船舶大功率負(fù)載起動方式選擇及應(yīng)用

中圖分類號：U662.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Selection and Application of Starting Methods for High-Power Loads in Ships

TANG Wenhe， TAN Ping， LIU Bing， LI Yi， ZHAO Binrui （Guangzhou Shipyard InternationalCompanyLimited，Guangzhou，China）

Abstract： The stability of ship power grids is a critical guarantee for safe ship operation. This paper systematicall analyzes the technical characteristics of starting methods for high-power loads，including direct starting，star-deltastarting，autotransformer starting，softstarting，andvariable frequency starting.Acomprehensive selectio method is proposed based on transient voltage drop verification，starting torque matching，and step-loading capability.Through a case studyofa specific ship type，the feasibilityoftheselected starting methods is validated， and a step-loading strategy for high-power loads across the entire ship is formulated.This research provides theoretical and practical references for ship power system design.

Key words： ship power grid; transient voltage drop; starting methods; step-loading

1 引言

船舶電站系統(tǒng)是船舶的“心臟”，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到全船設(shè)備的正常運行與航行安全。隨著船舶大型化與自動化水平的提升，大功率負(fù)載（如艙底總用泵、主滑油泵、海水冷卻泵等）的應(yīng)用日益廣泛，此類負(fù)載的起動電流可達(dá)額定電流的6＼～8倍，若未合理選擇起動方式，將導(dǎo)致發(fā)電機端電壓驟降、保護裝置誤動作等連鎖故障。因此，如何平衡起動電流抑制、起動轉(zhuǎn)矩需求及經(jīng)濟性，成為船舶電力系統(tǒng)設(shè)計的核心挑戰(zhàn)之一。本文結(jié)合工程實例，探討船舶大功率負(fù)載起動方式的選擇策略，以期為行業(yè)提供參考。

2 起動方式的重要性

船舶大功率負(fù)載主要是電動機，大功率電動機的起動會帶來較大的起動電流，從而對船舶電網(wǎng)帶來較大沖擊，可能會引起船舶電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓降超標(biāo)，過大的瞬態(tài)電壓降會導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，引起繼電保護裝置的誤動作，甚至可能會引起全船失電，給船舶的正常運營帶來安全隱患。因此，在進行全船電力系統(tǒng)設(shè)計時，需根據(jù)負(fù)載特性、電網(wǎng)容量及規(guī)范要求，對各類大功率負(fù)載選擇合適的起動方式，確保瞬態(tài)電壓降控制在安全范圍內(nèi)，避免因過大起動電流引起船舶運營的安全。

3 起動方式的分類

3.1直接起動

直接起動方式是最常用的起動方式，其起動方式簡單，起動器成本較低。直接起動方式可提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，但同時起動電流也最大，一般是額定電流的6＼～7倍，對電網(wǎng)沖擊影響顯著。一般情況下，主要是針對較小功率的電機。

3.2降壓起動

降壓起動方式主要分為星三角起動、自耦降壓起動、軟起動、變頻起動等類型。降壓起動方式可有效減小起動電流，減小大功率負(fù)載起動時對電網(wǎng)的沖擊；相應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩也會減小，需要校核起動轉(zhuǎn)矩是否滿足負(fù)載對起動轉(zhuǎn)矩的需求。

1）星三角起動（SD）

起動時電機繞組接成星型，運行時切換為三角形接法，其起動電流可降至直接起動的1/3，但起動轉(zhuǎn)矩也同步減小，需要校核負(fù)載轉(zhuǎn)矩需求。

2）自耦變壓器起動（ATR）

通過自耦變壓器抽頭（如 50% 、 65% 、 80% ）進行分壓起動，起動電流與起動電壓成比例降低，但體積較大，散熱要求高。

3）軟啟動（SOFT）

采用晶閘管調(diào)壓，實現(xiàn)電壓斜坡上升，平滑起動。起動電流精準(zhǔn)控制（可降至2＼～4倍額定電流），對電網(wǎng)沖擊較小，但成本相對較高。

4）變頻起動（VFD）

通過變頻器調(diào)節(jié)電源頻率與電壓，實現(xiàn)無極調(diào)速。此種方式起動電流較小，節(jié)能效果顯著，但成本較高，維護較復(fù)雜。

