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1、第十二章 船舶电力系统与配电装置名第十二章 船舶电力系统与配电装置第一节 船舶电力系统概述一、船舶电力系统的组成及特点图12-1-1 船舶电力系统简图1系统的组成船舶电力系统主要是由电源、配电装置、电网与负载四部分组成，如图12-1-1所示。船舶电站(Power Plant)的研究对象主要是其中前三个部分。电源(Power Source)：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(Distribution Equipment)：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。配电装置主要可分为主配电板、应急配电板、分配

2、电板(动力、照明)、充放电板等。电网(Power Network)：电网是全船电缆电线的总称。电网是联系在发电机、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介。负荷(Load)：船舶负荷大体可分成舱室机械、甲板机械、船舶照明、通导设备及其它用电设施。2系统的特点1）船舶电站系统独立，容量小。一般远洋船舶主电站大多装三台发电机组，发电机单机容量为400800KW。由于船舶电站容量较小，而某些大负载容量可与单台发电机容量相当，所以当这样的负载起动时对电网将造成很大的冲击（电压、频率跌落均很大），因而对船舶电力系统的稳定性提出了较高的要求，要求有较好的自动控制及保护系统。2

3、）船舶电网输电线路短，线路的阻抗较小，短路电流相应较大。但由于电网长度不大并都采用有保护的电缆，所以对电网的保护比陆上系统要简单，一般只设置发电机过载及外部短路的保护，而不单独另设电网的过载及短路保护。3）船舶电气设备工作环境恶劣，环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有严重影响。当环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘(Insulation)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(Corrosion)，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(Shoc

4、k & Vibration)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。二、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。1电制首先是船舶电源的直流与交流之分，因此相应有直流电力系统船舶与交流电力系统船舶，习惯上把它们称为直流(Direct Current，DC)船与交流(Alternating Current, AC)船。在二十世纪五十年代以前所建造的船舶，大部分是直流船，而在六十年代以后建造的船舶主要是交流船，七十年代以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

5、方面工作量比直流船要少得多，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。采用交流电制后，船舶的造价和维修费用也有明显的降低。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，照明网络与动力网络没有电的直接联系，因此对地绝缘电阻低的照明网络基本上不影响动力网络。2额定电压(Rated Voltage)船舶电力系统额定电压的大小直接影响到电力系统中所有电气设备的重量和尺寸、价格等技术经济指标和人身安全问题。船舶建造时选择额定电压主要考虑的是与本国陆上低压电网额定电压相一致。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

6、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（直流）的标准。现在随着船舶电站容量的增加，在一些大型电力推进船舶、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。3额定频率(Rated Frequency)交流船舶电力系统的额定频率均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，如陀螺仪为达到较高的电机转速常采用中频电源。三、船舶用电设备的分类，运行工况及电站容量的确定通常船舶在每一

7、工况下其负荷的变化相对是不太大的，所以可按照船舶不同的工况分别计算各工况的用电量，然后再依此来确定发电机的容量及台数。1船舶用电设备的分类及运行工况船舶运行工况一般可分为：航行工况、进出港工况（包括狭窄航道航行工况）、停泊工况、装卸货作业工况及应急工况。在按船舶运行工况计算船舶用电量时，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：是为船舶主机、付机、锅炉服务的辅机，如海水泵、淡水泵、滑油泵、燃油泵、分油机、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

8、机械：如车床、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；无线电通讯、导航设备；其它设备：如侧推器等。2电站容量确定的原则电站容量(Capacity)的确定与发电机组(Generating Set)台数的选择一般应从下面几个方面来考虑：. 满足船舶在各种运行工况下用电量的需求；. 每台发电机组的最高负荷率为8085%左右（柴油发电机组）；. 必须设有备用发电机组(Stand-by Generating Set)，其容量应在船舶电站中最大容量发电机组损坏时仍能满足航行和应急状态的用电需求；. 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

9、修、保养方便；. 使用的发电机组台数应尽可能少些，但也不能太少而使发电机组长期轻载运行不经济，一般选用三台发电机组。3电站容量的计算全船用电负载中，照明(Lighting)、电热(Heating)等设备属于恒定性负载，其实际功率基本等于标称额定功率。但是在现代船舶上大部分电能为电动机(Electric Motor)所消耗，而电动机类负载设备情况较复杂，应进行如下的分析：1）电动机利用系数K1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 （121）式中P1电动机额定功率， P2机械设备的额定功率2）机械负荷系数K2每一台辅机大多不是在满负荷下运行的，因此实际使

