船舶電力系統的設計與研究

顧愛武

［滁州市地方海事（港航）管理服務中心，安徽 滁州 239000］

0 引言

船舶屬于一種活動在水域的交通運行工具，其電力系統是保障船舶航行穩定性的必要基礎，對供電質量以及船舶經濟指標等均具有十分重要的影響。隨著社會發展與時代進步，現代化船舶電站操作對專業性要求變得越來越嚴格，船舶電站的自動化水平也在不斷得到提升，對電站管理人員的專業水平提出了更為嚴格的要求。早在20 世紀70 年代之后，我國船舶電力系統就已經形成了具有完善功能且性能比較穩定的控制系統，而在20 世紀80 年代后微機控制系統的出現，為后來的PLC 技術應用鋪墊了良好的基礎條件。PLC控制技術在船舶電力系統設計應用中變得尤為常見，而在此之間船舶電力系統現代化水平越來越高，現階段的船舶自動電力綜合管理系統具有極其豐富的管理功能，所以提高電力系統設計規范性質量，是船舶總體設計工作中的重要內容，更是保障船舶航行穩定性的必要前提[1]。

1 船舶電力系統特點分析

與其他電力系統相比，船舶電力系統相對比較特殊，甚至存在著更為明顯的差異。從整體上來看，船舶電力系統特點主要分為3 個方面：①在大多數船舶電站中，實際容量較小，少部分大功率用電設備的實際功率相當于發電機功率，極易引起電網沖擊影響，一旦出現誤操作、局部故障現象，則很有可能導致全船產生斷電事故，此外隨著船舶工況復雜性越來越突出，對電力系統的可靠性具有十分嚴格的設計要求。②船舶內部空間相對比較窄小，所有的電氣設備處于集中擺放的狀態，各自之間的影響十分明顯，一旦在操作處理過程中存在不規范問題，則很有可能導致給船舶整體航行安全帶來威脅影響。③船舶內部電氣設備工作環境往往比較差，比如內部環境溫度較高，且具有較大的濕度，在船舶內部所產生的振動、沖擊、傾斜等現象，均有可能對電氣設備的運行可靠性帶來影響，如電氣設備絕緣體老化、開關接觸不良或者誤觸報警等故障問題。

2 船舶電力系統的組成及設計內容

2.1 船舶電力系統組成

在船舶電力系統的組成結構中，一般分為電源裝置、配電裝置、船舶電力網以及負載裝置等4 個部分[2]。

2.1.1 電源裝置

在船舶電力系統中，電源裝置指的是發電機裝置，一般以發電機組、蓄電池組比較常見。一般可以結合船舶功能需求狀況的差異，對電源裝置設計內容提出一定的要求，比如可以結合電源裝置數量與容量、所在位置的差異，對電源裝置的設計提出相關要求。尤其在大型船舶電力系統中，其中的電源裝置普遍被安裝于機艙內部當中，等同于發電站。船舶電力系統的電源裝置除發電機組與蓄電池，還包括配電板、輔助電源裝置。

2.1.2 配電裝置

配電裝置的應用目的是為了滿足船舶電力的合理配電需求，一般會有多種類型的配電裝置設備，在設計工作中應當結合船舶負載需求容量的實際狀況，提高設計工作的合理性與科學性，而在部分配電裝置中，可在應急狀況下提供二次電源功能。

2.1.3 船舶電力網

船舶電力網指的是對船舶所有供電設備所用到的電纜、電線共同組合而成而饋電系統，其目的是為了使電源電能得以順利傳輸至船舶內部的所有用電設備當中。就目前的船舶電力網來看，需求場景的不同，在電力網選擇中具有不同的選擇，比如應急電網、低壓電網、動力電網、弱電電網、照明電網等。

2.1.4 負載裝置

負載裝置指的是所存在的用電設備，這些用電設備可以將電能得以轉化為各種熱能、光能或者機械能等能量，如在船舶電力系統中的照明設備、電動機設備、電爐或加熱器、通導設備等。在負載裝置設計過程中，需要做好對用電設備的保護設計工作，能夠充分考慮電力系統運行過程中的系統協調性以及整體功能保護需求，促進電力系統負荷水平得到進一步提升，對電力系統運行穩定性具有極其重要的意義，可以有效延長電力系統的使用壽命[3]。

