷路器輸出側 S3；

4.440V/220V應急配電變壓器二次側 S4；

然后根據軟件操作流程在SKM Power Tools計算程序中輸入發電機、電動機、變壓器等相關設備參數。

參考文獻：

[1]. 趙玲，周徐達電網諧波濾波新技術研究上海電力學院學報，2006（4）.

[2]. 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功補償[M].北京：機械工業出版社，2005：17-63.

[3]. Alf Kare Adnanes. Maritime Electrical Installations and Diesel-Electric Propulsion[M]. Finland： ABB Oy， 2003.5：12-18