10、用功率P3是小于额定功率P2的，所以机械负荷系数 （122）一般机械的轴功率可由产品样本查得。3）电动机负荷系数K3 （123）4）电动机以额定功率运行时从电网吸收的功率P4 （124）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P5 (125)式中电动机相对于P3功率时的效率6）同一类负荷有n台机组时，所需电网供给有功功率P6 P6 P5n （126）7）同组用电设备所需电网供给有功功率P0 P0 P6K0nK1K2K0P1 / （127）式中K0同组设备同时使用系数 K0 m / n m 该组同时工作的用电设备数目8）各组设备间总同时工作系数K0、K0在计算全船负荷时，可将负荷按

11、使用情况分为三类：第类负荷：连续使用的负荷；第类负荷：短时或重复短时使用的负荷；第类负荷：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。对第类负荷，考虑到各辅机和用电设备最大负荷的不同时性，同时系数K0通常可选0.80.9。对第类负荷，可按该负荷平均使用时间与工作周期之比来估算： 用电设备在一个工作周期内的平均工作时间 K0 用电设备一个工作周期一般同时工作系数K0在0.3左右9）计入电网损耗5%10）某状态下需发电机供给的总功率 总有功功率P（K0P K0P）1.05 （128）P、P该状态下第和第类负荷的总有功功率对交流电站还应考虑无功功率，一般取额定功率因数为0.8。

12、11）第类负荷计算时可不计，但应注意计算高峰负荷时，该工况状态下短时需要的最大负荷是： Pmax =PP （129）P该状态下第类负荷的总有功功率四、船舶电网1船舶电网的线制与分类对三相交流船舶而言，电网主要采用三相三线(Three-phase Three-wire System)绝缘系统，此外还有中性点接地的三相四线系统(Three-phase Four-wire System)与利用船体作中性线回路的三相三线系统，如图12-1-2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

13、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。三相四线系统，因不是绝缘系统，人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即形成短路故障，有可能会发生跳电事故，因而船舶较少采用。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，是一个极不安全的系统系因此需船级社认可后方能建造。船舶电网可分为供(Supplying)电网络与配(Distribution)电网络两种形式。1）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、主配电板与主配电板之间及主配电板与应急配电板之间的电气联接网络。

14、2) 船舶电网的配电网络配电网络是指主配电板及应急配电板到用电设备之间的网络。通常称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为一次配电网络，而分配电板到各用电负荷之间的网络为二次配电网络。根据用电设备的不同，船舶配电网络可分为（1）动力电网指供电给电动机负载的电网，但一般600W以上的电热装置及功率大于1KW的探照灯也是由动力网络供电。这些设备可由主配电板直接供电，也可由分配电板供电。（2）照明电网通常由主配电板供电给照明变压器(Lighting Transformer)，经降压后再返回到主配电板中照明屏，通过照明屏上配电开关配电给各照明分配电箱，最后由照明分配电箱配电给各路

15、照明灯具或其它用电器具。当配备的照明变压器容量足够大时，较大功率的加热器具、探照灯也有从照明电网供电的。（3）应急电网当船舶主电站因故不能供电时，应急发电机将通过应急配电板向船上部分特别重要的设施供电。如舵机、消防泵等机械设备，通导设备及部分重要区域照明等场所。正常情况下，应急电网由主配电板经两者间联络电缆供电。（4）临时应急照明电网一般是由应急照明蓄电池供电的网络。供电给公共场所的应急照明、主机操纵台、主配电板前后、锅炉仪表、应急出入口、艇甲板等处的最低照明。（5）弱电电网是向机舱自动化控制系统、无线电通讯设备、各种导航仪器、船内通讯设备及报警系统供电网络。2船舶电网配电网络结线方式一般民用

