第三篇-12船舶电气系统的组成.ppt

第12章船舶电力系统的组成 12 1概述 12 2配电装置 12 3万能式自动空气断路器 12 4船舶电网 12 5电网的保护及保护装置 12 6同步发电机的保护及保护装置 12 7轴带发电机装置 内容简介 本章主要介绍船舶电站的基本组成部分及其作用 电网的保护以及保护装置等内容 12 1概述 由电源 配电装置 电力网和负载四部分组成 是船上电能产生 传输 分配和消耗等全部装置和网络的总称 12 1 1系统的组成及特点 典型船舶电力系统 1 电源 电源是将其他形式的能量 如机械能 化学能等 转换为电能的装置 船舶电源 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 配电装置 2 配电装置 船舶输电电缆和电线的总称 船舶电力网 3 船舶电力网 用电设备 1 甲板机械及舵机 锚机 起货机 绞缆机 拖缆机等 2 动力装置用辅机 主机滑油泵 主机海水泵 主机淡水泵 机舱风机等 4 负载 3 舱室辅机 生活水泵 消防泵 舱底泵以及辅锅炉服务的辅机等 电加热器 电风扇 电视机 照明设备 冷藏通风 7 其他设备 6 船舶通信导航设备 无线电收发报机 声光报警装置 电车钟 舵角指示器 电罗经 雷达等 4 电力推进设备 主电力推进装置 艏艉侧推装置等 5 机修设备 车床 钻床 电焊机 弯管机等 3 船舶是一个工作环境恶劣的场所 1 船舶电力系统是一个独立的电力系统 2 船舶电网的输电距离短 线路阻抗低 各处短路电流大 2 船舶电力系统的特点 我国采用50Hz 日本 美国 西欧等采用60Hz的频率标准 1 电流种类 即电制 几乎所有大中型船舶均采用交流电力系统 2 额定电压 交流船舶电网多数为380V或为440V 某些船舶上采用的3 3KV的电力系统 3 额定频率 12 1 2船舶电力系统基本参数 12 1 3发电机容量及台数确定的原则 5 应急工况 电站发电机组数量的选择和单机容量的确定既与电站容量有关 也与各工况的用电量大小和相对运行周期的长短有关 1 船舶的运行工况 货轮和油轮的典型运行工况大致划分如下 1 航行工况 2 进出港工况 3 装卸货工况 4 停泊工况 2 船舶电站必须有备用机组一般设置2 4台 1 应能满足船舶在各种运行工况下的用电量 并有适当的裕量 以保证连续可靠的供电 以实际用电量最大的运行工况为基础来确定 2 裕量功率不能太大 以保证其经济性 3 发电机组容量和数量的选择原则 发电机组的总容量决定于电站的总容量 发电机组的单机容量和机组数量由以下几个基本原则确定 1 单机组容量以最高负荷率80 为宜 2 确定电站容量的基本原则 3 确定单机组容量和机组数量时 要考虑各机组的使用寿命应与主机寿命相当 4 维修管理方便 12 1 4应急发电机容量的确定 2 容量确定满足供给 航行灯 信号灯 应急照明设备 应急报警 信号装置 火灾探测 报警装置 防火门的固定释放 紧急状态船内通信 应急消防泵 自动喷水泵 应急舱底泵及其电动遥控设备 应急舵机 电梯 无线电等 1 目的和原则500总吨及以上 设发电机或蓄电池作为应急电源 应急发电机能45秒自动起动合闸 容量满足公约规定 12 2配电装置 由发电机控制屏 并车屏 负载屏及连接母线组成 按用途可分为主配电板 应急配电板 充放电板 区配电板 分配电板和岸电箱等几种 按形状分可分为垂直立式 台式 桌式和控制台式四种 按外壳结构可分为防护式 防滴式和防水式 12 2 2主配电板的构成及功能 12 2 