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第一章船舶电力系统本章主要内容：☆船舶电力系统的组成☆船舶电力系统的基本特征和船用条件☆船舶电力系统的基本参数☆船舶电站的主接线☆船舶电力系统的类型船舶犹如一个可移动的海上城市，它有许多设备都需要使用电能，因此在船上都配备有由发电、配电和用电所组成的独立系统——船舶电力系统。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越来越多的船用设备需要用电能来驱动和控制，船舶电力系统亦日趋复杂庞大。众所周知，电能是船舶航行和作业昀主要的能量来源。电能既易于由其它形式的能量转换而来；又易于转换为其它形式的能量，电能的输送和分配既简单经济，又便于调节、控制和测量，并有利于实现生产过程自动化。信息技术和其他高新技术都是建立在电能应用基础之上的。因此电能在现代船舶中应用极为广泛。电能是船舶运行和生产的主要能源和动力，但它在运营成本中所占的比重却很小。更重要的是实现电气化后，可以大大改善船舶性能、提高运行质量、并有利于实现全船的自动化。另一方面，如果供电中断，则对船舶运行和生产会造成严重的后果，例如对供电可靠性要求很高的舵机设备，即使是短时的停电，也会引起重大损失，甚至可能发生灾难性的船毁人亡事故。因此，船舶电力系统对于船舶运行和安全具有十分重要的意义。船舶电力系统要切实保证全船的生产和生活用电的需要，必须达到下列基本要求：(1)安全在电能的发送、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。(2)可靠应满足电能用户对供电可靠性即连续供电的要求。(3)优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。(4)经济电力系统的投资要省、运行费用低，并尽可能地节约电能。因此，确保船舶电力系统安全、可靠、优质和经济地运行是船舶建造和运营的一项昀基本任务。第一节船舶电力系统的组成船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和电力负载组成。船舶电力系统简图如图1-1所示。图1-1船舶电力系统简图G-主发电机；EG-应急发电机；ACB-发电机主开关；EACB-应急发电机主开关；MSB-主配电板；ESB-应急配电板；MCB-配电开关；M-电动机；DSB-分配电板；RSB-无线电分配电板；EMCB-应急配电开关；ISB-隔离开关；ISB-照明配电板；EISB-应急照明配电板；IDSB-照明分配电板；EDSB-应急分配电板；Tr-照明变压器；ETr-应急照明变压器图1-1反映了船舶电力系统的电源、配电装置、电力网和负载之间的关系，其各功用如下：1、电源电源是将其它形式的能源（如机械能、化学能等）转变成电能的装置。船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源，应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小应急电源。主发电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。直流船舶电力系统采用直流发电机组，交流船舶电力系统采用交流发电机组。发电机是由原动机带动的，原动机的类型可分为蒸汽机、柴油机、汽轮机和燃气轮机等。由于柴油机热效率较高、起动快、机动性好，因此在民用船舶上主发电机和应急发电机的原动机多采用柴油机。如果船舶主机为汽轮机，其发电机的原动机一般采用汽轮机，汽轮机需要有配套的燃煤或燃油的蒸汽锅炉装置；核动力船舶(如有些破冰船和军用舰船)则为原子能锅炉；有些船舶为达到节能的目的，充分利用船舶主机10％～15％的功率储备裕量和主机排出废气的热能，因而出现了用轴带发电机和主机废气透平发电机作为船舶电源。2、配电装置配电装置是接受和分配电能的装置，也是对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。它包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、按钮、控制和转换开关、自动化设备及各种附属设施等。