船舶电气设备手册.ppt

第十一章船舶电站 11 1 船舶电力系统概述 11 2 电站容量与发电机组数量 11 3 主机轴带发电机装置 11 4 船舶配电板 11 5 万能式空气断路器 11 6 发电机的保护 11 7 发电机的并联运行条件与分析 11 8 手动并车整步原理与方法 11 9 自动准同步并车原理 11 10 船舶应急发电机组 11 11 船舶蓄电池装置 11 12 船舶接用岸电装置 学习第十一章应该注意的点 第十一章学习应注意的几个问题 1 船舶电力系统如何组成 有什么特点 2 船舶电站容量与发电机组数量是根据什么原则确定的 轴带发电机装置有什么特点和类型 3 船舶配电板由什么组成 有哪些作用和特点 4 万能式空气断路器组成原理是什么 对发电机采取什么保护 保护原则是什么 5 船舶同步发电机并联运行条件是什么 若不满足有何后果 6 手动与自动并车的方法与整步原理如何 7 船舶应急电源有哪几种 应急发电机组起动控制系统应具有什么功能 船舶蓄电池装置的作用是什么 如何进行维护保养 8 接岸电应满足什么条件 检测保护装置应具有什么功能 本章要点多 分布广 是重点章 侧重 组成 原理 原则 规定 方法和特点 11 1 船舶电力系统概述 本节主要内容有两个部分1 电力系统组成特点 主要掌握组成 作用和特点 2 电力系统基本参数 三个基本参数电制 额定电压 额定频率 电源 发电机组和蓄电池 发电机组 柴油机 基本电源 蓄电池作为小应急电源 配电装置 由开关 母线 保护电器 自动化装置 测量装置等组成 作用为分配 保护监测控制 船舶电力网 电缆 电线总称 分类 动力 照明 应急 低压和弱电等5种电网 一 系统的组成及特点 组成 船舶电力系统由电源 配电装置 电力网和负载组成 船舶电力系统的负载 船舶电力系统的负载就是用电设备 可分为4类 1 电力拖动负载 包括甲板机械 舱室机械等 2 照明负载 照明灯具 信号灯 重要设备 3 通讯导航设备 无线电 车钟 电罗经 雷达等 重要设备 4 其他设备 生活用电设备 船舶电力系统的负载和特点 船舶电力系统的特点 主要3个 1 独立系统 相对容量较小 易受影响 2 输电距离短 短路破坏大 3 船舶环境恶劣 基本参数有3个 1 电流种类 2 电压 3 频率 电流种类 电制 指交流或是直流 额定电压 电压等级 电力 照明等 我国 电力 400 380V 照明 230 220V 注意 电源与负载不同 额定频率 即 工业用电额定频率 简称工频 我国为 50Hz 第一节要点 电力系统组成 定义 特点 基本参数 三个 二 系统基本参数 11 2 电站容量与发电机组数量 本节主要内容有两个部分1 电站容量与发电机组数量确定原则 注意 电站容量确定原则的原因 确定机组数量时考虑的因素 2 电站容量计算 主要知道电站容量确定时考虑的因素 同时了解方法和手段 总原则 满足需求 确保安全 注意经济 注意 电站总容量不能等于全船用电设备的总容量 因为 所有设备并不是同时使用 同时使用的设备也不一定会同时达到额定容量 航行工况 航行 进出港 装卸货 停泊 应急 用电量最大工况是进出港 过狭水道 工况 或称 机动工况 基本原则 以用电最大工况为基础 留有适当裕量 以确定电站总容量 具体为 单机容量和机组数由电站总容量决定 电站总容量由各工况用电量及相对周期决定 机组数确定注意 1 单机容量以80 计 2 考虑备用至少两台 3 应与主机寿命相当 4 维护管理方便 不能太多 一般最多4台 因此 一般为 2 4台 一 确定电站容量和选择发电机组数量的基本原则 一 电站容量的计算 说明 设备并不一定同时使用 且不一定同时达到额定容量 须求 用电最大工况 时设备 真实用电需求量 具体方法是计算出用电设备容量 再乘于相应的 系数 即为设备 真实用电需求量 这些系数包括 