艦船供電生命力測試指標選擇與方法研究

戚雙斌，劉 東

(中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

艦船電力系統(tǒng)生命力（供電生命力），即艦船在戰(zhàn)斗損傷及事故損傷條件下能否繼續(xù)生存，為艦船重要設(shè)備（操舵系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等）供電的能力[1]，是整個艦船生命力的命脈。

目前對艦船電力系統(tǒng)供電生命力的研究主要集中在以下3個方面：

1）從生命力的設(shè)計角度進行研究，為后續(xù)生命力評估研究做基礎(chǔ)。如進行“自頂向下”的樹狀生命力分解定義結(jié)構(gòu)，生命力評估的指標體系，對指標設(shè)計定量要求與概率要求[2]。分別使用圖模型和寬度優(yōu)先搜索算法、功能樹模型、組合合成原則描述，對設(shè)計階段生命力模型分類[3]。

2）結(jié)合艦船電力網(wǎng)絡(luò)組成特點，進行電力系統(tǒng)生命力性能優(yōu)化算法研究。如基于模糊綜合評判理論，采用蒙特卡羅算法計算電網(wǎng)的損壞程度，建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)評判模型，采用遺傳算法建立優(yōu)化方案[4–5]。

3）從生命力評估軟件的算法角度進行研究，如概率分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合算法[7]、損傷樹分析方法[8]、模糊數(shù)學(xué)理論進行模糊綜合評判[9–10]。

上述主要是從供電生命力設(shè)計角度或評估方法方面進行研究。然而，新型艦船在建造完成交付用戶使用前，需由軍方對電力系統(tǒng)進行性能鑒定。用戶更關(guān)心的是電力系統(tǒng)供電生命力測試方法和結(jié)果，這就急需設(shè)計1套系統(tǒng)的新型艦船供電生命力測試方案。因此本文在實船供電生命力測試列項、測試指標及測試方法等方面開展研究，形成一整套實船測試方案并應(yīng)用于某型艦船性能鑒定試驗。

1 艦船供電生命力實船測試列項

電力系統(tǒng)生命力概念比較模糊，實船測試的項目指標又要求具體。本文從艦船設(shè)計時對供電生命力的要求，即“設(shè)計原則”和“艦船電力系統(tǒng)的組成”2個方面，對實船測試進行列項分析。

1.1 由設(shè)計原則對供電生命力測試列項

逐項對照國軍標中水面艦艇供電生命力設(shè)計原則，提煉實船上測試項目及指標（見表1～表8）。

1）艦船供電系統(tǒng)的生命力必須和艦船總體的抗沉性相適應(yīng)。當(dāng)艦船遭受戰(zhàn)斗損害而保持不沉?xí)r，電站和配電系統(tǒng)的剩余供電能力必須保證維持艦船機動性、必要的艦船生命力和最低限度的自衛(wèi)能力所必需的重要負載的供電[11]。

表 1 測試列項1Tab. 1 Test items one

表 2 測試列項2Tab. 2 Test items two

表 3 測試列項3Tab. 3 Test items three

表 4 測試列項4Tab. 4 Test items four

表 5 測試列項5Tab. 5 Test items five

表 6 測試列項6Tab. 6 Test items six

表 7 測試列項7Tab. 7 Test items seven

表 8 測試列項8Tab. 8 Test items eight

2）電力系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)保證在功能工況下能可靠地檢測、切除和隔離受損部位；并根據(jù)負載功能的重要程度對負載分類區(qū)別安排，優(yōu)先保證重要負載的供電[11]。

3）電氣設(shè)備應(yīng)作抗損設(shè)計，裝艦電氣設(shè)備均應(yīng)滿足抗沖擊、抗電磁脈沖的要求。露天甲板以上的電氣設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機組和電纜應(yīng)盡可能設(shè)置金屬護罩防護或由周圍鋼結(jié)構(gòu)提供的屏障[11]。

4）電力系統(tǒng)應(yīng)采用冗余設(shè)計和合理布置，其應(yīng)滿足：

①系統(tǒng)功能冗余設(shè)計時，采用對重要負載設(shè)置正常和備用等多路電源供電的方式；電站，匯流排、主干電纜等的容量、載流量等應(yīng)有冗余[11]；