根据供电范围和对象的不同，配电装置可分为主（总）配电板、应急配电板、分配电板（箱）、充放电板和岸电箱等。3、船舶电力网船舶电力网是全船电缆电线的总称。船舶电网是联系发电机、主(应)配电板、区域配电板、分配电板和负载的中间环节，是将电源的电能输送到负载的网络。船舶电力网按其所联接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。4、电力负载电力负载又称电力负荷，指耗用电能的各种用电设备，它是将电能转换成其他形式能量的用电设备。船上的用电设备形式很多，主要有动力负载(各种电力拖动机械)、照明负载、通讯导航设备等，舰艇还有特殊的武器装备负载。动力负载往往占总用电量的70％左右，对于船舶电力负载大体可分为如下几类：⑴船舶各种机械设备的电力拖动甲板机械——舵机，锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车、吊艇机等。舱室机械——各类油泵、水泵、空压机、冷冻机、通风机、空调设备等。电力推进船舶或特种工程船舶所用的推进电动机及电力生产机械等。⑵船舶照明工作场所和生活舱室安装的各种电气照明灯具及各种航行灯和信号灯。⑶通导设备包括船舶通信和电航设备。船舶通信设备有无线电收发报机、电话、广播、声光报警装置和电车钟等；电航设备有陀螺罗经、雷达、罗兰、无线电测向仪、测深仪和计程仪等。⑷生活及其它用电设施如电热器、洗衣机、电视机和影碟机等家用电器。第二节船舶电力系统的特征及基本要求一、船舶电力系统的特征由于船舶是一个活动于水面上的独立体，因此船舶电力系统与陆地电力系统相比有很大差异，主要有以下几个方面：1.船舶电站容量较小陆地电网容量一般在几百万至几千万千瓦，单机容量大多在数十万千瓦，如三峡水电站总装机容量7700000kW、单机容量为700000kW，且各电厂联网运行，陆地电源可以认为是无限电源系统。而一般较大的远洋船舶主电站通常装3台发电机组，单机容量约为400～1000kW，可见船舶电源远远小于陆地电源。因此，船舶电源容量较小，只能视为有限电源系统。由于船舶电站容量较小，而某些设备的单机容量却很大，其负载容量可与发电机容量相比，所以当这些负载起动时，对船舶电网将造成很大的冲击(电压、频率跌落均很大)，此外，局部故障或误操作都容易导致全船断电，威胁船舶安全。因此对于船舶电力系统的稳定性和可靠性要求较高，如船用发电机调压器的动态特性指标比陆地发电机要高，还要有的强行励磁能力，发电机要有较强的过载能力等。另外，由于船舶工况变动频繁，对自动控制装置的性能也提出了较高的要求。由于船舶电力系统相对独立、且容量小，因此船舶发电机组的电压或频率调节相对较难，调整发电机的电压或原动机的转速，将直接影响电网的电压和频率波动。不同于陆地的无穷大电网，调节一台发电机组的电压或频率，无法左右全电网的电压或频率，只能以改变自身有功或无功功率的承担来取得平衡。船舶电力系统容量虽小，但可靠性要求较高。通常船舶只有一个电站工作，任何断电事故都将危及船舶航行的安全。在无人值守的情况下，要求在未酿成断电事故之前应有完善的防范措施，当出现有导致全船断电的趋势时，备用机组就要自动投入运行，替换故障机组，以保持供电的连续性。即使出现断电现象，也要保证断电时间昀短，尽快恢复供电。2．船舶电网线路短与陆地数千公里高压输电网络相比，船舶电网线路显得较短，船舶电网往往不需要采用高压输电，因此电能损失较小。大多数船舶发电机端电压、电网电压、负荷电压是同一个电压等级(500V以下)，所以配电装置较陆地电力系统简单。由于船舶空间有限，电气设备比较集中，电网长度不长(一般不超过200m)，且都采用电缆。所以对发电机组和电网的保护比陆地系统要简单，但在保护配合方面却要求较高。3．船舶电气设备工作环境恶劣船舶电气设备工作条件比陆地恶劣，环境对电气设备的性能和工作寿命有严重影响。当环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘加速老化；相对湿度高则会使电气设备绝缘受潮、膨胀、分层及变形等，导致绝缘性能降低，使金属部件加速腐蚀；空气中存在的盐雾、油雾、霉菌的生长及灰尘粘结都可能使电气设备绝缘下降，影响其工作性能；船舶运营中常常受到严重的冲击、振动、倾斜和摇摆，会造成电气设备损坏，接触不良或误动作。