利用系数 机械负荷系数 电动机负荷系数 和 同时系数 这些系数通常是经验值 利用系数 实际需要功率与配置功率之差 机械负荷系数 实际轴功率与最大轴功率之差 电动机负荷系数 考虑半载或轻载工作 同时系数 考虑不同时工作 实际确定用方法有 三类负荷法 需要系数法 等 注意 连续负荷为I类负荷 短时 重复短时为II类负荷 偶然短时为III类负荷 III类负荷不考虑 第二节要点 容量 机组数选择原则 计算方法2种 11 3 主机轴带发电机装置 本节主要内容有四部分1 轴带发电机的特点2 主要类型3 变距桨轴带发电机4 定距桨轴带发电机轴带发电机可节能 提高经济效率 节能 利用主机的功率储备 经济效率 减少燃油成本 一 主机轴带发电机的特点 特点 优点 1 经济高效 2 改善环境 3 减小维修 缺点 1 只能定速航行时工作 2 控制较复杂 3 初投资大 组成 主机直接 或通过变速机构 带动轴带发电机SC发电 可充分利用主机的 储备余量 一般主机额定功率 余量 主机可长期运行功率 二 船舶轴带发电机主要类型 主要类型 1 直流轴带机 2 交流轴带机 说明 1 虽然直流轴带机电压稳定 转速的影响相对较小 但由于直流电机维护工作量大 目前在船上的应用非常有限 因此 直流轴带发电机较少用 若将直流电逆变成交流电 则逆变麻烦 2 交流轴带机为了使频率减小主机转速变化的影响 其控制较复杂 有定 变距浆2种 变距桨系统特点 转速不变 改变螺距可改变螺旋桨推力大小和方向 控制 需要两方面的控制1 主机油门控制 2 螺旋桨螺距控制 而且要求螺距与油门的控制相互配合 才能使转速恒定 存在的问题 1 风浪对转速的波动有影响 2 需要解决主机低速问题 传动机构 三 变螺距螺旋桨船舶的轴带发电机 系统特点 主机转速和转向是可变的 只有在船舶定速航行时才是不变的 因此 要求船舶定速航行时才能让轴带发电机并网投入工作 同时 由于风浪等对转速可造成影响 因此 必须采取措施稳定转速 从而稳定频率 总体措施 具体措施下面分别讨论1 转速补偿 2 频率补偿 四 定螺距桨的主机轴带发电机 方法 1 变流机组稳定供电频率 2 行星齿轮传动系统 3 轴带异步发电机 4 电磁滑差离合器恒速系统 变流机组 控制可控硅导通角稳定电压 可稳定发电机转速 行星齿轮 液压系统提供附加传动 稳定发电机转速 异步发电机 与变流机组相似 也是稳定电动机和发电机转速 滑差离合器 励磁电流大小可控制转矩 从而稳定转速 转速补偿 第三节要点 特点 类型 直 交流 变距桨系统 特点 定距桨系统 恒频方法 方法 采用整流 逆变装置作为中间环节的系统 非恒定频率交流电经整流后 供给晶闸管三相逆变器变换为恒定频率三相交流电 三相逆变器提供有功功率 而无功功率由同步补偿机来提供 同步补偿机励磁电流根据负载变化进行控制 具有自动电压调整器功能 可专设同步补偿机 通常采用辅助发电机替代 通过柴油机拖入同步后 用离合器脱开 频率补偿 11 4 船舶配电板 本节主要内容主要是 1 配电板的种类 2 各种配电板的作用 特点 船舶配电板是对电源发出的电能进行集中控制并分配给各用电设备的一种装置 按用途分为 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 6种 一 主配电板 组成 主配电板由发电机控制屏 并车屏 负载屏 母线四部分组成 1 发电机控制屏 控制 调节 监视和保护发电机组用 上部 各种测量仪表 中部 主开关 调速开关 下部 自动装置 2 并车屏 发电机进行并车 整步操作用 有同步表 同步灯 转换开关 操纵按钮 开关 自动并车装置 3 负载屏 分配电能并控制 监视 保护 包括 电力 照明屏 有空气开关 电压电流表 绝缘指示灯 兆欧表 岸电开关等 4 母线 注意排列顺序和颜色 顺序 上中下 左中右 前中后 