1配电装置的分类 其下部分一般安装发电机的励磁控制装置 控制屏内装有逆功率继电器 仪用互感器 用来控制 调节 监视和保护发电机组 每台发电机组均配有单独的控制屏 其上部分装有电流表及其转换开关 电压表及其转换开关 频率表 功率表 功率因数表 其中间部分安装发电机的主开关 原动机的调速开关 按钮等 1 发电机控制屏 负载屏上装有装置式空气开关 电压表 电流表 转换开关 绝缘指示灯 兆欧表以及与岸电箱相连的岸电开关等 用作发电机组的并车整步操作 其面板上装有同步表 同步指示灯 转换开关 操纵按钮及指示灯等 有些并车屏里面还设有汇流排分段隔离开关 粗同步电抗器等 3 负载屏 用来分配电能并对各馈电线路进行控制 监视和保护 并将电能供给各用电设备或分电箱 包括动力负载屏和照明负载屏 2 并车屏 交流汇流排的颜色A相为绿色 B相为黄色 C相为褐色或紫色 中线为浅蓝色 直流汇流排的颜色正极为红色 负极为蓝色 中线为绿色和黄色间隔 4 汇流排 12 2 3分配电板 区 分 配电板是向成组用电设备供电的开关和控制设备的组合装置 主要是控制其他区域配电板 分配电板或向正常工作电流大于16A的电气设备供电 分配电板一般只向单一性质负载供电 主要用作对额定电流不超过16A的最后分支电路进行电能分配 实际中 区配电板和分配电板统称为分配电板 应急配电板的电源开关与主配电板接向应急配电板供电联络开关之间设有电气联锁 用来控制和监视应急发电机组的工作情况 并向船舶应急用电设备供电 位于艇甲板 仪表配置与主配电板相同 12 2 4应急配电板 4 当主电网 应急电网都失电的情况下 能自动接通蓄电池的放电回路直接向小应急用户供电 其的作用是 1 对船上安装的蓄电池组进行充电和放电 2 控制和监视充电电源的工作情况 3 将蓄电池组的电能分配给船上的低压用电设备 12 2 5充放电板 12 2 6蓄电池 1 蓄电池在船舶上的应用 1 小应急电源2 低压设备电源此外 应急发电机组和救生艇起动电源 其他直流电源 2 船用蓄电池的类别 酸性 铅酸蓄电池碱性 镉 镍蓄电池 铁 镍蓄电池 锌 银蓄电池 鎘 银蓄电池 3 蓄电池的主要性能 性能指标 开路电压 工作电压 电池容量 寿命 储存期 酸性 每个小电池电动势为2 0 2 1V 放电 电压下降 到达某一电压则急剧下降 称为放电终止电压 10小时放电率的中止电压1 8V 充电 电压变化2 05 2 8V 充电终期每个小电池2 5 2 8V 碱性 每个小电池电动势为1 3V 额定放电率的平均放电电压为1 1 2V 放电电流增大时 电压可达0 7V 低于此值不应再放电 充电 电压变化1 4 1 8V 电压V 1 充电曲线2 8h放电曲线3 5h放电曲线4 3h放电曲线5 1h放电曲线 4 蓄电池的结构和工作原理 1 酸性蓄电池 酸性蓄电池主要由容器 极板和隔板等几部分组成 正极的活性物质是二氧化铅 PbO2 负极的活性物质是海绵状纯铅 Pb 工作原理可用如下化学反应方程式表示 电解液比重1 2 1 27 用测量电动势的方法来判断 一般每个蓄电池的电动势为1 25V 放电时的电压在1 1 2V 充电时在1 4 1 8V 电解液为浓度在27 37 的稀硫酸溶液 比重为1 28 1 31 蓄电池的电动势E与电解液的比重d之间的关系可由经验公式来表示 即 E 0 84 d 2 碱性蓄电池 酸性蓄电池通常以10小时的放电电流为标准放电电流 额定容量被定义为在电解液温度为25 以10小时放电电流连续放电至终止电压时所输出的容量 3 蓄电池的容量 