②系統(tǒng)戰(zhàn)斗冗余（隔離）設(shè)計時，應(yīng)通過發(fā)電機組、配電板和其他電氣設(shè)備的數(shù)量、尺寸和布置的正確合理的選擇和設(shè)計，來保證功能工況下供電的連續(xù)性。大中型水面戰(zhàn)斗艦艇應(yīng)設(shè)置事故配電系統(tǒng)，臨時拉敷軟電纜替代受損電纜，實施事故供電[11]；

③對非冗余的功能上相互依賴的重要組成部分（設(shè)備）應(yīng)靠近合并安置，盡可能縮小目標體積[11]。

5）電力系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮損害管制。應(yīng)采用有效手段和方法及時評估供電系統(tǒng)的戰(zhàn)斗損害情況，以便及時實施損害管制[11]。

6）電力系統(tǒng)應(yīng)嚴格控制艦船應(yīng)急工況下的負載投入，保證應(yīng)急配電系統(tǒng)的負載容量與應(yīng)急電站的容量相適應(yīng)[11]。

1.2 由系統(tǒng)組成對供電生命力測試補充列項

艦船電力系統(tǒng)包括一次二次系統(tǒng)。主要由電源設(shè)備、配電系統(tǒng)和負載組成。新型大型艦船電力系統(tǒng)組成從功能方面分類，如圖1所示。

1）發(fā)電功能系統(tǒng)方面

除從設(shè)計角度對發(fā)電機組和主配電板所列項進行細化外，考核機組自身性能（見表9）。

圖 1 電力系統(tǒng)組成圖Fig. 1 Power system composition diagram

表 9 發(fā)電功能系統(tǒng)補充列項Tab. 9 Lists of power system

圖 2 主配電設(shè)備組成圖Fig. 2 Composition diagram of main distribution equipmen

2）配電功能系統(tǒng)方面

對設(shè)計角度列項中分區(qū)配電、兩舷供電及事故電網(wǎng)列項進行細化。對配電設(shè)備自身功能列項，試驗時結(jié)合前面列項完成。列6項，對應(yīng)圖2中設(shè)備。

3）消磁功能系統(tǒng)方面

結(jié)合圖1中消磁功能系統(tǒng)4類設(shè)備，列4項。主要考核設(shè)備監(jiān)控顯示報警功能。

4）電力監(jiān)控功能系統(tǒng)方面

結(jié)合圖1中4類設(shè)備組成，列4項。考核各級控制、報警、顯示、監(jiān)測功能。各級控制之間的通信功能，配電區(qū)域控制器的詢問卸載重載功能。

5）電力輔助功能系統(tǒng)方面

結(jié)合圖1該系統(tǒng)組成，列2項。在戰(zhàn)斗工況時，考核主照明和應(yīng)急照明穩(wěn)定性，考核應(yīng)急電力設(shè)備組網(wǎng)運行及主備電源轉(zhuǎn)換功能。

2 艦船供電生命力實船測試方法分析

根據(jù)試驗相關(guān)工作設(shè)計鑒定試驗流程，如圖3所示。

2.1 方案設(shè)計

本文結(jié)合某型艦性能鑒定試驗設(shè)計1套完整的供電生命力測試方案。對測試指標進行梳理，通過選定實驗環(huán)境及方法，使指標測試盡可能接近實戰(zhàn)環(huán)境。