2.2 船舶電力系統設計內容

在船舶電力系統設計過程中，需要結合設計任務書、明確船舶總體設計意圖，在遵循相應的設計標準基礎上，合理制定船舶電力系統的功能要求，并且選擇相應的設計方案與規范設備選型工作。因此在船舶電力系統設計內容中，可以分為如下3 個部分內容。

2.2.1 設計過程

在初步設計期間，需要及時計算電力系統的總負荷大小，了解電力系統的負荷需求狀況以及運行功能信息，以便于合理選擇相應的電力設備、總體電網等。而技術設計指的是在完成初步設計之后進一步充實、完善技術設計內容，以便于合理解決船舶電力系統設計細節問題，如優化電力系統與電網協調性設計問題等。最后在施工設計當中，通過在船舶建造階段的設計工作，提高船舶建造質量、加強對生產環節的細節內容繪制設計工作，在確定施工設備與材料型號、材質等內容基礎上，保障船舶整體設計質量的有效提升。

2.2.2 設計任務

船舶電力系統設計任務一般分為多種內容：①在配電系統中的電壓頻率設計內容；②在電源裝置上的設計內容，比如所選擇電源裝置設備的數量、質量以及要求等；③在船舶配電板、蓄電池充放電以及開關等方面的設計內容；④在船舶供配電系統的設計內容中，如對電力設備、電纜的布置工作；⑤在電力系統的保護設計當中，通過對發電機、電動機、電力照明系統變壓器的保護設計，以提高保護設計效果。

2.2.3 設計步驟

在船舶電力系統的設計工作中，需要確定基本的設計要求，在了解設計任務與設計參數基礎上，提高船舶電力系統的整體設計規范性。同時還要及時計算出船舶對電力系統的負載量要求，以便于合理確定電力系統設計中的電源裝置設計、配電裝置設計容量等。在實際設計工作中發現，船舶電力系統往往比較復雜，對變壓器數量與供電分級具有一定的要求，因此在結合不同需求基礎上，合理確定用電設備數量以及容量。另外還要做好對船舶電力系統的應急需求分析工作，掌握其中的臨時照明系統、無線電設備的實際負荷量，并確定蓄電池組的充放電形式、電池容量大小等。最后加強對電力電網控制線路的設計工作，計算船舶電力系統的負載量，確定瞬態電壓降能否滿足電源裝置要求以及配電裝置需求等內容，在保障負荷規范要求基礎上，將電力系統布置圖在設計完畢后及時編制至船舶電力系統的設計說明書以及試車大綱當中。

3 船舶電力系統的設計實踐研究

3.1 船舶電站設計

在整個船舶電力系統中，船舶電站可以說是其中的關鍵部分，對合理配置主電源具有十分重要的意義，屬于整體船舶電站設計的重要環節。在規范設計要求中明確規定，船舶電站必須要設計兩套動力源，一套動力源用于帶動主機運作，船舶在安全航行過程中所用到的助航設備、照明裝置以及通訊設備等，可以應用蓄電池供電以提供動力源。此外由于船舶重量設計具有較為嚴格的要求，因此在電站設計過程中，原動機驅動交流發電機可以在發電機中體現出應有的主電源功能，在船舶輔機設備、航行設備以及其他設備的正常供電。另外在蓄電池機組設計當中，一般以兩組蓄電池機組為宜，用于應急電源之用，方便在助航設備、照明設備以及通導設備方面的供電需求，可以有效減少船舶重量[4]。

3.2 配電系統設計

在船舶電力系統的配電系統設計過程中，一般以交流三相配電系統為主，交流三相一般分為三種配電系統。

3.2.1 三線絕緣系統

該系統的主要特點在于，在變壓器的作用下，照明系統和動力系統相互連接。因此該系統之間僅有磁聯系關系，并不存在電氣聯系，所以之間的影響作用比較小，如果某一相對船體出現短路事故，也不會出現單相短路電流，因此在電力系統出現單相接地故障的情況下，也不會中斷供電的連續性與可靠性，因此在現如今的船舶配電系統設計中多以三相絕緣系統為主。

3.2.2 中性點接地四線系統

這類系統的照明系統和電力系統盡管由同一電源提供電能，但是電壓大小并不同，也不需要裝置變壓器，可以有效減少系統凈重量，具有維護便捷、操作方便的優勢，但是問題在于，如果需要一相接地，應及時切斷電源，因此很難保證在實際供電過程中的連續性與可靠性。