蓄电池的储存电能的能力称为容量 容量一般用安培 小时来表示 它等于放电电流I与放电时间t的乘积 即 Q I t Ah 5 船用蓄电池的充放电方式 1 充电方法和种类 A充电方法 恒流充电 恒压充电 恒电流 恒电压 分段充电 B充电种类 初次充电 第一阶段 电流为额定0 07 单格电压2 4V止第二阶段 电流为额定0 04 单格电压2 5V止 正常充电 第一阶段 电流为额定0 1 充电6 7h止第二阶段 电流为额定0 05 充电2 3h止 均衡充电 各小电池密度不均衡 每月一次 先正常充 1h后 小电流至冒气泡 再1h 反复 C蓄电池充放电方式 6 船用蓄电池的维护保养 1 酸性蓄电池 定期 15 20天 检查 液面在极板上10mm 20mm 清洁 接线柱涂凡士林 严禁烟火 保持通风 过充电 正常充电后 10小时放电率的1 2或3 4充电1h 停1h 然后反复 至刚一充电就强烈气泡止 2 碱性蓄电池 定期 15 20天 检查 液面在极板上10mm 20mm 保持气塞透气 定期打开气塞放气 外壳带电 存放时防止金属将负极与外壳接触 工作10 12h过充电一次或者每月一次 每年或使用50 100次更换电解液 更换在放电状态进行 可水清洗后注入 船舶接用岸电时 首先应保证岸电的基本参数 电制 额定电压及额定频率 与船舶电力系统的参数一致 其次要保证岸电的相序与船电一致 最后还应确认船舶主发电机 或应急发电机 已脱离电网 通常为了保险起见 配电板上主开关与岸电开关之间设有联锁保护环节 以保证船舶电源供电时 不允许岸电的接入 12 2 7岸电箱 1 岸电箱应有下列设施 能切断所有绝缘极的断路器或开关 熔断器 指示端电压的指示灯或电表用于连接软电缆的合适接线端子 中性点接地的三相交流岸电 应设有接地接线柱 应有监视岸电极性或相序是否相符的设施 标明船电系统的配电系统形式 额定电压和频率 有时船东要求有电度表 2 接岸电时注意事项 岸电箱与主配电板应固定电缆敷设且足够 中点接地的船体与岸电地相连接 船体做回路的 不应以海水或者陆地做岸电回路 岸电箱内有接线柱 设相电压为UP 灯泡电阻为R1 R2 电容容抗为XC 取R1 R2 XC R 由三相电路的理论计算得知 当电容接的为A相时 则B相灯泡两端的电压为UB 1 49UP C相灯泡两端的电压为UC 0 4UP当电容所接的相为A相时 则灯泡较亮的那一相为B相 暗的那一相为C相 通常 L1为白色 或绿色 灯泡 L2为红色灯泡 逆序继电器 逆序继电器又称为负序继电器 它是一种保护装置 其作用是为了防止船舶接岸电时相序接错或出现断相引起单相运行 逆序继电器通常由负序电压滤过器和电压继电器组合而成 当负序过滤器的输入三相电压对称且为正序时 其输出电压Umn 0 中间继电器不动作 当输入电压出现断相或负序时 输出电压Umn 0 中间继电器动作 当输入电压出现断相或负序时 输出电压Umn 0 中间继电器动作 经时间继电器延时 使岸电开关的失压脱扣器动作 岸电开关自动断开防止岸电的接入 起到保护作用 根据负序滤过器的电路 电压分别为 当输出电压为正序 即A B C时 则Umn 0 当输入电压为负序电压时 Umn 1 5Ubc 即负序滤过器的输出电压为1 5倍的线电压 因此中间继电器动作 经时间继电器的延时 岸电开关自动断开 从而起动负序保护作用 当输入电压为负序电压时 A C B 与 a b c 一致 当输入电压出现断相时 将变为单相运行 三相电路不对称 负序滤过器的输出电压Umn为0 5倍的线电压 此电压经整流后 加到中间继电器 