船舶电站及自动化

船舶电站及自动化一、电力系统的组成1.船舶电力系统主要是由电源、配电系统、配电装置、电网与负载四部分组成，其单线图如图1-1所示。MCCB1MCCB2ACB1MCCB3G1MSBM1M1MCCB4MCCB5MCCB6ACB2G2ACB3G3ISW1ISW2MCCB10380V/220VISBIDSBDSBMCCB7DSBMCCB8MCCB9M3M4RSBEDSBMCCBEACBEEG380V/220VESBEISBETrTr图1-1船舶电力系统简图G1、2、3-主发电机；EG-应急发电机；ACB-发电机主开关；ACBE-应急发电机主开关；MSB-主配电板；ESB-应急配电板；MCCB1-10-配电开关；DSB-分配电板；RSB-无线电分配电板；MCCBE-应急配电开关；MCCB1-2-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。电源：船上常用的电源装置是柴油发电机组和蓄电池。配电装置：配电装置是电源和负荷进行分配、监控、测量、保护、转换、控制的装置。配电装置主要可分为主配电板、应急配电板、分配电板（动力、照明）、充放电板等。电网：电网是全船电缆电线的总称。船舶电网根据其连接的负荷性质可分为动力电网、照明电网、应急电网、低压电网、弱电电网等。二、电力系统的特点及对其基本要求1.船舶电站容量较小陆上电网容量一般在几百万~几千万千瓦，单机容量大多在数十万千瓦；一般远洋船舶主电站大多装三台发电机组，发电机容量为400~800KW。船用发电机调压器、原动机调速器的动态特性与陆上发电机组相比具有较高的指标要求。有强行励磁能力，发电机组应能承受较大的过载能力。另外，由于船舶工矿变动也较频繁，因此对自动控制装置的可靠性也提出了较高的要求。2.船舶电网输电线路短船舶发电机端电压、电网电压、负荷电压大多是同一电压等级，所以输配电装置较陆上系统简单。因为船舶容积限制，电气比较集中，电网长度不长并都采用电缆，所以对发电机和电网的保护比陆上系统要简单，一般只设置有发电机过载及外部短路的保护，电网的保护和发电机的保护通常共用一套装置。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得多，环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有严重影响。当环境温度提高时，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、发胀、分层及变形等，使绝缘性能降低，并且会使金属部件加速腐蚀、镀层剥落。盐雾的存在、霉菌的生长和油雾及灰尘粘结都能使电气设备绝缘下降、工作性能受到影响。当船舶受到严重的冲击和振动时，也会造成电气设备损坏、接触不良或误动作。由此可见，船用电气设备必须满足“船用条件”的要求。三、船舶电力系统的基本参数船舶电力系统的基本参数是指电流种类（电制）、额定电压和额定频率的等级。它们决定了电站工作的可靠性和电气设备的重量、尺寸、价格等。1.电制的选择20世纪50年代以前所建造的船舶，绝大部分是直流船，而后随着科学技术的发展，在60年代以后建造的船舶主要是交流船，70年代后除特种工程船舶外，几乎都采用交流电力系统。交流船舶的电气设备在维护、保养等方面工作量比直流船要少的多，且交流电机结构简单、体积小、重量轻、运行可靠、其相应控制设备也简单。交流船舶又分成单相交流电、三相三线绝缘系统与三相四线系统等几种形式。当采用三相三线绝缘系统时，照明网路与动力网路没有电的直接联系，因此对地绝缘电阻低的照明网络基本上不影响动力网络。采用交流电制后，船舶的造价和维修费用也有明显的降低。、2.额定电压的选择由于船舶电站容量的增加，在一些大型船舶、工程船舶及舰船上电站容量已达数万千瓦，这时仍采用低压系统标准显然已不合理，因此这类船舶大多采用陆上相应的3300V或6600V中压等级标准。