颜色 交流 绿黄红 中线浅蓝 直流 红蓝 中线 绿黄相间 二 应急配电板 作用 应急配电板用来控制 监视应急发电机组 并向应急电设备供电 组成 它有控制屏和负载屏 没有并车屏和逆功继电器 因为单机运行 连接 通过联络开关与主配电板连接 正常时 应急配电板由主配电板供电 主电网失电后联络开关自动断开 由应急发电机供电 注意 1 没有并车屏和逆功继电器 2 正常时 是主电网的一部分 应急时 才单独工作 功能 1 对蓄电池进行充放电 2 控制 监视充电工作 3 分配低压用电设备 4 主 应急失电后 能自动向小应急供电 功能 向成组用电设备进行供电 分配电板16A 功能 主要是坞修时通过岸电箱接至船舶主配电板或应急配电板 第四节要点 配电板的种类 作用 组成与特点 三 充放电板 四 区配电板 分配电板 五 岸电箱 11 5 万能式空气断路器 定义 是一种带有保护装置的开关电器 绝缘介质 是空气 所以称为空气断路器 组成 5部分 1 触头系统 2 灭弧装置 3 自由脱扣机构 4 操作传动装置 5 保护元件 组成 一相触头由三对并联 主要有主触头 副触头和弧触头 但符号只画一个 主触头 承担工作电流 弧触头 承受机械冲击和电弧 副触头 过渡 通断顺序 通电时 弧触头 副触头 主触头 断电时 主触头 副触头 弧触头 说明 1 主触头 副触头和弧触头动作时间有所区别 但大部分时间内状态是相同的 2 除了主触头 副触头和弧触头外 还有小容量的辅助触头 用于控制其它电路 一 触头系统 二 灭弧装置 大多采用 灭弧栅 进行灭弧 栅片为 人字形缺口 使用时注意防潮 作用 使触头保持闭合或迅速断开 工作原理 当保护动作时 闭和状态脱扣状态再扣状态 顶杆使四连杆刚性结构破坏 脱扣 再扣时即可合闸 作用 通过自由脱扣机构使触头闭合或断开 分类 手柄式 连杆式 电磁式 电动式 原理 合闸前 储能 自由脱扣机构在 再扣 位置 合闸时 储能弹簧释放能量 目的 合闸时不让主触头抖动 否则主触头将熔粘 具体电路 三 自由脱扣机构 图11 5 2 结构 四 操作传动装置 手动操作 各种型号都有手动操作 基本形式 1 转动 DW系列 2 上下扳动 AH系列 1 DW 94 2 DW 98 3 AH型 1 2 3 其它操作 电磁 DW 95 98 电动 DW 94 电磁铁直推 AH 一般有 短路 过载 失压 欠压等保护 都通过自由脱扣器使开关跳闸 过流脱扣器 实现短路 过载保护 有反时限 定时限 和瞬时等动作特性 反时限和定时限都需延时 有 机械式 钟表机构 RC充放电回路等 失压脱扣器 由瞬时动作的电压继电器组成 为避免误动作 也可延时 1 3s 分励脱扣器 用于远距离控制自动开关跳开 有些空气断路器还具有其它保护功能 如 漏电 逆功率等 第五节要点 组成 五部分 各部分 具体组成 功能和原理 五 保护元件 11 6 发电机的保护 本节主要内容主要是 1 了解船舶发电机保护的目的 2 知道发电机保护的种类 3 掌握具体保护的要求 保护目的 发电机是重要设备 是船舶安全航行的保障 一般设有 外部短路保护 过载保护 欠压保护和逆功率保护 短路的原因 维护保养不周 绝缘老化 机械损伤 误操作等 保护原则 有总体和具体之分 总体 既要保护发电机 又要保证供电 具体 时间原则 和 电流原则 相结合 措施 由过流脱扣器或综合保护装置实现 小电流 延时 远端短路保护 避免大面积停电 小电流是比近端短路小的短路电流 不是过载电流 为了区分过载还是远端短路 所以要延时 大电流 瞬时 近端短路保护 发电机应立即跳闸 因为已经没有其它保护 整定值 小电流 2 5倍的额定电流 0 2 0 6s 大电流 5 10倍的额定电流 瞬时动作 一 外部短路保护 二 过载保护 定义 发电机输出功率或电流超过其额定值 保护原则 保护发电机不受损坏 