以保证岸电开关不能合闸 综上所述 当接线相序正确 且三相电压对称时 负序继电器的输出电压为零 岸电开关可以合上闸 而一旦相序接错或一相断线时 负序继电器的输出电压不为零 岸电开关合不上闸 12 3万能式自动空气断路器 图12 8万能式自动空气断路器的框图 由触头系统 灭弧装置 自由脱扣机构 操作传动装置和保护元件组成 是一种带有保护装置的开关电器 合闸顺序 弧触头 副触头 主触头分闸顺序 主触头 副触头 弧触头 触头由主触头 副触头和弧触头组成 主触头承担电路的正常工作电流 银钨合金 弧触头是为了避免断开电路时产生的电弧烧坏主触头而设置的 铜或铜钨合金 副触头是考虑到断开电路时 电流由主触头移到弧触头的瞬间 可能因压降太大产生电弧烧坏主触头而设置的 紫铜 12 3 1触头和灭弧系统 自动空气断路器大多采用灭弧栅来灭弧 作用 使触头保持闭合或迅速断开 b 分闸位置 c 准备合闸位置 12 3 2自由脱扣机构 自动空气断路器的传动装置有手柄式 连杆式 电磁式 电动式等几种 合闸前都必须使储能弹簧储能 自由脱扣机构 再扣 利用储能弹簧释放的能量实现合闸 1 手动操作 DW 94型 手柄摇38圈左右 传动机构弹簧拉长储能 脱扣机构再扣 再摇2 4圈 弹簧释放合闸 12 3 3操作机构 AH型 手柄向下扳 储能 脱扣机构再扣 再手柄向上 弹簧释放合闸 各类自动开关都有手动机械脱扣按钮 也有储能后手动机械按钮合闸 DW 95 DW 98 型 手柄逆时针转110 90 度 顺时针转使再扣 继续顺时针则释放合闸 2 电磁或电动合闸 AH型电磁合闸原理图 3 保护元件 12 4船舶电网 12 4 1船舶电网的分类 船舶电网即船舶电力网 指介于船舶电源于用电设备之间的传输 分配电能的传输线路的总称 1 主电网 由主电源经主配电板进行供电的电网称为主电网 动力网络 动力负载及功率电热设备 正常照明网络 包括航行灯 小功率电动机 当船舶主电网因故不能供电时 应急电源经应急配电板向船上需应急供电的负载供电 由这部分供电电缆构成网络称为应急电网 3 小应急电网 由蓄电池提供给临时应急照明的电网 蓄电池的容量应满足连续供电30分钟 4 弱电电网 向全船无线电通信设备 各种助航设备 船内通信设备 如电话 广播等 以及信号报警系统供电的网络称为弱电电网 2 应急电网 12 4 2船舶电网的结线方式 1 船舶电网的结线方式 1 500V以下电网的结线方式 A放射式优点 每路设有空气开关 便于集中控制缺点 主配电板大量端头和开关 耗电缆及主板尺寸 一旦故障则该路失电 可靠性差 B环式优点 每路设有空气开关 便于集中控制缺点 主配电板大量端头和开关 耗电缆及主板尺寸 一旦故障则该路失电 可靠性差 2 500V以下电网的结线方式 大型船舶及电力推进 采用3 3kV 6 6kV中压电网出现 中压结线方式 放射式 树干式 结构简单 可靠性不高桥式 综合 互为备用 桥式 可靠性提高 2 重要负载的馈电方式 指直接与船舶航行 货物的保存 船舶与人身安全有关的电气设备 在配电方面通常采取如下措施 分段汇流排供电方式 1 由主配电板直接供电 舵机 锚机 航行灯控制箱 无线电电源板 电罗经 3 采用自动分级卸载装置 2 由两路馈电线供电 舵机 航行灯控制箱 4 采用分段汇流排供电 图12 17主电网与应急电网的连接 3 主电网与应急电网的连接方式 动力系统与照明系统采用变压器隔离 绝缘性能相对较好 安全可靠 1 三相绝缘系统 12 4 3船舶电网的线制 2 中性点接地的三相四线系统 