船舶電網重要負載順序啟動的設計

楊　璟

(上海船舶研究設計院， 上海 201203)

0　引　言

船舶電網失電后恢復供電時，船上重要設備必須重新自動啟動。此時若負載同時啟動，將產生較大的突加負荷，對電網造成很大的沖擊，并對船舶電網的瞬態電壓波動及瞬態頻率波動均有很大的影響，更嚴重者可能會導致發電機保護裝置動作及發電機停車、飛車等嚴重后果，影響電力系統的可靠性及安全性。為此，常規船舶自動電站在電壓恢復后采用重要負載分級順序啟動的方式來解決該問題。

1　突加負荷對電網的影響

1.1　電壓波動及控制

同步發電機的電勢簡化矢量見圖1，發電機端電壓數值的計算公式[1]為

Ug=E0-jIgXd

(1)

式(1)中：Ug為發電機端電壓；E0為發電機空載電勢；Ig為發電機定子電流；Xd為發電機同步電抗。

由式(1)及圖1可知，當發電機負載電流Ig的大小發生變化時，若要保持發電機端電壓Ug一定，只有隨之相應地改變發電機的電勢E0，即調節發電機勵磁電流的大小。在實際運行中，Ig及φ的值是經常變動的，導致發電機端電壓Ug也經常隨之變動。要維持電壓恒定，必須采用自動電壓調整方式，所以同步發電機一般均配有自動電壓調整器。

圖1　同步發電機的電勢簡化矢量圖

圖2　電壓調整過程曲線

1.2　頻率波動及控制

發電機組在運行時，其能量平衡關系可用式(2)表示

(2)

式(2)中：PM為柴油機的機械功率；PE為發電機的電功率；ΔP為機械和電氣損耗；TC為機組的慣性時間常數；dn/dt為機組轉速的變化率。

柴油機輸出的機械功率PM取決于柴油機的供油量，發電機產生的電功率PE為電網負載消耗的功率。當PM=PE+ΔP時，柴油機輸出功率與發電機負載功率和機電損耗平衡，dn/dt= 0時，說明發電機組轉速是恒定的，電網頻率不發生變化。當電網負載突加時，此時PM

圖3　發電機動態調速特性

柴油發電機的動態調速特性見圖3，為保證供電質量，當發電機在空負荷狀態下突然加上50%額定負荷，穩定后再加上余下的50%負荷時，其瞬時調速率不大于額定轉速的10%；發電機穩定調速率不大于額定轉速的5%；恢復穩定時間(即轉速恢復到波動率為±1%范圍的時間)不超過5 s。如采用高增壓四沖程柴油機作為驅動發電機的原動機時，其調速特性試驗可按多于二次的加載方式進行加載。

2　重要負載順序啟動的設計方法

從上述分析可知，突加負荷會使船舶電網產生電壓及頻率的波動。因此，為提高重要設備供電的連續性，在船舶失電后恢復供電時重要負載采用帶延時順序自動啟動方式，有利于船舶航行的安全性及可靠性。順序啟動的設計通常按以下步驟進行。

2.1　順序啟動的分級

順序啟動中重要設備的分級應該根據負載的重要程度進行設定。通常，船舶推進和乘員安全有關的設備延時時間最短，如照明、通信導航、舵機和主機滑油泵等。

順序啟動各級的延時時間，應保證在下一級的延時時間內，基本完成上一級啟動，至少應避開啟動的峰值電流，故每級啟動延時時間不得小于2 s，通常為5～7 s。

2.2　瞬態電壓降的檢驗

電網突加負荷導致主發電機端電壓下降時，其瞬態電壓值應不低于額定電壓的85%，即每一級重要負載順序啟動時的瞬態電壓降數值不能超過15%。因此在完成順序啟動的分級后，需計算每一級設備啟動時的瞬態電壓降。采用運用負載啟動電流的方法進行計算，具體的計算公式為

(3)

2.3　發電機調速特性檢驗

圖4　突加負荷限值曲線

一般柴油發電機啟動分4級進行，因此其調速特性對突加負荷值有一定的限制，某發電機廠家提供了突加負荷限值曲線見圖4。

順序啟動分級后，需核算每一級負載突加時的最大啟動功率，然后在發電機調速特性突加負荷限值曲線上找到對應的基本負荷與突加負荷限值進行比較，檢驗負載突加時的最大啟動功率是否在發電機的調速特性限值范圍內。

計算突加負載啟動功率時，電動機負載的啟動功率因數考慮為0.35，照明及其他負載按0.8進行計算。

3　實例分析

以某型船的電站設計為例，主發電機的相關參數見表1。

表1　主發電機電氣參數

3.1　重要負載分級

參照船級社的有關規定，根據船上重要設備的配置及重要程度，設定順序啟動分級及啟動時間如下。

第一級(0 s后)：舵機、供油單元、照明、通導、自動化設備及主空壓機。

第二級(5 s后)：主機滑油泵及主機輔助鼓風機。

第三級(10 s后)：中央低溫冷卻淡水泵及主機缸套冷卻淡水泵。

第四級(15 s后)：主冷卻海水泵。

第五級(20 s后)：機艙風機。

3.2　瞬態電壓降計算

順序啟動分級后，每級啟動時的瞬態電壓降不應大于發電機額定電壓的15%。根據式(3)進行計算，計算結果見表2。

由表2中的計算結果可知，每一級順序啟動的瞬態電壓降均小于15%，滿足發電機瞬態電壓波動要求。

3.3　發電機調速特性檢驗

表2　瞬態電壓降計算

順序啟動每一級的啟動負荷功率見表3，根據計算結果，以該級設備啟動前基本負荷功率為橫坐標，啟動負荷功率為縱坐標，繪制順序啟動負荷曲線，并與發電機調速特性突加負荷限值曲線進行比較(見圖5)。

圖5　順序啟動負荷曲線

由圖5可知，順序啟動負荷功率曲線均在限與值曲線范圍內。

表3　啟動功率計算

4　結　語

對于船舶自動電站，重要負載自動順序啟動的方法已得到廣泛采用。因此，設計人員在進行船舶電站的設計時應充分考慮負載自動啟動對于電網的影響，利用分級延時的方法使其對電網的沖擊降至最低，保證船舶電站的安全性及可靠性。