目前运行中的或正在建造中的远洋船舶主电站动力电网额定电压不是采用380V就是采用440V的标准，照明电网额定电压不是采用220V就是采用110V（100V）的标准，临时应急照明电网与弱电电网一般采用24V的标准。3．额定频率的选择交流船舶电力系统的额定频率菌选用陆上的标准等级，有50HZ与60HZ两种标准，通讯导航设备除外。提高频率在一定范围内可提高自动化系统动作的快速性，可减少电机、变压器、换能器、自动化元件的重量和尺寸，但对电缆以及电力系统中其他元件却有相反作用。、频率的提高还存在有诸如与之相配套的中频电机、电器和仪表、需要制造高速机械装置和高速轴承与电机配套、频率提高导致交流阻抗增大，损耗也就增大。另外由于高速运行，机械噪声也就较大。四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择正确合理计算船舶电站容量不仅设计人员要掌握，对于运行管理人员来说也很重要。它可以帮助机舱管理人员正确深入了解船舶电站的特点，根据船舶运行工况的不同，相应改变电力系统的运行方式，充分发挥电站的功能，使电力系统更安全、更可靠、更经济地运行。船舶电站容量计算的方法主要有昼夜航行图表法和负荷系数法。昼夜航行图表法一般用于小船或电动辅机不多的船舶；用得最多的负荷系数法，负荷系数法又分为需要系数法和三类负荷法，海上运输船舶一般均采用三类负荷法来确定电站的容量。此外还有采用线性回归方法得到回归方程来确定船舶电站容量的估算方法。通常船舶在每一工况下其负荷的变化相对不太大，所以不论用什么方法来计算电站的容量，均按照船舶不同的工况分别进行计算各自的用电量，然后依次来确定发电机的容量及台数。1.船舶运行状态及用电设备的分类船舶运行工况一般可分为：航行工况、进出港工况（狭窄航道航行工况）、停泊工况、装卸货作业工况及应急工况。研究船舶各种运行工况的目的是要找出船舶的最大用电量、最小用电量和经常用电量，从中找出用电规律。在按船舶运行工况进行计算时，为方便起见通常还将全船负荷按用途和系统进行分类。用电设备可分成：动力装置用辅机：为船舶主机、副机、锅炉服务的辅机，如海水泵、淡水泵、滑油泵、燃油泵、分油泵、空压机、锅炉给水泵等。甲板机械：如起货机、锚机、绞缆机、舵机等。舱室辅机：如消防泵、压载泵、舱底泵、生活用水泵等。冷藏通风机械：冰机、空调、通风机等。机修机械：如机床、钻床、电焊机等。照明及生活用电设备：如各类照明灯具、电灶、电热器具、风扇等。无线电通信、导航设备等。其他设备：如侧退器等。2.电站容量的确定于发电机组台数的选择电站容量的确定于发电机组台数的选择一般应从下面几个方面来考虑：（1）满足船舶在各项运行工况下用电量的需求；（2）每台发电机组的最高负荷为80%~85%左右（柴油机发电机组）；（3）必须设有备用发电机组，其容量应在其中最大容量发电机组损坏时仍能满足航行和应急状态时的用电需求；（4）一般应选用同容量同型号的发电机组，这样并联运行稳定，可互为备用，管理、维修、保养方便；（5）使用发电机组台数应尽可能少些，但也不能太少而使发电机长期轻载运行不经济，一般选用3台发电机组。3.三类负荷法（1）负荷分类计算全船负荷时，可将负荷按使用情况分为三类：1）第Ⅰ类负荷：连续使用的负荷；2）第Ⅱ类负荷：短时或重复短时使用的负荷；3）第Ⅲ类负荷：偶然短时使用的负荷或按操作规程可在电站高峰负荷时间以外使用的负荷。4）三类负荷法的分法与船舶运行工况有关。如作为按短时工作制设计制造的锚机、绞缆机电动机，由于在进出港靠离码头工况中是连续使用的，因此算作第Ⅰ类负荷；同样消防泵平时大多作为冲洗甲板是属于偶然使用的设备，但在船舶着火应急工况中是连续使用的，所以算作第Ⅰ类负荷。（2）负荷的计算现代船舶大部分电能为电动机所消耗，因此在计算全船电力负荷时，电动机负荷不能简单地把电动机的额定功率加起来。1）电动机利用系数K1电动机有额定功率，电动拖动的机械设备也有额定功率，电动机与机械设备功率匹配不是1:1，通常电动机的功率应略大于机械设备的功率而留有一定的功率储备，因此电动机的利用系数211pkp（1-1）式中：1p-电动机额定功率；2p-机械设备的额定功率。