第一章 船舶电力系统与配电装置

船舶电站及自动化蔡红辉湖北交通职业技术学院第一章船舶电力系统与配电装置第一节船舶电力系统基本知识•一、船舶电力系统的组成•一、船舶电力系统的组成第一节船舶电力系统基本知识电源∶电源是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。船上常用的电源装置是：柴油发电机组和蓄电池。配电装置∶配电装置是对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换、控制的装置。电网∶电网是联系发电机、主配电板、分配电板和负荷间的中间环节，是将电源的电能输送到负荷端的媒体。是全船电缆电线的总称。负载∶取用电能的装置或设备。如：电动机、电加热器、照明等。船舶电力系统主要由：电源、配电装置、电网、负载四部分组成。•二、船舶电力系统的特点及对其基本要求第一节船舶电力系统基本知识1.船舶电站容量较小对船舶电力系统的稳定性提出了较高的要求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输配电装置较陆上系统简单且覆盖范围小。可省掉一套对电网的过载、短路保护装置。3.船舶电气设备工作环境恶劣温度高（绝缘老化）、湿度大（绝缘性能下降）、海上盐雾（设备腐蚀）、冲击和振动（接触不良、误动作）需满足“船用条件”。•三、船舶电力系统的基本参数第一节船舶电力系统基本知识1.电制的选择2.额定电压的选择动力电网440V、380V照明电网220V、110V弱电电网24V3.额定频率的选择与陆上标准相同：50Hz、60Hz基本参数是指：电流种类（电制）、额定电压、额定频率等级。20世纪50年代以前采用直流电力系统；60年代以后主要是交流电力系统；70代以后主要是交流电力系统。交流电力系统：设备结构简单、体积小、重量轻、运行可靠、维护保养方便•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识掌握船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择能使管理人员深入了解电站特点、发挥电站功能，使电力系统更安全、可靠、经济运行。船舶电站容量的计算方法：昼夜航行图表法和负荷系数法。负荷系数法可分为：需要系数法和三类负荷法。海上运输船舶一般使用三类负荷法来确定电站的容量。发电机的容量和台数确定还与船舶运行工况有关。因为不同工况下用电量不同。•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识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5种：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。用电设备可分成：•动力装置用辅机（如：滑油泵、燃油泵、分油机、空压机等）•甲板机械（如：起货机、锚机、绞缆机、舵机等）•舱室辅机（如：消费泵、压载泵、舱底泵等）•冷藏通风机械（空调、冰机、通风机等）•机修机械（车床、钻床、电焊机等）•照明及生活用电设备（电炉、照明灯具、风扇等）•无线电通讯、导航设备（雷达、甚高频、单边带电台等）•其他设备（侧推器等）•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识2.电站容量的确定与发电机组台数的选择⑴.满足船舶在各项运行工况下用电量的需求⑵.每台发电机组的最高负荷为80～85%左右⑶.必须设有备用发电机组⑷.一般应选用同容量同型号的发电机组⑸.使用的发电机组台数应尽可能少些，一般选用三台发电机组•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识3.三类负荷法⑴.负荷分类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⑵.负荷的计算1）电动机利用系数K1K1=P2/P1P1:电机额定功率。P2:机械设备的额定功率。通常电机功率应略大于机械设备的功率，以保证有一定的功率储备。•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识2）机械负荷系数K2K2=P3/P23）电动机负荷系数K3K3=P3/P1=K1K24）电动机以额定功率运行时从电网吸收的功率P4P1ηnP4＝5）电动机实际消耗的功率P5P3ηP5＝P1η＝K3P3：机械设备实际使用功率；P2：机械设备额定功率。ηn：电机额定效率（电机实际效率）•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识6）同一类负荷有n台机组时，所需电网供给有功功率P6P6＝P5·n7）同组用电设备所需电网供给有功功率P0P0=P6·K0=nK1K2K0P1/η8）无功功率Q0的计算Q0＝P0tanφφ——电动机的实际功率因数角9）各组设备间总同时工作系数K0Ⅰ、K0Ⅱ对第Ⅰ类负荷，考虑到各辅机和用电设备最大负荷的不同时性，同时系数K0Ⅰ通常可选0.8～0.9K0:设备同时使用系数。•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识一般同时工作系数K0Ⅱ在0.3左右对第Ⅱ类负荷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PΣ=（K0ⅠPⅡ＋K0ⅡPⅡ）·1.05总无功功率QΣ=（K0ⅠQⅠ＋K0ⅡQⅡ）·1.0512）该状态下平均功率因数cosφtanφB＝QΣ/PΣφB＝tan–1QΣ/PΣ13）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Pmax=PΣ＋PⅢ•四、船舶电站容量的确定和发电机组台数的选择第一节船舶电力系统基本知识⑶.负荷表的编制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K0Ⅰ和K0Ⅱ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Pmax来校验发电机的过载能力是否满足•五、船舶电网第一节船舶电力系统基本知识1.