尽量不中断供电 且应避开短暂过载 措施 由空气断路器的 过电流脱扣器 或 热脱扣器 等动作跳闸 实现保护 自动分级卸载装置 也属过载保护 卸次要负载 延时动作 钢质海船建造规范 规定 无自动分级卸载时 出现1 25 1 35倍额定电流后 延时15 20s跳闸 有自动分级卸载时 出现1 5倍额定电流后 延时10 20s跳闸 危害 不能正常工作 电动机过电流 保护 已经并网的发电机 脱开 未并网的发电机 不能并网 措施 保护元件 空气断路器的失压脱扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器 钢质海船建造规范 规定 分段不同 电压为额定值的70 80 时 延时1 5 3s动作 电压为额定值的40 70 时 瞬时动作 三 欠压保护 四 逆功率保护 逆功率原因 主要是操作不当 危害 增加电网负担 可能损坏原动机 发电机变成电动机 保护要求 整定值 逆功率大小为额定功率的5 15 延时1 10s动作 措施 保护元件 通常采用 逆功率继电器 作为保护元件 逆功率继电器 反映有功功率大小和方向 类型 感应式 整流式等 感应式原理图 整流式装置原理图 参照P 141图9 5 3 起货机负载继电器检测有功电流 第六节要点 保护种类 保护原则 具体实现措施 电压和电流相量叠加 感应式接线图 逆功率保护线路 11 7 发电机的并联运行条件与分析 本节主要内容主要是 分析并联运行条件不满足时 可能出现的现象以及将造成的影响 从而作为实际操作同步发电机并车的指导依据 条件 相序 电压 频率 相位相同 要求 相序绝对必须满足 其它条件允许有小差别 航行期间一般相序能够自动满足 其它则须调控 并联条件不满足的分析相序不同 并联时至少两相短路 电压不等 会引起无功环流 此环流可使电压相等 通过电枢反应 频率不等 会引起有功环流 此环流可使频率相等 但可能引起过载或逆功率 相位不等 会引起有功环流 此环流可使相位相等 频率和相位不等都会造成有功环流 通过转矩调节相等 第七节要点 并联运行四条件实际要求 不满足的结果 调节方法 并联条件分析 11 8 手动并车整步原理与方法 准同步并车 在满足并车条件下合闸称为准同步并车 由自动装置完成准同步并车则称为自动准同步并车 并车操作 一般只调节转速满足频差和相位要求 电压条件由自动调压装置完成 整步过程 调整待并机的频率 使其满足频差和相位条件的操作过程 手动准同步并车方法 灯光法 和 同步表法 灯光法 又分 灯光明暗法 和 灯光旋转法 是据指示灯亮 暗变化情况进行并车操作的方法 一 灯光法 灯光明暗法 接线 如图11 8 1 a 原理 从相量图可知 相位条件满足时 指示灯两端电压为零 即熄灭 特点 3个灯同时亮 灭 亮灭周期反映频差大小 但不反映频差方向 3个灯都是同名相灯 原理 从相量图可知 相位条件满足时 同名相灯两端电压为零 即熄灭 接线 如图11 8 2 a 1个 同名相灯 2个异 名相灯 特点 3个灯轮流亮和灭 亮灭周期反映频差大小 亮灭顺序反映频差方向 灯光旋转法 接线与操作 接线如图11 8 4 接通同步表 调节待并机油门 使指针朝 快 的方向以3 5s转的速度旋转 在 11点 处合闸 注意 短时工作制 15分钟 同步表 指针位置反映相位差 指针转动快慢和转向反映待并机与电网的频差大小和方向 同步表外观 二 同步表法 粗同步 并车条件适当放宽 原理 并车时先通过三相空心电抗器连接 经过延时 拉入同步 然后再合闸 注意 电抗器X是短时制 第八节要点 准同步并车方法 原理 粗同步原理 短时制元件 四 电抗器粗同步并车原理 11 9 自动准同步并车原理 本节主要内容有两部分 1 自动准同步并车原理2 自动整步器主要是学习自动并车装置的组成原理和各个部分的作用 作用 代替人工并车操作又称自动整步器 