照明和动力系统由同一电源供电 无需采用变压器 相互影响大 可靠性降低 安全性差 3 中性点接地三线系统 利用船体作为中线形成回路 节省电缆 容易发生触电和短路故障 12 4 4船舶电缆 按其用途可分为电力电缆和射频电缆两大类 船用电缆的结构 3 防护套 保护电缆不受油水 盐雾 化学腐蚀和机械损伤 或阻燃 2 电气绝缘 芯线之间 芯线与外界之间的绝缘 1 导电芯线 传输电能 芯线 芯线绝缘 胶带 铠装层 绝缘层 船用电缆的牌号电缆的选择 3 分配电板的馈电电缆的截面积 应考虑接用电设备的负载系数 同时工作系数 及备用裕量 2 电动机的馈电电缆的截面积应按电动机的额定电流来选择 1 发电机与配电板的连接电缆 其截面积应按发电机的额定电流来选择 应注意以下几个方面 4 起货机分配电板馈电电缆的截面积应根据一台起货电动机的满载电流值乘以负载系数来决定 负载系数的大小与起货机的型式与使用台数有关 5 直流发电机均压连接电缆截面应不小于主电路电缆截面的50 三相四线制的中线电缆截面应与相线的电缆相同 8 信号电缆不能与控制电缆 电源电缆共用一条多芯电缆 7 选择多芯电缆时应适当考虑备用芯线 6 交流电电缆应避免采用单芯电缆 若必须使用时 应选用具有非磁性材料屏蔽护套的电缆 并需采取有防止涡流发热的有效措施 3 电缆穿过舱壁和甲板时 应以不影响舱壁和甲板的防护性能为前提 穿过水密舱舱壁的电缆应采用水密填料函或过线盒加以密封 穿过甲板的电缆则必须用一定高度的金属管或金属围框加以保护 在室外时 高度不应低于400mm 室内则不应低于200mm 2 电缆不应敷设在船壳板上 以免安装紧固件而影响船体的强度和造成永久性变形 1 电缆应尽量避免敷设在容易受机械损伤 油水侵蚀 高温 有易燃易爆或腐蚀性气体的地方 如果必须敷设在这些地方时 则必须采取有效的措施 船舶电缆在敷设时应注意下述几点 4 电缆应尽量远离磁罗经等设备 7 为防止对无线电设备的干扰 凡露天甲板和非金属上层建筑内的电缆 进入无线电室的电缆以及无线电助航设备仪器系统的电缆均应采取屏蔽措施 如采用金属防护 屏蔽电缆等 同时 屏蔽套必须可靠地接地 6 为增强馈电线路的生命力 主馈电线 应急馈电线和备用馈电线之间应尽可能地远离并分开敷设 5 电缆应尽量敷设在便于检查的地方 12 5电网的保护及保护装置 船舶电网的保护主要包括短路保护 过载保护 单相接地或绝缘下降以及接用岸电时的相序及断相保护等 1 动作值的整定原则 为避免船舶电网在出现短路故障时造成不必要的大范围停电 对短路保护装置最主要的是必须具有较好的选择性 12 5 1船舶电网的短路保护 1 按照时间原则 以各级保护装置的动作时间整定值的不同来实现选择性 整定的原则是各级开关或保护装置的整定值朝发电机的方向逐级增大 2 按照电流原则 以各级电流的整定值的不同来实现选择性 动作电流的整定值也应保证自负载向发电机的方向逐渐递增 2 保护装置 对于保护装置通常可采用万能式自动空气开关 装置式自动空气开关和熔断器 保险丝 等来实现 从发电机至万能式自动开关这段电路较短 故障的可能性不大 因此可不设短路保护 由主配电板至用电设备部分电路可以与用电设备共用一套保护装置 装在出线端 主配电板至分配电板 箱 可采用装置式自动空气开关或熔断器 对船舶电网的过载保护一般不需要单独考虑装设保护装置 自发电机至主配电板的那部分电网可与发电机共用一套保护装置 自主配电板至负载的电路 可由用电设备的过载保护装置来实现保护 主配电板与分配电板之间可由装置式自动空气开关做过载保护装置 对于舵机供电线路 