因此，船用电气设备必须满足“船用条件”的要求。二、电气设备的船用条件及基本要求船舶的工作环境恶劣，是一般陆用电气设备难以承受的。因此，船上的电气设备必须符合船用环境条件的使用要求。1．适应振动和冲击的条件要求电气设备应能承受船舶正常运营所产生的振动和冲击。由于振动可使电气设备的固定或连接部件松脱，使部件结构损坏或失灵，因此这些部件要有防松脱的措施。对受振动影响较大的设备应有减振或隔振措施，并且具有坚固的耐振动和抗冲击的机械结构。2．适应倾斜和摇摆的条件要求船用电气设备在表1-1所列的条件下能有效的工作。持续的倾斜和摇摆，破坏了电器部件的受力平衡，导致设备损坏或故障。例如，电机转子对轴承产生轴向推力或出现轴锤现象，使轴承不能正常润滑而损害；接触器的衔铁不能正常动作等。因此要求船用电气设备在结构、技术条件和安装方式上要能适应这些条件。例如：电机轴端间隙要小，采用轴向直立安装或沿船舶纵向卧式安装等；接触器要有足够的电磁吸力和弹簧释放力等。表1-1倾斜摇摆角度倾斜角(°)设备组件横向纵向纵倾横摇横倾纵摇应急电气设备、开关设备，电器及电子设备22.522.51010上列以外的设备、组件1622.557.5注：①可能同时发生横向和艏艉向倾斜；②装运液化气体和化学品的船舶，其应急电源还应在船舶进水以致于昀终横倾达30°的极限状态下能保持供电。3．适应环境温度条件船舶环境温度一般为-25℃～+45℃，锅炉舱的电气设备规定为50℃。环境温度对电气设备性能和使用寿命有直接影响。船用电气设备应能在表1-2所列的初级冷却海水温度和标准环境温度下正常工作。表1-2环境温度温度(℃)介质部位无限航区除热带外的有限航区封闭处所内0～450～40温度超过45℃和低于0℃的处所按该处所温度按该处所量度空气开敞甲板-25～45-25～40水32254．耐受潮湿、盐雾、油雾和霉菌的环境条件相对湿度一般为95％并有凝露，盐雾、油雾和霉菌也较严重，在2～3周内就能使绝缘体长毛、膨胀，使金属部件生锈腐蚀，导致电气设备绝缘材料的绝缘性能下降。因为潮湿和盐雾在绝缘材料表面形成漏电薄膜，在湿热条件下霉菌分泌有机酸，加剧了表面的潮湿性。油雾和灰尘粘附于表面也增加了表面的漏电，而且阻碍散热使温升增高，潮湿的水分子渗人绝缘材料的裂缝和毛细孔中，使漏电流增大导致绝缘电阻的下降。在特殊的情况下，如果某些设备没有专门的船用电气产品，则可考虑采用经三防(防湿热、防盐雾、防霉菌)处理过的陆用产品代替，但需征得有关船级社的认可。5．适应船舶电网电压和频率的波动船舶电力系统是一个独立的有限电网，电压和频率均受负载变化影响，特别是频率的变化与陆地差别较大。电能质量包括电压、频率和交流电压的波形三项内容，因此要求：⑴船用电气设备应在表1-3所规定的电压、频率的变化范围内能有效的工作。表1-3压和频率波动瞬态设备参数稳态(%)恢复时间(s)电压+6～-10201.5一般设备频率±5±105由蓄电池或半导体变流器供电的设备充电期间接于蓄电池者充电期间不接于蓄电池者电压+30～-20+20～-25--⑵交流电气设备应能在供电电源的谐波成分不大于5％的情况下正常工作。由半导体变流器供电者，应能在出现较大谐波成分时，正常工作。6．满足防护要求为了避免电气设备受到外部固体和液体异物的侵入而发生故障或损坏，为避免人身遭受触电和机械伤害，一般电气设备都应有防护壳罩。由于一些舱室机器密布，空间狭小低矮，存在着设备或人员遭受各种侵害的复杂环境。因此船用电气设备的防护等级类型也比较复杂多样。我国电气设备的防护等级采用国际电工委员会(IEC)推荐的国际防护IP等级标准。防护标志IP后面第一位数字表示防护固体异物侵入的等级，第二位数字表示防水液侵入的等级，两位数字的意义见表1-4。表1-4电气设备外壳的IP防护等级IP等级简要说明定义0无防护没有专门防护1防50mm的固体人体大面积部分如手(对有意识接触无防护)，直径50mm的固体2防12mm的固体手指或类似物，长度不超过80mm，直径超过12mm的固体3防2.5mm的固体直径或厚度大于2.5mm的工具、电线等，直径2.5mm的固体4防1.0mm的固体直径大于1mm的