綜上，采用降壓起動方式的起動器成本都相對較高，成本從低到高依次為星三角起動－自耦降壓起動-軟起動－變頻起動。

4 起動方式選擇的因素

4.1瞬態(tài)電壓降的考核

船舶入級規(guī)范規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機突加負(fù)載導(dǎo)致發(fā)電機端電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85% ，即突加負(fù)載或起動大功率設(shè)備時，發(fā)電機瞬態(tài)電壓降不應(yīng)大于額定電壓的 15%^[1]

過大的電壓降會使得電流增大，引起電動機的發(fā)熱異常，同時也會使得電動機的轉(zhuǎn)矩下降，導(dǎo)致設(shè)備運行異常甚至停機；特別是過大的電壓降可能會使得電力系統(tǒng)的繼電保護裝置誤動作，比如欠壓脫扣，導(dǎo)致發(fā)電機的主斷路器保護功能異常，可能會引起全船失電，繼而會引發(fā)船舶運營的安全問題。

因此，大功率負(fù)載的起動方式的選擇，必須以規(guī)范要求的瞬態(tài)電壓降值作為基準(zhǔn)進行校核，在設(shè)計階段嚴(yán)格控制瞬態(tài)電壓降。

4.2起動轉(zhuǎn)矩的校核

理論情況下，為了確保船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性，希望大功率負(fù)載起動電流越小越好，采用降壓起動方式即是為了獲得更小的起動電流；但同時，較小的起動電壓也會使得起動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，一般地，起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。降壓起動方式的選擇，意味著減小了電動機的起動轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩的減小對電動機的起動影響很大。因此，選擇起動方式時，不能一味地要求降低電源電壓以獲得最小的起動電流，同時，也要考慮起動轉(zhuǎn)矩的校核，確保電動機能夠正常起動并運行。

5 起動方式選擇的應(yīng)用

以某型船主滑油泵的起動方式的選擇為例，詳細(xì)說明起動方式選擇的過程及注意事項。

主發(fā)電機組的參數(shù)如表1所示。

其中，主發(fā)電機組分級加載能力為 0-33%-67%- 100% 。

5.1瞬態(tài)電壓降計算

瞬態(tài)電壓降常用計算公式如下所示。

式中： Δu 為發(fā)電機瞬態(tài)電壓降， % ·X_d^′ 為發(fā)電機直軸瞬態(tài)電抗， % ; 為發(fā)電機直軸次瞬態(tài)電抗， % U_M 為電動機額定電壓，V； I_N 為發(fā)電機額定電流，A；U_?G 為發(fā)電機額定電壓，V; J_ST 為電動機直接起動電流，A;d 為降壓起動系數(shù)。一般的，直接起動時 d=1 ；星三角起動時， ；自耦降壓起動時， d 為變壓器抽頭比，通常為0.5，0.65，0.8等。

查閱設(shè)備資料，主滑油泵的參數(shù)如表2所示。

首先，計算在選擇直接起動方式的情況下，主滑油泵起動時發(fā)電機瞬態(tài)電壓降為 14.3% （見表3），已經(jīng)非常接近規(guī)范規(guī)定考核極限值 15% ，如繼續(xù)選擇使用直接起動方式，則很有可能在實際使用過程中因為船舶工況的差異，導(dǎo)致瞬態(tài)電壓降值超標(biāo)。因此，不能選擇直接起動方式。

其次，分別計算在星三角起動方式及自耦變壓起動方式情況下的瞬態(tài)電壓降，其計算值如表4所示。

從以上計算結(jié)果可以看出，采用星三角起動方式及自耦降壓起動方式的瞬態(tài)電壓降均小于 15% ，均能滿足規(guī)范的要求。從經(jīng)濟性角度考慮，在同等電動機功率的情況下，帶有自耦變壓器的起動器價格會高于星三角起動方式；從實際使用的角度，自耦變壓器所需的安裝空間更大，發(fā)熱量更大，維護的成本也更高。所以，初步選定星三角起動方式。

5.2電動機起動轉(zhuǎn)矩校核

因為起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，所以，當(dāng)采用降壓起動方式后，起動轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。比如，一般情況下電動機在額定電壓狀態(tài)下的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.2倍，當(dāng)采用降壓起動方式時，如電源電壓為額定電壓的 50% ，則起動轉(zhuǎn)矩為原起動轉(zhuǎn)矩的25% 。過低的起動轉(zhuǎn)矩可能無法使得電動機順利轉(zhuǎn)動及完成起動過程，因此在選定起動方式后，還應(yīng)對起動轉(zhuǎn)矩進行校核。