3.2.3 以船體為中性線回路的三線系統

這種系統一般將船體鐵作為回路回線，可以減少大量的電纜使用量，有效控制成本支出費用。然而一旦導線絕緣體出現損壞事故，則很有可能出現電流外漏事件，從而引發電源短路現象，這類系統在現階段的船舶配電系統設計應用過程中十分少。

在上述的3 種配電系統當中，盡管三相絕緣系統可以有效提高供電穩定性與可靠性，然而在多數船舶中對重量控制具有嚴格的要求，三相絕緣系統往往需要應用到變壓器設備，因此一般多以選擇中性點接地四線系統。

3.3 配電裝置設計

配電裝置一般由主開關、變壓器、指示儀表以及保護電器裝置所組合而成，在接收電能、分配電能以及控制電能方面具有十分重要的功能作用。對于船舶電力系統的配電裝置設計工作而言，在實際設計過程中，要確保主電路在系統運行過程中能夠正常連接、斷開，一旦系統出現故障現象，保護裝置可以及時進行工作、切斷相應的故障元件線路，并發出警報信號，同時可以有效測量各類電氣參數指標，掌握電路狀態、開關狀態，在系統偏離正常工作狀態的情況下，也可以及時發出相應的信號指示燈。對于船舶配電裝置設計而言，可以結合安裝場景的區別，使實際防護等級和安裝方式選擇變得更具合理性，以便于提高配電裝置設計規范性質量。

3.4 船舶電網設計

在船舶電網設計過程中，主配電板和直接供電設備、分配電板之間的連接方式，即電網設計的重點內容，在連接方式選擇過程中可以分為如下3 種。

3.4.1 饋線式

常用的大功率、重點用電設備由主配電板進行供電，而其余用電設備由所分配的電板進行供電，即饋線式供電電纜連接方式，可以有效提高對各類用電設備的集中控制效果，各個系統之間具有較強的獨立性與可靠性，然而實際饋線電纜數量相對比較多，一旦某一用電設備出現故障現象，均有可能影響主配電板，甚至對電力系統供電可靠性帶來一定的干擾作用。

3.4.2 干線式

將全部用電設備以主配電板在若干條干線的經分配電板進行供電，這類電網設計相對比較簡單，對電纜數量要求比較小，然而很難集中控制全部用電設備，因此一旦某一用電設備產生故障現象，則很有可能導致全部干線設備無法正常工作，所以其可靠性難以得到有效保障。

3.4.3 混合式

在功率大、重要的負載裝置中采用饋線式，而對于那些小型、功率小的負載裝置以干線式為主，其優勢在于某一局部線路出現故障，很難對整個電力系統產生負面影響，而提高配置合理性，可以有效保障供電可靠性與穩定性。因此混合式電網設計在船舶電力系統中十分常見。

3.5 船舶電力系統保護設計

在針對船舶電力系統的保護設計過程中，其重點內容一般分為短路保護與協調性保護等兩部分。在短路保護工作中，選擇性保護設計比較常見，尤其在主發電機保護設計中，一般以一級保護為主，故障延遲時間一般在6s 以內。而我國在船舶設計規范要求中明確規定，對于船舶交流發電機的穩點電流值，普遍為穩定電流的3 倍之上，而在短路延遲保護誤差范圍中，一般以15%內比較常見，在下一級電源裝置的保護設計工作中，確保與發電機保護設計保持應有的設計協調性，能夠針對各級線路預留一定的短路選擇性保護，確保故障保護延遲時間以6s 內為宜。另外在配電網保護設計中，可以結合三級標準要求進行設計，將斷路器保護裝置設計于延時保護線路當中，將熔斷器保護裝置設計于照明系統末端區域，同時以塑料殼斷路器保護動力網絡，以提高電力系統保護設計質量[5]。

4 結語

綜上所述，隨著船舶電工領域的快速發展，船舶電力系統的自動化水平越來越高，而機電一體化設計使各個學科之間的界限變得越來越模糊，人工智能與模糊技術的應用使船舶電氣自動化水平得到了長遠發展局面，對整個航運業將會帶來重大的變革性影響，在此之間必須及時跟進行業技術領域的前沿動態信息，以促進我國船舶電站真正走向綜合自動化的高階段發展方向。