一種帶優先級的實用新型船用自動轉換主配電板設計

摘要：當前西江流域內河貨船普遍選用的手動轉換型主配電板，其特點是全程需要人員介入操作，較為不便和落后，不符合當前內河船舶自動化的發展趨勢。文章設計出一套自動轉換且帶優先級的實用型船舶主配電板，對提高西江流域內河船舶電網的自動化程度有一定的現實意義。

關鍵詞：主配電板;自動轉換;優先級

文獻標識碼：U665.11-A-56-200-4

0 引言

在船舶電網中主配電板的作用非常重要，電站發出的電能只有通過主配電板才能最終分配到各個用電終端，可以說主配電板是否可靠直接關系到船舶電網能不能穩定運行[1]。本文設計出一套自動轉換型主配電板，其特點是合閘后不需人為介入轉換操作、自帶優先級、實用，并通過樣品車間測試來驗證其可靠性。

1 主配電板容量選擇

只有確認了主配電板的容量才能夠選擇主配電板箱體尺寸、線路布置和元器件型號

，這是設計一套主配電板的前提。本文為提高設計出來的主配電板的實用性，選擇主尺度為73.8 m（船長）×15.8 m（船寬）×5.7 m（型深）、總重為2 437 t的船型，這種船型在當前的西江流域較為流行。

確定船舶電站的容量后則可知主配電板的容量，因兩者容量相等。《內河船舶法定檢驗技術規則》（2019）[2]規定此類貨船必須同時設置兩臺主發電機組，考慮到船舶停泊狀態下的用電需求和接入岸電的需要，再預留出24 kW停泊發電機和10 kW岸電的兩個接口，這樣該套主配電板總共有4個電源接入口，分別是30 kW、30 kW、24 kW和10 kW。

2 主配電板轉換部分

考慮到并車功能需要大幅增設線路和儀表，由此大幅增加成本和主配電板箱體體積，因此該套主配電板不設置并車功能，每臺發電機及岸電只能單獨供電，這就需要主配電板接入的4個接入電源要相互聯鎖，不能并網，且優先級應排列為：主發電機（2臺30 kW）>停泊發電機（24 kW）>岸電（10 kW）。如何實現互鎖和優先級功能需要線路布置和轉換開關的協調配合，本文采用線路如圖1所示。

對以上電路進行分析可以得出優先級：1 G（30 kW）>2 G（30 kW）>3 G（24 kW）>岸電（10 kW），用戶可以自主選擇性能最好的一臺發電機組作為優先級最高的1 G。自動轉換開關是實現自動轉換功能的關鍵元件，本文選擇由上海格馳生產的GCQ4型號，隔離級別為PC級，其集開關與邏輯控制于一體，實現了機電一體化，具有電壓檢測、通信接口、電氣機械互鎖等功能，還有電氣鑰匙鎖供自動轉換失效狀態下的緊急手動操作。該型號是經市場長期檢驗的成熟產品，性價比較高。

3 主開關部分

根據《鋼質內河船舶建造規范》（2016）[3]的要求，船舶30 kW的主電源必須設置過載和短路保護功能，考慮到該船還設置了大量的輔助及生活用電機，船用電機若是長期在欠壓狀態下運行，輕則影響使用壽命，嚴重的話會造成堵轉從而燒毀電機。因此從保障船舶電網的安全性角度出發，主開關必須同時具備過載、短路和欠壓保護功能，這對于主開關型號的選擇就顯得尤為重要。本文根據大量實踐經驗，選擇上海人民開關廠生產的CXM1-63H/4型塑殼斷路器，并搭配DB-A型多功能保護器，由塑殼斷路器提供通斷和隔離功能，多功能保護器提供過載、短路和欠壓保護功能，使得主配電板在保障船舶電網安全的同時又能保持穩定可靠（如圖2所示）。

圖2中的KT是啟動避讓時間繼電器，時間設置為1 s，它可以將接入主配電板的4個電源間的轉換時間控制在1 s內。多功能保護器的過載、短路和欠壓動作時間設置如表1所示。

4 儀表部分

考慮到主配電板所處機艙惡劣的使用環境，本文選擇較為穩定可靠的指針式儀表。為保證儀表顯示，準確度，應將船舶電站的額定電壓和電流數值控制在儀表量程的2/3范圍，精度按要求須在1.5級以上。線路如圖3所示。

因為使用手動轉換開關來轉換三相電流和電壓顯示，因此必須設置通斷表如圖4所示。

5 總圖

再加上負載部分，就完成了主配電板的電氣設計圖紙如圖5所示。

6 主配電板樣品的車間測試結果及缺陷處理

在車間對樣品的功能性測試中，主配電板能順利通過各項效用試驗并且運行穩定，表明設計獲得了成功，但也出現了一個意想不到的缺陷：當同時有兩個以上的發電機在運行時，比如1 G和2 G同時運行時，雖然按照優先級此時只有1 G在供電給用電負載，2 G屬于空載運行并不供電，兩臺發電機不并車，但是主配電板上的1 G和2 G發電指示燈卻同時亮起，給用戶傳遞出1 G和2 G兩臺發電機都在供電的錯誤信息。

為了解決這個缺陷，本文設計了兩個處理方案。方案1是再增加一排合閘指示燈，指示燈一端為中性線5 N，另一端為1 G、2 G、3 G、岸電ABC三相的任意一相。這個方案的優點是不需要額外增加元器件，接線簡單方便;缺點是測試平臺需要4個完全相互獨立電源，且前提是中性線5 N必須接地，也就是只適用于三相四線中性點接地的船舶電網系統（如圖6所示）。

方案2也是增加4個合閘指示燈，但采用繼電器使合閘指示燈間互相聯鎖，使得任意時刻只有一盞指示燈亮，準確指示出哪一路發電機或者岸電正在供電。其優點是邏輯清晰，測試平臺簡單，且適用于任何船舶電網系統;缺點是需要額外增加元器件，接線較復雜，如圖7所示。

綜合比較方案1和方案2，本文選擇了全面性占優的方案2。優化后的主配電板電氣總圖見圖8，經測試已經完全消除了上文描述的缺陷。

7 結語

本文設計的船用主配電板擁有自動轉換功能，解決了傳統主配電板全程需要人工介入操作的問題，且自帶優先級，經車間測試效果穩定可靠，雖然測試過程中發現缺陷，但經過優化升級后消除了存在缺陷，是一種實用型的主配電板。裝配本文設計的主配電板對于推進西江流域船舶電網自動化程度和運行安全具有一定的現實意義。

參考文獻

[1]黃建章.船舶設計使用手冊 電氣分冊[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2]中華人民共和國海事局.內河船舶法定檢驗技術規則（2019）[S].

[3]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范（2016）[S].

收稿日期：2021-03-01

作者簡介：

鐘偉強（1985—），工程師，主要從事船舶檢驗工作。