艦船電力系統體系框架構想

趙大成，肖楊婷，趙躍平

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

現行的《艦船通用規范》（3組-電力系統）（后續簡稱《通規3組》）編制于20世紀90年代，于2000年頒布使用，至今已過去21年。在這20多年的發展過程中，《通規3組》為各類低壓艦船電力系統的科研設計、裝備制造和試驗驗證等工作提供了重要的規范指導作用。同時，在這20年的海軍艦船裝備建造過程中，也出現了大量的新型電力系統形式，如采用低壓交流或中壓交流電制的綜合電力系統和中壓直流的新型綜合電力系統。在船舶電氣設備方面，隨著新技術、新材料、新工藝的應用，各類供電、配電、變電和岸電等設備的性能和功能也發生了較大的變化。

由此可見，在《通規3組》頒布后的20年時間內，艦船電力系統的設計、建造、試驗和使用等情況在不斷發展變化，而《通規3組》的內容還停留在20年前，出現了標準規范嚴重落后于裝備建造的現象。而事實上，《通規3組》的發展與艦船電力系統的設計、建造、試驗和使用等全過程環節應相互促進，同步發展。

迫于上述現狀，急需對《通規3組》進行修訂，實現標準規范與時俱進，適應于現行的各型艦船電力系統的層次劃分，覆蓋各型電力系統及電氣設備的通用性要求，以指導后續的科研設計與制造工作。因此，現行《通規3組》的整體框架和規范內容都存在不足，需要調整各分章節的劃分原則，以符合電力系統的邏輯框架。同時，補充綜合電力系統通用性設計要求，補充中壓供電、配電、變電、岸電等設施的通用要求，補充綜合保護裝置、新型自動化技術等通用要求，以契合新時代的海軍建造需求。

1 我國艦船電力系統現狀分析

在常規動力艦船中，電力系統主要為生活保障設施、輔助泵組、艦船操作和通信保障等電力負荷提供電力保障。其中，為滿足不同類電力負荷的供電需求，電力系統設置了正常供配電裝置和應急供配電裝置。應急供配電裝置可保證在事故情況下，重要負荷的不間斷供電，從而保障艦船重要使命的順利實施。隨著艦船噸位的上升，以及電力推進負載、先進高能負載等新型用電設備的增加，電力系統的容量不斷提升，電力系統在艦船中的重要性也更加突出，直接關系到艦船機動性和戰斗力。

可以看出，隨著技術的不斷進步，艦船電力系統的形式和功能在不斷發生變化，電力系統在艦船中的地位和作用日益提高，促使艦船電力系統的電壓等級和功率等級不斷突破，從低壓AC 390 V到AC 690 V，再到中壓交流和中壓直流4 kV～5 kV，未來甚至會達到更高電壓等級。站在時代發展的角度，從我國第1代艦船開始，艦船電力系統正在經歷從常規電力系統、低壓交流綜合電力系統、中壓電力系統、新型綜合電力系統的演化。

在現行《通規3組》編制時期，我國水面艦船只有1種形式的電力系統（潛艇電力系統除外），即AC 39 0V的低壓電力系統，且電力系統容量較小，單機最大容量為1 MW左右，系統最大總容量約4 MW。電力系統的網絡結構也比較簡單，一般采用前后電站的形式，通過干饋式結構向負載供電。

進入21世紀后，我國海軍進入高速發展時期，先后建造具有大容量、中壓以及復雜供電網絡等技術特征的艦用電力系統，無論是單機容量，還是電站數量都得到了大幅提升，用電負荷的類型也變得更加多樣化。由此也帶來了電力監控技術的發展，監測網絡規模、自動化控制水平也都得到較大提升。“十二五”期間，馬偉明院士及其團隊攻克了艦用中壓直流綜合電力系統技術，進一步拓展了我國艦船電力系統的類型。

這些變化都標志著我國艦船電力系統的類型、規模和組成都已經遠遠超過現行《通規3組》的內容，出現了標準規范嚴重落后于工程實際的矛盾。為了進一步提升艦船電力系統建造的標準化水平，提升技術、設備的通用化程度，提升備品備件的互換性，有必要從近20年的裝備建設實際成果中汲取標準化、規范化的有益因素，優化完善通規中的相應內容，實現標準規范與工程應用的協調發展。

2 國內外標準現狀分析

無論是在國內民用標準領域，還是在國外標準領域，船用電力系統及配套設備的相應標準已形成了比較完善和成熟的標準體系。目前，我國船舶電力系統標準包括 GB、GJB、CB，以及中國船級社規范（CCS）。國外船用電氣相關標準主要包括英、美、德、挪威等國的船級社規范、軍艦建造規范，以及IEC/TC18電氣設備委員會發布的一系列標準。

2.1 國內標準現狀

據不完全統計，我國船用電力系統及設備標準已制定標準近200項，包括了電力系統綜合標準、電池標準、電動機標準、電線電纜、配電設備、發電設備、變電設備、照明設備及其他電器等各類標準。其中，GB/T 13030—2009、GB/T 22190—2008和GB/T 2948 4—2013都屬于電力系統綜合標準。CCS鋼質海船入級規范分別在第4篇《電氣裝置》和第7篇《自動化系統》中規定了船舶電氣裝置及其監測控制系統的一般性設計要求，以及制造和試驗的基本要求。