根據(jù)廠家提供的設(shè)備信息，主滑油泵的起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于 132N?m 。

電動機轉(zhuǎn)矩計算公式如下。

式中： T_N 為電動機的額定轉(zhuǎn)矩， N?μ_m ： P_N 為電動機的額定功率， kW ; n_N 為電動機的額定轉(zhuǎn)速， r/min 。

根據(jù)電動機的參數(shù)計算可得 T_N=689N?m ，采用星三角起動方式后的起動轉(zhuǎn)矩為 T_ST=d² ， T_N=229N?m_?

與該泵所需的最小起動轉(zhuǎn)矩對比，采用星三角起動后的起動轉(zhuǎn)矩能使得該泵正常起動，因此星三角起動方式的選擇是有效可用的。

5.3發(fā)電機分級加載校核

船舶電網(wǎng)發(fā)生失電故障并恢復(fù)供電后，需及時恢復(fù)船舶動力，確保船舶安全。因此，會出現(xiàn)多個重要設(shè)備在失電恢復(fù)后同時自動起動的情況，將會出現(xiàn)較大起動電流的情況，也將會引起發(fā)電機端電壓跌落的情況。因此，需要按照以上的步驟對全船大功率電動機進行逐個分析并選擇合適的起動方式，完成起動方式的選擇后還應(yīng)對發(fā)電機的分級加載能力進行校核。

根據(jù)設(shè)備的重要程度，將重要設(shè)備按組設(shè)定順序起動分級，計算每一級的起動電流、起動功率、瞬態(tài)電壓降，確保滿足規(guī)范要求，確保滿足發(fā)電機分級加載的能力。

在計算起動功率時，一般電動機負(fù)載的起動功率因素按照0.3，照明及其它負(fù)載按照0.8考慮進行計算。

該船順序起動分級如下：

第一級（0s后）：舵機，供油單元，通導(dǎo)設(shè)備，照明，自動化設(shè)備等；

第二級（10s后）：主滑油泵；

第三級（15s后）：主機缸套水冷卻泵，低溫淡水冷卻泵；

第四級（25s后）：主海水冷卻泵；

第五級（35s后）：機艙風(fēng)機。

規(guī)范規(guī)定，當(dāng)電壓跌落時，電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差 3% 額定電壓以內(nèi)所需的時間應(yīng)不超過 1.5s （應(yīng)急發(fā)電機電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差 4% 額定電壓以內(nèi)所需的時間可不超過 5s ）；當(dāng)加載負(fù)荷時，船舶電網(wǎng)的瞬時頻率變化應(yīng)不超過額定值的 ±10% 且穩(wěn)定時間不超過5s。綜合以上考量，順序起動分級之間的時間間隔一般選擇不小于 5s^[1] ，具體以項目實際設(shè)計需求為準(zhǔn)。

整理全船重要設(shè)備的參數(shù)并依據(jù)順序起動分級的設(shè)定，計算各級起動所引起的發(fā)電機端瞬態(tài)電壓降及起動功率負(fù)荷率（占比發(fā)電機組容量）如表5所示。

根據(jù)以上表格所計算的結(jié)果，每一順序起動分級所引起的發(fā)電機端瞬態(tài)電壓降均小于規(guī)范考核值15% ，同時，每一級的起動功率相對發(fā)電機組的負(fù)荷率亦是在發(fā)電機組分級加載能力（ 0-33%-67%- 100% ）范圍內(nèi)。由此可見，該船的大功率負(fù)載起動方式及順序起動分級的設(shè)定均是可行，滿足船舶正常運行的需求。

6 結(jié)語

船舶大功率負(fù)載起動方式的選擇是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容的重要組成部分，是保證單個設(shè)備正常工作的前提，亦是確保全船電網(wǎng)穩(wěn)定的重要內(nèi)容。因此，起動方式的選擇應(yīng)以合理的計算為基礎(chǔ)，同時，亦需從經(jīng)濟性、安裝可行性、維護方便性等多角度綜合考慮，選擇合適的類型，保證船舶運營安全。

參考文獻(xiàn)

[1]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2021.