16、商船电压等级均在500V以下，其电网的结线方式主要有馈线式（也称放射式）与干线式。图12-1-3所示为这两种结线方式的单线示意图。馈线式结线的每一根电缆都是由主配电板直接引出，各自独立且只向一个用电设备或一个分配电板供电。这种方式的好处是便于集中控制，一条支路馈电线路出现故障只影响这条支路供电的一个用电设备或这一分配电箱的供电，其他支路仍能正常供电，所以供电可靠性高。缺点是主配电板尺寸较大，馈电电缆需求量大，所以建造成本较高。干线式是由主配电板引出几根干线电缆，所有用电设备是由串接在干线上的分接线盒供电。这种方式的好处在于主配电板的尺寸较小，耗用的电缆少，造船成本低。缺点是当干线馈电电缆发生故

17、障时，这条干线供电的所有用电设备均要停电，因此供电可靠性差。所以这种方式一般在小型船舶配电网络中可以见到。海上运输船舶的一次配电网络通常均采用馈电式供电；二次配电网络中动力电网也是采用馈电式供电，照明电网大多采用干线式供电。3船舶电网的过载、短路保护对电网的保护是指系统发生过载、短路时对电缆的保护。1） 船舶电网的过载保护由于民用商船电力系统的电网大多是放射形馈线式配电网络，馈电线截面又都是与发电机及用电设备的容量相配合的，故对船舶电网的过载保护，一般不需要特殊考虑和装设专门的保护装置，而是由发电机或用电设备的过载(Over-load)保护装置来蒹承。2）船舶电网的短路保护由于船舶电力系统中发

18、电机和用电设备的短路保护装置，都尽量设在靠近电源侧的出线端，故对电网的短路保护，也不需要装设专门的保护(Short Circuit)装置。船舶电网短路保护的最重要问题是指保护装置的选择性，也即当故障发生时保护装置只切除故障部分电路，前一级保护装置不应动作，这样就保证了其它没有故障的设备能继续正常运行。对电网的短路保护，由于保护选择性的要求，对各级开关保护动作值可按时间原则，也可按电流原则来整定。图11-1-4所示为船舶电网短路保护示意图。按时间原则整定，则应有 t1 t2 t3按时间(Setting Time)原则整定的优点是发生短路时选择性保护能得到保证，但因有一定的延时，故当主配电板汇流排

19、发生短路时发电机需经受短延时内的短路冲击，可能会损坏发电机，同时对电网与负荷的冲击也较大。按电流原则整定，则应有 I1 I2 I3按电流(Setting Current)原则整定的优点是发生短路时动作迅速，但由于船舶电网线路较短，即使按短路电流计算书给出的数据来整定动作电流值，由于是近似计算且不可能对整个电力系统中所有的节点都进行计算，所以电网中任何地点发生短路时，短路电流在大多数场合下总是大大超过所有保护电器的动作电流值，因此实际上按电流原则整定在船舶电网中并不总是可能获得选择性保护。在实际船舶电网中，负载端大多采用电流原则瞬时动作进行整定，发电机端采用时间、电流两者相结合的方法进行整定，以

20、满足短路保护选择性的要求。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。五、船舶电网绝缘检测船舶电网通常都是采用中性点绝缘的三相三线制(Three-phase Three-wire System)形式，因此电力网中任何一点接地(Earthing)均属于不正常状态。虽然这种状态在短时间内不致出现问题，但是未接地的两线对地已存在线电压，一方面会影响人身安全，另一方面若再有一相接地，会形成线间短路，使短路保护装置动作跳闸，或因这一相为不良接地状态而在接地点处打火，若周围有易燃物品，则会引起船舶着火恶性事故。因此接地故障是一种潜伏性的事故状态，必须及时发

21、现予以消除。为此，船舶在主配电板上装设有电网绝缘检测装置，常见的绝缘检测装置有“接地灯”(也称为“地气灯”)、配电板式兆欧表、电网绝缘监测仪等几种类型。1）接地灯接地灯(Earthing Lights)接线如图12-1-5所示。（a）图中，指示灯平时一直亮。检测电网绝缘时按下按钮，若三个灯一样亮，说明电网三相线路对地绝缘是相同的；若其中一个灯灭，另两个灯比原来亮，说明这一相已发生接地故障；若其中一个指示灯的亮度比其它两个灯的暗，说明较暗的指示灯那一相对地绝缘比其它两相对地绝缘要低；若按钮未按，已有一个灯不亮，说明该指示灯灯泡已坏。（b) 图用于直流电网的对地绝缘检测，两盏灯分别接在电源的正、负