為了適應中高壓電制、電力推進等新技術的應用，CCS《鋼質海船入級規范》采用補充規定的形式，如第4篇第2章第14節和第15節分別為“交流高壓電氣裝置特殊要求”和“電力推進裝置附加要求”。

2.2 國外標準現狀

美軍在艦船電力規程的研究、制定和使用方向上走在世界前列。目前，美軍沒有制定艦船電力系統通用規范，但制定了電力設備基本技術要求MIL-DTL-917F《電力設備基本技術要求》以及電力系統界面標準MIL-STD-1399-300B《交流電力系統界面》和MIL-STD-1399-680《高壓交流電力系統界面》。

與CCS規范不同，國外船級社規范電氣裝置章節的內容不僅僅包括電氣設備的一般要求，還包括系統設計的要求。如，挪威船級社（DNV）規范（2014版）第4部分第8章“電氣裝置”的第2節中就規定了“系統設計”的相關要求，包括設計原則、系統電壓和頻率、主供電系統、應急供電系統、電池系統、配電系統、保護、控制等系統級綜合要求。在電氣設備的規范性要求中，各國船級社規范都明確了電源、照明、旋轉機械、半導體變流器（電力電子裝置）、電纜、安裝、蓄電池的相關要求及電力推進附加要求。

2.3 小結

根據國內外船舶電力系統的標準和規范的建設情況來看，電力系統標準的組成要素基本相同的，系統級層面包括系統設計類要求；設備層面包括設備設計、制造、試驗、安裝等要求；有些規范還包括自動化控制、通信的要求，以及新技術發展而增加的補充或附加要求。

但是各國標準或規范的框架體系存在較大差異，并沒有統一的電力系統的層次和架構劃分。這主要是因為各國船舶的建造模式存在差異，而標準和規范則主要是為船東、船廠、設備商和檢驗等角色服務的，需要適應于標準所應用的行業現狀。

3 通規3組標準框架構想

艦船通用規范是一部關于艦船裝備研制的基礎性、通用性技術管理規定，它明確了艦船研制最低限度應滿足的基本要求和原則。《通規3組》是艦船通用規范的重要組成部分，以“艦船電力系統”為對象，全方位、多角度、多層次全面約定了艦船電力系統及設備研制、生產、試驗的通用化要求和原則。

3.1 構建原則

在制定標準框架的過程中，需要科學的方法論指導框架制定，從而形成具有完整核心內涵的艦船電力系統標準框架。在現行《通規3組》規范制定之時，我國海軍的艦船數量和種類都遠遠少于當前的狀態，《通規3組》的制定只能采用借鑒和沿用的方式，形成了低壓艦船電力系統的通用設計規范。目前，我國海軍已經實施建造了數量較多的各類新型艦船，形成了大量的新型電力系統設計、建造經驗，正是將實踐經驗提煉形成通用規范的好時機。因此，《通規3組》的修訂工作將以遵循現役艦船電力系統的架構為核心原則，符合管理部門、系統總體設計單位、設備承研單位、建造單位的工作模式，實現標準修訂的繼承性。

《通規3組》應全面覆蓋艦船電力系統的各類要素，涵蓋各類艦船需求，因此“全面性”是標準框架構建時必須考慮的重要條件，不能存在無法歸類或覆蓋的產品和技術類別，確保《通規3組》能夠反映艦船電力系統的各主要技術領域，能夠指導設計人員、檢驗人員、使用人員處理在不同環節面臨的各類問題。

《通規3組》應具有較強的實用性，具有較好的可操作性，層次劃分合理，使設計人員能便捷、快速、準確地獲取規范性要求。

因此，《通規3組》標準框架將采用“繼承性、全面性、實用性”的構建原則，指導構建艦船電力系統的標準框架。

3.2 層次設計

根據繼承性原則，《通規3組》電力系統應符合現役艦船電力系統的基本層次劃分。目前，電力系統是艦船的1級系統之一。在一級系統層次下，又根據功能的不同，劃分為供電、配電、電氣監測與控制、照明和機組保障等2級系統。

根據全面性原則，《通規3組》電力系統應涵蓋綜合電力系統、電場磁場防護系統等特殊系統的相關要求。因此，《通規3組》中新增“370綜合電力系統”章節，包括了低壓交流、低壓直流、中壓交流和中壓直流等各類綜合電力系統的通用性要求。同時，該分類方法也符合《船舶工業標準體系表（2012）》對綜合電力系統的歸屬劃分方式。

根據實用性原則，《通規3組》各章節的組成內容應與實際工作模式相協調，便于各類使用人員準確定位所需的規范性內容。如，在設備層框架中，原規范中采用“發電機組、應急機組、停泊機組”的劃分與系統設計階段對設備分類的方式不同，為保持一致性，在修訂階段將采用原動機分類的方式，劃分為“柴油發電機組、汽輪機發電機組、燃氣輪機發電機組”。

因此，《通規3組》的標準框架共分為3個層次，分別是“1級系統層”“2級系統或特殊系統層”以及“設備層”，見圖1。

圖1 《通規3組》層次劃分

4 結論

本文初步梳理了我國海軍艦船的發展脈絡，以及國內外艦船電力系統、電氣設備等相關標準的現狀，參考各類標準規范的組成要素，以及我國艦船電力系統行業的工作模式，提出了新的艦船電力系統3組標準層次劃分構想，為未來《通規3組》的補充、修改和完善等工作的順利開展提供參考。