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第4篇 船舶电站电网 第2章 船舶配电系统第2章 船舶配电系统2.1 船舶配电装置船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并对发电机和电网进行保护、测量和调整等工作的设备，它是由多种开关、保护电器、测量仪表、调节和信号装置等电器设备按一定要求组合而成的，其功能有：1. 正常运行时接通和断开电路（手动或自动）。2. 电力系统发生不正常运行时，保护装置动作，进行报警或切断故障电路。3. 测量和显示运行中的各种电气参数，如电压、频率、电流、功率、功率因数、绝缘值等。4. 进行某些电气参数或有关的其它参数的调整，如电压、频率等。5. 对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号指示。船舶配电装置的种类，按其用途可分为以下几类：1. 主配电盘对船舶主发电机的工作及船上所有用电设备的供电进行通断、监视、控制和保护的配电盘。2. 应急配电盘对应急发电机及其所供给的应急负载起通断、监视、控制和保护的配电盘。3. 充放电盘用来控制和监视充电电源的工况与蓄电池组的充放电，并将蓄电池组的电能分配给船上低压直流用电设备。4. 岸电箱在船舶进厂时或停靠在码头时，船上发电机停止供电，将岸上电源线接到岸电箱，再由岸电箱送电到应急配电盘或主配电盘后再向全船供电。5. 分配电盘将由主配电盘输送来的电能向不同区域的成组用电设备进行配电。分配电盘通常根据配电负荷的性质分为：动力、照明、无线电、助航通讯等多种类型。下面分别对几种配电装置逐一进行简单说明。主配电盘：船舶发电机发出的电能先送到主配电盘。其作用是控制和保护发电机、负载馈线及用电设备，还能测量各种电气参数，指示工作状态，监视电网绝缘，控制发电机的并联运行等。它是船舶电站电能集中和分配的控制中心。主配电盘主要由以下几部分组成：1. 发电机控制屏：一般包括含有励磁控制部分、发电机主开关及其指示与操纵机构、发电机保护单元自动装置及测量仪表等。2. 并车屏：一般安装有母线分段开关、同步并车用电抗器及其接触器，有的船装有自动并车装置也放在本屏内，在面板上有同步表、同步灯及转换开关。3. 负载屏：分为重要动力负载屏、非重要动力负载屏、照明负载屏及重要负载组合启动屏等。负载屏上装有起通断和保护作用的塑壳式自动空气开关和检测负载电流大小的电流表，有的还有绝缘监视器，以及与应急配电盘和岸电箱联系的自动开关。4. 汇流排：一般为紫铜制成，宽度在15100之间，厚度在28之间，其载流量一般按照所有发电机并联运行时的额定电流的75计算，如果一根母线的载流量不够，可采用几根迭加，但此时的安全载流量应相应降低。应急配电盘：包括应急发电机控制屏和负载屏，应急发电机控制屏主要包括主开关和必要的测量仪表、转换开关和互感器，负载屏主要向应急用户供电。应急发电机组装有自动启动装置，一旦主电网失电，应急发电机组将按程序自动启动，建立电压后并能自动合上应急发电机主开关。图4-2-1 主发电机、应急发电机及岸电间的联锁关系岸电箱：岸电箱能满足接岸电时的各项要求。1. 岸电箱内应设有能切断所有绝缘极（相）的自动开关，在岸电箱与主配电盘上应有岸电指示灯；2. 对岸电为中点接地的交流三相系统，应设有一接地接线柱，以便将船体接到岸上的接地装置或岸上电网的零点；3. 应有检测监视岸电极性（直流）和相序（交流）的措施；4. 接岸电时，还需注意将拖引的电缆固定在框架上，再接岸电箱端子，以使电缆端子不受机械应力。为防止非同期供电运行，在主发电机、应急发电机和岸电之间应有联锁环节，如图4-2-1所示，这一环节能满足如下要求：1. 当有一台主开关处于合闸状态时，断开应急发电机自动启动装置，禁止岸电开关合闸；当所有主发电机主开关均处于跳闸状态时，应自动启动应急发电机，并供电；当主发电机恢复供电时能自动断开应急发电机主开关。2. 当应急发电机主开关合闸时，禁止岸电开关合闸，并且不允许通过联络开关向主配电盘供电。3. 当主发电机或应急发电机合闸供电时，不允许岸电开关接通。