22、极线路上，同样由灯泡的亮度来判断电路正、负极侧的绝缘情况。实际使用中，常于负极侧发生接地，这多是由机舱报警系统中的传感器引起的。接地灯所用灯泡必须规格相同，且更换时必须三（或两）盏同时换。但当电网三相绝缘同幅度降低时，接地灯仍指示为三个灯亮度相同，会使操作人员作出电网对地绝缘非常好的错误判决。2）配电板式兆欧表鉴于测量船舶电网绝缘是在电网有电情况下进行的，故不能使用便携式兆欧表。配电板式兆欧表(M Meter)的原理线路如图12-1-6所示，是带电测量。这种兆欧表是由兆欧表头与整流(Rectifier)电源组成。可测量动力电网、照明电网绝缘电阻(Insulation Resistance)。当

23、测量电网对地绝缘时，从整流电源正端流出的电流流到动力电网，再经电网对地的绝缘电阻流到船壳，再经船壳流回测量表头的正端，最后经仪表线圈流回电源的负端。电网对地绝缘电阻越低，表头指针偏转就越大，当一相接地时，表头指针偏转最大，指示绝缘电阻值为0。虽然兆欧表的一端接电网的其中一相，但所测的绝缘电阻却是三相电网总的绝缘电阻，由图中可见三相的接地电阻在测量时是并联的关系。3）船舶电网绝缘监测报警装置一般都是由电子电路组成的监测报警系统，可以连续监测船舶电网对地的绝缘状况，多与配电板式兆欧表合为一体，除显示电网的绝缘电阻值外，当绝缘电阻低于设定值(Setting Value)时，即在配电板上发出声、光报警

24、，并将报警信号输送至机舱集中监视报警系统。应注意的是：当按下接地灯的按钮进行测试时，由于灯泡接在了电网与地之间，所以配电板式兆欧表显示值将会很低，为防止误报警，此时电路会把兆欧表和监测报警装置的电源自动切断。4）船舶电网接地故障的查找船舶电网接地故障大多发生在照明网络。一般在机舱值班巡视中，通过接地灯、配电板式兆欧表或报警装置发现接地故障时，机舱人员应及时找到接地点，排除接地故障消除隐患。下面以配电板式兆欧表为例，叙说照明网络接地故障的查找。（1）首先打开配电板式兆欧表测量照明网络，兆欧表指示此时为0；（2）在主配电板前，逐个拉掉照明配电开关，查看兆欧表指示是否恢复正常值，若仍为0，说明接地点

25、不在这一配电区域，故应合上这一配电开关。但要注意有些电源开关（如电螺经、卫星基站等）不能随意断电；（3）拉区域开关的次序一般应为：船员居住区甲板照明区机舱照明区驾驶室通、导设施；（4）找到发生接地故障分配电开关后，切断该路供电，在该开关处挂检修指示牌，并关上兆欧表开关；（5）在分配电箱前，首先应将配电箱内保险丝全部拆下或将支路配电小开关全部拉下，这样各个支路间互相隔离，然后运用便携式兆欧表来查找二次配电网络，逐个测量分支电路对地绝缘状况。（6）找到接地的分支电路后，除这一路分配电开关或保险丝外，合上其余配电小开关或装上其余保险丝，在主配电板前合上这一路配电开关向其供电。（7）在查找具体接地点时

26、，应从中间接线盒（如两个房间中间的）断开，来测量判断是哪一小区域(如房间)接地。（8）由于小区域（房间）中只有有限的几个供电点，一般不超过5个点，应逐一检查每个供电点。主要检查插座、可以移动的电器，若不是则接着查找灯头、插头、开关部分引线，检查灯头、插头、开关内部状况，经过这些检查仍找不到接地点时，应检查接线盒至用电器间电缆，这就需要通过拆卸墙壁板、天花板来逐一查找，直至找到接地故障点，排除之。六、船用电缆船舶电缆(Electric Cable)和电线(Electric Wire)在结构和用途上都有区别。电线的芯线外层覆盖有保证电气绝缘用的绝缘层，而电缆除了电气绝缘层外还有用以防止外界各种因素