是船舶电站自动化装置一部分 基本功能 1 检测待并机和电网之间频差大小和符号 即方向 并向待并机发出相应转速调节信号 2 检测频差 相位差和电压差 满足合闸条件时发出合闸指令 一 自动准同步并车原理 频差电压信号的获得 频差电压 待并机和电网电压的差值电压的包络线 是脉动正弦波 为了得到线性关系 可变换成三角波 作用 用来判断频差大小和相位差为零的时刻 获得 将电网电压和待并机电压相减 得到幅值大小随时间变化信号 幅值的包络线是正弦波 可经滤波获得包络线 再全波整流 得到频差电压信号Us 发电机与电网的频差减小 Us的周期变长 发电机与电网的相位差为零时 Us信号正好为零 由于正弦波Us幅值大小与相位差不成线性关系 且幅值受电网和发电机电压变化影响 因此可将正弦波变成三角波 用触发器获得电网与待并发电机频差电压的矩形波 再通过积分电路获得三角波 频差电压的说明 注意 书P 183 图11 9 2应改为正弦波 二 自动整步器 组成 两部分 检测 调整 测控 部分 合闸操作部分 图11 9 4是船上的实际装置 功能 根据频差信号的大小和方向 通过伺服电机使待并机增减速 待并发电机组起动完成后 当EIH 215接到并车指令时 首先向EIH 212发出整步控制信号 由EIH 212向EIH 221和EIH 222发出工作指令 EIH 222检测频差的大小和符号 方向 向EIH 212发出使待并发电机组加速或减速信号 并由EIH 212控制待并发电机组的调速器马达执行相应的调节 EIH 221也是对电网和待并发电机进行检测 并判断合闸的时刻 当满足合闸条件时刻到来时向EIH 215发出信号 使主开关合闸 如果频差太大 EIH 212自动向EIH 215发出禁止合闸信号 如果频差太小 则通过EIH 212发出 呆滞扰动 信号 加速 增大频差 使合闸条件能够较快到来 第九节要点 系统的组成原理 工作过程 自动整步器的原理 11 10 船舶应急发电机组 本节主要内容有三部分 1 应急电源2 应急发电机组3 应急发电机的自动起动控制装置主要掌握船舶应急电源的设置情况 了解应急发电机的自动起动控制的过程 规定 1000总吨及以上货船应设应急电源 种类 船舶应急电源可采用应急发电机 大应急 和蓄电池组 小应急 或者两者都采用 小应急电源 下一节介绍 应连续供电30mm 应急发电机又称为 大应急电源 要求 一般采用柴油或汽油发电机组 确保在应急状态下能迅速投入运行 原动机应有独立性和机动性 位置 防撞舱后 舱壁甲板以上 机舱以外 一 应急电源 二 应急发电机组 ZK 135型线路 功能 主电网失电后经延时确认 自动进入起动应急发电机组的程序 起动失败有3次重复起动的功能 起动成功自动投入工作并进入自动监控 ZK 135线路 ZK 135是实船线路之一 属于继电 接触器控制系统 目前 已有各种各样的PLC 单片机控制系统在船上应用 起动程序基本一样 功能一般更多 起动过程分析 起动准备 加速过程 起动失败 正常运行 总要求 主电网失电后自动起动 并自动合闸向应急电网 设备 供电 而一旦主电网恢复供电 则应急发电机立即自动停止工作 线路元件 线路图 三 应急发电机的自动起动控制装置 YD 控制油门杆位置的执行电机 通过蜗轮蜗杆带动一组凸轮KZ 控制A B C D四触头的闭合与断开 SDJ 速度继电器 n 250r min常闭触点断开 n 600r min常开触点闭合 WJ 检测冷却水温 正常 常开断开 高温 常开闭合 YJ 检测油压 低压 常闭闭合 高压 常闭断开 开关 NK1 消声开关 NK2 效用试验开关 时间继电器 SJ1 主电网失电到本装置投入工作延时 SJ2 三次起动失败后报警时间和油门杆复位延时 SJ3 三次起动失败后断开起动环节 接通报警电路时间 大于三次连续起动时间 SJ4 