圖 3 性能鑒定試驗測試流程圖Fig. 3 Flow chart of performance testing and testing

以表1中第1個指標為例進行設(shè)計。

1）試驗?zāi)康?/p>

考核有艙室破損，一個或多個電站失去供電能力時全艦供電能力。

2）試驗環(huán)境和條件

①環(huán)境要求：試驗艦為戰(zhàn)斗工況；

②被試品工作狀態(tài)：電力系統(tǒng)正常工作，配屬的儀器儀表經(jīng)過校準；

③配試裝設(shè)備：電能品質(zhì)測量設(shè)備、電壓表、電流表、頻率表等。

3）試驗方法

根據(jù)艦總體不沉性設(shè)計，模擬船艙進水，分別關(guān)閉1個（XX號）和2個（XX號和XX號）電站，利用剩余電站向全艦用電負荷供電。在電力集控臺記錄電力系統(tǒng)工作情況（記錄各電氣參數(shù)），統(tǒng)計各用電系統(tǒng)/設(shè)備的工作情況（記錄故障情況）。在雷達加高壓時，在供電輸入端測試電能品質(zhì)。在多次記錄（讀取數(shù)字和波形圖）相關(guān)數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)處理

按照具體參數(shù)要求（軍標相關(guān)規(guī)程）進行處理。

5）評定準則

各測試參數(shù)指標滿足相關(guān)要求（軍用標準、研制要求或規(guī)格書等）為合格。

2.2 具體實施過程

試驗實施過程由指標性質(zhì)本身來定，現(xiàn)將測試指標分為勘驗型、功能型和測值型3類。

1）勘驗型

設(shè)計安裝類指標。如表5中第142頁、表6第162頁，只需按圖紙在實船勘驗即可。

2）功能型

具備功能類指標。如表5第152頁。 事故電網(wǎng)接入某負載（舵機），記錄整個過程2 h供電的完成情況。無故障發(fā)生為合格。

3）測值型

具體參考數(shù)值類指標。如表1中第22頁。需要一個“選點、儀表選擇、測試記錄、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評估”的流程。實施過程如下：

①在戰(zhàn)斗工況開始前，將大功率雷達供電開關(guān)分閘，在大功率雷達電源輸入端（起動箱）連接測試線路；

②大功率雷達供電開關(guān)合閘恢復(fù)供電；

③使用電能質(zhì)量分析儀記錄三相電壓波形，讀取起動前穩(wěn)態(tài)電壓及頻率，啟動至穩(wěn)態(tài)后讀取穩(wěn)態(tài)電壓、穩(wěn)態(tài)電流及頻率。根據(jù)波形計算電壓跌落、電壓恢復(fù)時間、頻率跌落及頻率恢復(fù)時間；同時記錄雷達工作的穩(wěn)定性（記錄故障發(fā)生情況）。

2.3 測試結(jié)果處理

勘驗型和功能類指標記錄結(jié)果即為結(jié)論。測值型指標，采用從波形圖中讀取數(shù)值和直接從儀表中記錄數(shù)值，并進行計算處理。

以“在戰(zhàn)斗工況時某大功率雷達輸入端交流電源品質(zhì)測量”中部分指標為例，記錄數(shù)據(jù)及處理過程如圖4、圖5和表10所示。

圖 4 大功率雷達輸入端AB項起動電壓有效值Fig. 4 The effective value of the AB entry voltage for the input terminal of the high-power radar

圖 5 大功率雷達輸入端AB相起動電壓波峰Fig. 5 High power radar input terminal AB phase start voltage wave peak

3 結(jié) 語

本文從供電生命力設(shè)計要求和電力系統(tǒng)組成角度，對實船供電生命力進行測試列項、指標分析及測試方法方面開展研究，并進行實船測試，得出如下結(jié)論：

表 10 大功率雷達啟動過程部分參數(shù)記錄及處理表Tab. 10 Some parameter records and processing tables of a high power radar starting process

1）通過把供電生命力抽象概念具體化，對實船供電生命力測試進行列項分析，明確指標，把供電生命力分析單純依靠評估方法轉(zhuǎn)變?yōu)榕c實船測試結(jié)合的方式，有助于用戶對艦船性能直觀了解。

2）模擬艦船戰(zhàn)斗工況和戰(zhàn)損狀態(tài)比較困難，試驗測試與實戰(zhàn)狀況還有相當(dāng)差距。列項指標、測試環(huán)境和測試方法還要進一步完善。

3）建議艦船交付部隊使用后，戰(zhàn)斗演練演習(xí)過程中，有針對性的對部分關(guān)鍵指標進一步次考核。為后續(xù)艦船提供依據(jù)。