27、（火、油水、机械等）危害的防护套。船舶电网中采用的绝大部分是电缆，而电线仅用于电气设备的内部接线和一小部分生活舱的照明线路。船用电缆主要由导电芯线、电气绝缘层和防护套三部分组成，结构图12-1-7为国产某型号船用电缆的剖面结构。最外层的金属丝编织网又称保护铠装，上面一般涂有油漆。船用电缆一般是并排平行安装在专用桥架上。1) 导电芯线导电芯线是电缆传输电能的部分，它是由不少于7根0.262.47的圆形软铜丝绞合而成的。船用电缆根据不同的需要可作成单芯、双芯、三芯合多芯。芯线的截面根据不同载流量的需要有0.8400等各种不同规格。有关电缆的导体根数和线径可由有关产品样本中查得。必须注意国外船用电缆

28、的芯数和导体截面规格与我国的有所不同。选择电缆时，必须根据使用条件，保证电缆实际通过的电流低于其允许电流。电缆的允许电流取决于电缆的绝缘材料，并以最高允许温度为基准决定的。2）电气绝缘绝缘层的作用是将各导电部分隔离以防止接地或相间短路。要延长电缆使用寿命，必须提高绝缘层的性能。各种绝缘材料的允许工作温度如表12-1-1所示。 表12-1-1 绝缘材料最高允许工作温度绝缘材料最高允许工作温度聚氯乙烯（一般）60聚氯乙烯（耐热）75丁基橡胶80无机物95乙丙橡胶和交联聚氯乙烯85硅橡胶95选择电缆的型号和截面应根据实际用途、额定电流、敷设场所的温度和环境条件，以及用电设备的工作制等决定。第二节 自

29、动空气断路器自动空气断路器也称为自动空气开关，具有框架式与塑壳式两种类型。船舶发电机主开关大多采用框架式，配电开关大多采用塑壳式。一、框架式自动空气断路器框架式自动空气断路器(Air Circuit Breaker, ACB)：自动(Automatic)是指此设备除可以手动合、分电路外，也可以自动合、分电路；空气(Air)是指触点分断后的绝缘物质为空气；断路器(Circuit Breaker)就是开关。框架式自动空气断路器，正常运行时作为接通和断开主电路的开关电器，在不正常运行时对主电路进行过载、短路和失欠压保护，自动断开电路。所以，框架式自动空气断路器既是一种开关(Switching)电器，

30、又是一种保护(Protection)电器。框架式自动空气断路器一般包括：触头系统、灭弧装置、自由脱扣机构、合闸操作传动机构和脱扣器（失压、分励、过流脱扣器），有的还具有锁扣装置。图12-2-1所示为框架式自动空气断路器的方框图。框架式自动空气断路器的结构分为固定式(Fixed type)、抽屉式(Draw-out Type)两类：固定式中主电路及控制电路的连线直接接在开关本体上；抽屉式开关结构分为本体和框架两部分，电路连线接在框架上，再通过框架和本体之间的接触连接送入本体部分。后者的优点在于可以在汇流排不断电的情况下（发电机主开关一侧是连在汇流排上的），将开关本体部分抽出进行维修。但要注意，只

31、有在开关已经断开时才可抽取开关本体。1框架式自动空气断路器结构简介1）触头、灭弧系统又称接触系统，由触头(Contacts)系统和灭弧室(Arc Chamber)组成。触头系统一般由二到三组触头组成。断路器闭合时通过的额定电流是由主触头(Main Contacts)承担，为了避免主触头在断开电流时被电弧灼伤，除主触头外还设有弧触头，大容量开关有的还设预接触头（又称付触头）。它们的闭合次序是先接通弧触头，再接通预接触头，最后接通主触头；分闸次序刚好相反，先断开主触头，再断开预接触头，最后断开弧触头。这样的结构可保证主触头不被电弧灼伤。触头是由银钨合金制成，具有良好的耐磨性和抗熔焊性。为使动、静触头具有良好的接触面积，大容量断路器的每极触头分成48个触点。灭弧室通常采用栅片灭弧方式，上部有冷却电弧和限制飞弧距离的灭弧栅，灭弧室外壳采用胶木压制件，强度很高，灭弧室内壁衬有耐电弧的绝缘材料板，相间隔板不仅将各极分隔，而且将机构与触头系统隔开。当开关触头断开燃弧时，电弧被拉长且向上运动，使电弧电阻迅速提高而熄灭；另一方面电弧