船舶电网的线制•三相三线绝缘系统•三相四线系统•利用船体作中性线回路的三相三线系统2.船舶电网的供电网络a)三相三线绝缘系统MMb)三相四线系统MMMMc)利用船体作中性线回路的三相三线系统图1-2三相交流系统船舶电网线制G1G2MSBEGESB图1-3单主电站供电网络照明、动力隔离，相互影响小。安全可靠。应用普遍。船舶电网形式：供电网络、配电网络。容易发生触电事故，安全性差。船舶较少采用。易发生触电伤亡事故，极不安全。一般不允许建造。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、主配电板之间、主配电板与应急配电板之间的电气连接网络。•五、船舶电网第一节船舶电力系统基本知识3.船舶电网的配电网络⑴.船舶配电网络分类2）照明电网3）应急电网4）临时应急照明电网5）弱电电网•一次配电网络：主配电板与分配电板之间、主配电板和其直接供电负载之间的网络。•二次配电网络：分配电板到各用电负荷之间的网络。1）动力电网主配电板供电给照明变压器，经降压后回到主配电板中的照明屏。连接电机；大于600W电热器；1KW灯应急照明蓄电池供电的网络。向机舱自动控制化系统、无线电通信设备、导航仪器、内部通讯设备、报警系统供电的网络。应急发电机通过应急配电板向部分重要设备供电。配电网络：主配电板及应急配电板到负载之间的网络。•五、船舶电网第一节船舶电力系统基本知识3.船舶电网的配电网络⑵.船舶电网一次配电网络接线方式G1＋G2＋MMa)馈线式b)干线式图1-4一次配电网络结线方式示意图G1＋G2＋MM便于集中控制、可靠性高、但主配电板尺寸大、耗用电缆多，成本高。主配电板尺寸小、耗用电缆少，成本低。但供电可靠性差。小型船舶、照明电网大多采用干线式供电。海船的一次配电和二次配电网络的动力电网采用馈线式供电。馈线式：干线式：（放射式）•五、船舶电网第一节船舶电力系统基本知识4.船舶电网的保护⑴.船舶电网的过载保护指的是系统发生过载、短路时对电缆的保护。因此，船舶电网的过载保护一般无需单独设置保护装置。1、发电机与主配电板的供电网络，电缆按发电机容量选择，电缆过载即发电机过载，这段电网由发电机过载保护装置实现。2、各级配电板的电缆，是按总负荷和同时工作系数算得，个别负荷过载不会引起该电缆过载，故不设过载保护装置。3、用电设备到主（分）配电板间的电缆，按用电设备容量选取，电缆过载即用电设备过载，这段电网由用电设备过载保护装置实现保护。•五、船舶电网第一节船舶电力系统基本知识4.船舶电网的保护⑵.船舶电网的短路保护短路保护的选择性按时间原则整定，则应有t1t2t3按电流原则整定，则应有I1I2I3图1-5船舶电网短路保护示意图GACBt1,I1MCCBt2,I21MMCCBt2,I22MCCBt3,I31MCCBt3,I32MM是指只切除故障部分电路。选择性能得到保证。但可能损坏发电机，同时对电网和负载冲击较大。发电机和负载设有短路保护装置，故电网的短路保护也无需装设专门的保护装置。实际船舶电网中：负载端采用电流原则整定，发电机端采用时间、电流两者相结合的方法进行整定。即：当发生远离发电机处短路时，时间原则起主要保护作用；当发生发电机端短路时，电流原则起主要作用。并不总是可能获得选择性保护。•六、船舶配电装置第一节船舶电力系统基本知识1.船舶配电装置分类⑴.主配电板⑵.应急配电板⑶.充放电板⑷.岸电箱⑸.分配电箱控制和监视主发电机的工作，并对全船电网进行配电。控制和监视应急发电机的工作，并对应急电网进行配电。控制和监视充放电设备，并对低压电网进行配电。连接岸电网的装置。向成组的用电设备进行配电。配电装置：用来接受和分配电能的电气装置。包含开关电器、保护装置、自动化设备、测量仪表、母线等。•六、船舶配电装置第一节船舶电力系统基本知识2.船舶主配电板⑴.主配电板的功能1）根据需要接通或断开电路（手动或自动）。2）当电力系统发生故障时，保护装置能按要求动作，切除故障设备或网络，或发出报警信号。3）测量和显示运行中个各电气参数，如电压、电流、功率、功率因数等。4）能对电站的电压、频率，以及并联运行的各发电机组的有功、无功功率进行调整。5）能对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号显示。一般由：发电机控制屏、负载屏、并车屏、汇流排（母线）组成。2.船舶主配电板图片•六、船舶配电装置第一节船舶电力系统基本知识⑵.发电机控制屏⑶.负载屏⑷.并车屏⑸.汇流排CoscoAntwerp轮主配电板组成：测量仪表、指示灯、发电机主开关、发电机保护装置、调试开关、励磁装置等。组成：配电开关、熔断器、电流表、转换开关（岸电开关）等。组成：频率表、同步表、转换开关、调速开关（按钮）、合（分）闸按钮等。由铜质材料制作而成。最大允许温升为45度。交流汇流排颜色：第1相绿色，第2相黄色，第3相褐色或紫色，中性线为浅蓝色。⑵.发电机控制屏⑷.并车屏并车屏外观图：4个功率表2个频率表（母线；发电机）2个电压表（母线；发电机）1个LCD电子触摸屏1个同步表发电机选择；线电压选择；发电机合闸、跳闸转换开关；调速开关；遥控启动、停机转换开关；•六、船舶配电装置第一节船舶电力系统基本知识3.配电装置的维护与保养⑴.主配电板维护周期及技术要求⑵.运行中船舶主配电板的日常管理P111、表面2、主开关3、充磁装置日常管理主要有4条：P12•一、发电机的过载保护第二节发电机的保护整定在过电流10%至50%之间的过载保护必须以不超过2min的延时使发电机断路器脱扣船级社建议整定在发电机额定电流的125%～135%，延时15～30秒断路器分断。二、发电机的外部短路保护短路保护应整定在大于50%的过电流，但整定值应小于稳态短路电流；它必须具有一短暂延时以适应系统选择性保护要求船级社建议整定短路保护动作值为发电机额定电流的200%～250%，延时时间最长为0.6秒。（交流）•三、发电机的欠压保护第二节发电机的保护发电机电压下降至额定电压的70%～35%时，发电机断路器必须自动断开。欠电压保护装置必须有一与短路