不论舵机本身还是线路均不设过载保护装置 12 5 2过载保护 图12 20绝缘指示灯电路图 船舶电网是否单相接地可以采用绝缘指示灯 又称为地气灯 来监测 1 单相接地 12 5 3单相接地及电网绝缘监测 图12 21兆欧表原理图 船舶电网的绝缘电阻应不低于1 2 兆欧 主配电板上装有兆欧表进行带电测量 2 绝缘监测 12 6同步发电机的保护及保护装置 外部短路保护由自动空气断路器中的过电流脱扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器来实现 主要设置外部短路保护 过载保护 欠压保护以及逆功率保护等 12 6 1外部短路保护 发电机的内部短路不提供保护 保护原则应兼顾到选择性 快速性和可靠性 常采用时间原则和电流原则相结合的方法 动作电流整定为5 10倍的发电机额定电流 保护装置瞬时动作 一般设有两套过电流保护装置 动作电流整定为3 5倍的发电机额定电流 保护装置延时0 2 0 6秒动作 船舶同步发电机过载保护也是由自动空气断路器中的过电流脱扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器来实现 发电机输出的功率或电流超过了其额定值 保护的原则是 首先保证发电机不受损坏 其次应避开短暂的过载 尽量不中断供电 过载保护应具有一定的时限 自动分级卸载装置是一种过载保护 12 6 2过载保护 当无自动分级卸载装置时 可整定在1 25 1 35倍额定电流 延时15 20秒过载保护装置动作 使发电机自动跳闸 当有自动分级卸载装置时 1 1 1 2额定值 延时5 10s 1 5倍额定电流 延时10 20秒过载保护装置动作 使发电机自动跳闸 02以前的 钢质海船建造及入级规范 过载 之间 经少于 min的延时断路器应分断 建议整定在发电机额定电流的 延时 秒分断 过电流大于 但小于发电机稳态短路电流 经与系统选择性保护所要求的短暂延时后断路器应分断 断路器的短延时脱扣器建议按如下规定进行整定 始动值为发电机额定电流的200 250 延时时间 直流最长0 2s 交流最长0 6s 06 规范 规定 船舶同步发电机的欠压保护是由自动空气断路器中的失压扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器来实现 在电网电压低时 保证发电机从电网上自动断开或合不上闸 以实现对发电机和电动机的保护 也具有一定的延时 12 6 3欠压保护 课本 对带时限的发电机欠压保护 当发电机端电压低于额定电压的70 80 时 延时1 5 3秒动作 对不带时限的发电机欠压保护 当发电机端电压低于额定电压的40 70 时 瞬时动作 钢质海船建造与入级规范 规定 06 并联运行的发电机应设有欠电压保护 并能满足下列要求 1 当电机不发电情况下 闭合断路器应瞬时动作 2 当电压降至额定电压的70 35 时 应经系统选择性保护要求的延时后动作 实现保护元件 逆功率继电器 1 逆功率保护 考虑到发电机可能出现允许范围内的短时逆功率 如在并车操作时可能因操作不当等原因引起 其动作值一般柴油发电机整定在8 15 涡轮发电机2 6 额定功率延时 10秒动作 12 6 4逆功率保护 1 GG 21型感应式逆功率继电器 a 原理图GG 21型感应式逆功率继电器 2 逆功率继电器 b 接线图 改变止档块的位置 可以调节动触头的行程 以实现延时 延时时间一般可整定在2 3 5 7 9 12秒 参数的调整 改变电流绕组的