2）机械负荷系数2k每一台辅机大多不是在满负荷下运行的，因此实际使用功率3p是小于额定功率2p的，所以机械负荷系数322pkp（1-2）一般机械的轴功率可由产品样本查得，机械负荷系数可根据轮机专业或舾装专业提供的设备实际使用数据来确定。3）机械负荷系数3k33121pkkkp（1-3）4）电动机以额定功率运行时从电网吸收的功率4p14npp（1-4）式中：n-电动机在额定功率时的效率。5）电动机实际消耗的功率5p3153pppk（1-5）式中：-电动机相当于3p功率时的效率。交流鼠笼式电动机在低负荷时效率较差，可从电机生产厂家提供的电动机特性曲线上查得。6）同一类负荷有n台机组时，所需电网供给有功功率6p65ppn（1-6）7）同组用电设备所需电网供给有功功率0p0601201/ppknkkkp（1-7）式中：0k-同组设备同时使用系数，0/kmn；m-该组同时工作的用电设备项目。8）无功功率0Q的计算对于交流电动机，计算出0p后还应求出无功功率0Q00tanQp（1-8）式中：-电动机的实际功率因数角。由于异步电动机的功率因数随电动机的负荷降低而显著下跌，因此3p时的cos亦需从电动机的特性曲线上查出。9）各组设备间总同时工作系数00kkⅠⅡ、对第Ⅰ类负荷，考虑到个辅机和用电设备最大负荷的不同时性，同时系数0kⅠ通常可选0.8-0.9。对第Ⅱ类负荷，可按该负荷平均使用时间与工作周期之比来估算0kⅡ用电设备在一个工作周期内的平均工作时间用电设备一个工作周期一般同时工作系数00.3kⅡ在左右。10）计入电网损耗5%。11）某状态下需发电机供给的总功率总有功功率00()1.05pkpkpⅠⅠⅡⅡ总有无功率00Q(QQ)1.05kkⅠⅠⅡⅡ式中：ppⅠⅡ、-该状态下第Ⅰ和第Ⅱ类负荷的总有功功率；QQⅠⅡ、-该状态下第Ⅰ和第Ⅱ类负荷的总无功功率；12）该状态下平均功率因数costan/BQparctan/BQp13）第Ⅲ类负荷计算时可不计，但应注意高峰负荷时可能该状态下短时需要的最大负荷max/pppⅢ式中：pⅢ-该状态下第Ⅲ类负荷的总有功功率。（3）负荷表的编制编制负荷表的步骤如下：1）根据轮机、舾装等专业提供的数据选择电动机和电气设备，并计算各电动机和电气设备的额定所需功率;2）根据船舶类型选择所需计算工况，确定各工况下所需使用的电动机、电气设备和使用情况、并进行分类；3）确定负荷系数，并计算各用电设备的实际使用功率；4）计算每一工况下各类负荷的总功率；5）按其同时系数00kkⅠⅡ和并计及电网损耗5%，确定各状态所需电站功率；6）根据上述计算，选择发电机组的功率和数量，并核算各工况下发电机的负荷百分率，一般来说发电机应有10%～20%的储备功率，最后用maxp来校验发电机的过载能力是否满足。五、船舶电网1.船舶电网的线制1）对三相交流船舶而言，电网主要采用三相三线绝缘系统，此外还有中性点接地的三项四线系统与利用船体作中性点回路的三相三线系统，如图1-2所示。其中三相三线绝缘系统应用最为普遍。这种方式安全可靠，照明电网与动力电网间没有电的直接联系，互相影响小；电网对地绝缘好的时候，船员不小心碰到电网任一根线时，不至造成触电伤亡事故；发生单相接地时，并不形成短路，仍可维持电气设备的正常运行。2）三相四线系统，因不是绝缘系统，船员碰到任一根电网线时容易发生触电伤亡事故，当发生单相接地故障时形成短路故障，有可能会发生跳电事故，因而船舶较少采用。3）利用船体作中性线回路的三相三线系统，因船体流过较大电流，易发生人员触电伤亡事故，是一个及不安全的系统，因此需船级社认可后方能建造。船舶电网可分为供电网络与配电网络两种形式。a)三相三线绝缘系统MMb)三相四线绝缘系统MMc)利用船体作中性线回路的三相三线系统MM图1-2三相交流系统船舶电网线制2.船舶电网的供电网络供电网络是指主发电机与主配电板之间、应急发电机与应急配电板之间