两次起动时间间隔 SJ5 每次起动运行时间 中间继电器 J1 起动程序控制 J2 YD正转 拉大油门 J3 YD反转 关小油门 J4 油门加速控制 J5 声光报警控制 J6 起动控制 J7 YD励磁和油门复位控制 J8 YD反转油门复位时的励磁控制 线路图 线路中元件说明 起动准备 ZK一般保持闭合 DW J1 SJ1 J7 凸轮组KZ的A通 J2 YD正转 带动油门杆和KZ动 到 低速 DS 位置时 A断开 同时B C D闭合 J2 YD能耗制动 油门杆在 低速 位 准备起动 加速过程 SJ1 SJ4 J6 QC 接通起动 4秒后SJ5 SJ4 J6 QC 停止起动 同时SJ5 准备下一次起动 起动失败 SJ3 J5 报警 常闭断 SJ5 J6 SJ4全部断开 当SJ2 J3 J8 励磁 同时 YD反转 柴油机停机 正常运行 SDJ接通J4 J5监控油压 水温 同时断开起动控制回路 第十节要点 应急电源的种类 应急发电机起动控制系统的功能 线路元件 线路分析 11 11 船舶蓄电池装置 本节主要内容有四部分 1 酸性蓄电池基本结构和工作原理2 碱酸性蓄电池基本结构和工作原理3 蓄电池的容量4 蓄电池的维护保养主要掌握酸性和碱性蓄电池的特点 蓄电池的容量和维护保养 蓄电池 可反复充电使用的电池 又称为二次电池 电能 机械能 作用 低压直流电源 通信 助航 信号等设备 负责小应急照明 用途 起动用 牵引车辆用 固定型 其他用等四个系列 便宜 民用广 结构 主要有 容器 极板 隔板等组成 极板为铅 锑合金加压活性物质 正极PbO2 负极Pb纯铅 电解液 27 37 稀硫酸溶液 比重为1 28 1 31 注意 电解液参与反应 前后比重发生变化 原理 铅 二氧化铅和硫酸化学反应 储存和释放电能 化学方程式 PbO2 2H2SO4 Pb PbSO4 2H2O Pb2SO4 判断充放电状态方法 两个 测量电动势 测量比重 比重d与电动势关系 E 0 84 d 一 酸性蓄电池基本结构和工作原理 二 碱性蓄电池基本结构和工作原理 特点 体小 机械强度高 电压平稳 寿命长 易携带 多军用 品种 Cd Ni Fe Ni Zn Ag Cd Ag等 船用 镉 镍 铁 镍 结构 由容器 极板和活性物质构成 外壳带电 电解液 20 的氧化钾水溶液或纯氢氧化钠溶液 比重为1 2 1 27 注意 电解液只起导电作用 不参与化学反应 化学方程式 充电前后电解液不变 Cd 2Ni OH 3 Cd OH 2 2Ni OH 2 判别充电结果 只有测量电势 1 25V 放完1 1 2V 充好1 4 1 8V 容量单位 安时 Ah 容量Q 电流I 时间t 其中 电流为标准放电电流 即经过标准放电时间使蓄电池放完电的电流 标准放电时间 酸 碱性不同 1 酸性 固定为10小时 在25 C下 2 碱性 通常为8小时 注意 超过标准放电电流则蓄电池将 容量大大减小 寿命严重受影响 三 蓄电池的容量 四 蓄电池的维护保养 酸性蓄电池的维护保养 维护保养 9大内容 过充电 电解液的补充 调整 保持清洁 每15 20检查电解液的高度 按时过充 定期全容量放电 不常用 每月充 放一次 充电时 温度不超过额定值 通风 严禁烟火 定期验仪表 用具 每年化验一次电解液 过充电的方法 正常充电后再用10小时放电率的1 2或3 4小电流进行反复充 停电1小时 直到刚一接通电源就发生强烈气泡为止 过充电的6种情况 过放电 大电流放电超限 未及时充电 抽出极板检查后 电解液有杂质 极板硫化充电比重不易上升 碱性维护保养有6大内容 充电前加水 用10 15次后查液面高度 50 100次后换液 应在放电状态下更换 可用水清洗 及时加液 在液中加少量氢氧化锂可增容量 保持透气 防空气进入 防正 负极直接短路 10 12次后过充电 正常充电电流充6小时后以一