2.2 船舶主开关船舶主开关又称万能式自动空气断路器，是一种带有保护装置的开关电器，对主电路进行过载、短路、欠压等保护，常分为塑壳式和框架式两种，国内船舶常用的万能式自动空气断路器主要有DW95、DW98、DW914 (AH)等几大类。万能式自动空气断路器的结构如图4-2-2所示，主要由触头系统、灭弧装置、自由脱扣机构、锁扣装置、操作传动机构、合闸操作及控制电路组成。图4-2-2 万能式自动空气断路器的框图2.2.1 触头系统一般每相有23个相互并联的触头组成，即主触头、辅触头和弧触头。主触头承担电路正常的工作电流；弧触头是为了避免主触头断开时产生的电弧烧坏主触头而设置的；辅触头是考虑到断开电路时，在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。触头系统在合闸瞬间的接通顺序为：弧触头辅触头主触头；分闸时触头系统断开的顺序为：主触头辅触头弧触头。当弧触头出现故障失去作用时，辅触头可以代替弧触头工作。主触头一般由导电性能良好的银钨合金制成，辅触头一般用紫铜制成，弧触头一般用铜或钨合金制成。下面以目前使用较多的DW914(AH)型主开关的触头系统为例作简单介绍。触头系统由图4-2-3可以看出，有两挡触头，包括主触头和弧触头，保证弧触头先于主触头接通，而迟于主触头分开，以便限制主触头的电磨损，主触头每相有2个，弧触头每相有1个，触头系统采用电动补偿回路，保证了足够的电动稳定性，正常使用中，弧触头不用更换，必要时，可方便地更换动静触头，三相触头装在绝缘性能良好的底板上，构成了断路器的触头系统。灭弧室采用了栅片灭弧方式，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，当燃弧时，灭弧室下端形成一个压力区域，对电弧产生了气吹作用，加速了电弧向上的运动，该措施有助于灭弧，有效地防止了相间短路。1 静弧触头 2 静主触头 3 底板 4 触头支架5 软连接 6 支架 7 触头弹簧 8 接点9 绝缘拉杆 10 螺母 11 调整螺杆 12 动触头13 动主触头 14 动弧触头 A 弧触头开距 B 主触头开距图4-2-3 触头结构示意图2.2.2 灭弧装置自动空气断路器通常采用灭弧栅进行灭弧。灭弧装置由许多长短不一的铁质栅片和绝缘材料构成的灭弧罩组成。为减少电弧进入栅片的阻力，灭弧栅做成“人”字形缺口，相邻栅片的缺口互相错开，按一定的间隔距离交叉排列。当断开电路产生电弧时，由于电磁力的作用，将电弧吸入栅片，分割成许多短的小段，从而实现迅速灭弧的效果。2.2.3 自由脱扣机构自由脱扣机构的功能主要为：将手柄或电动合闸部分的操作传给触头系统；当合闸操作完成后，维持触头系统处于接通状态；保护部分动作能够使它自由脱扣。自由脱扣机构一般采用四连杆机构。2.2.4 锁扣装置发生紧急情况时，为了不间断供电，有时不得不采取宁使电气设备受损伤，也要保证供电的原则，这时可将万能式自动空气断路器的锁扣装置放在锁的位置，把脱扣器锁住。2.2.5 操作传动机构万能式自动空气断路器的三种操作传动方式：手柄合闸操作方式；电磁合闸操作方式；电动机合闸操作方式。常用的万能式自动空气断路器一般采用按钮合闸操作，用按钮去控制电磁铁或电动机进行合闸，此外一般还保留手柄操作方式。合闸操作的步骤是：首先，使断路器内部的储能弹簧储能，再使自由脱扣机构“再扣”，然后利用已储能的弹簧释放能量使主触头快速闭合。合闸时间与操作无关，仅与断路器内部机构有关。采用电磁合闸，合闸时间在0.1秒左右，采用电动机合闸，合闸时间在0.30.4秒左右。断路器的机构采用多连杆结构，采用了滚轮滑动支点，减少了脱扣环节的磨擦，减少了脱扣力，保证了脱扣力的稳定性，提高了机构的寿命和可靠性。下图为DW914(AH)型主开关的操作传动机构,图4-2-7为电磁铁合闸机构示意图，图4-2-4为闭合位置，图4-2-5为脱扣位置；图4-2-6为分闸位置（即复位再扣位置）。参照图4-2-7所示，主轴5焊上连接杠杆，两边的连接杠杆上装有分闸弹簧，中间的连接杠杆与机构的连杆15相连，组成自由脱扣机构。图4-2-4所示，为机构处在闭合位置，由图可以看出，触头的闭合条件是脱扣杠杆13的一端顶住脱扣杆12和连杆14相连的活动转轴，连杆14和连杆15相连接的活动转轴被合闸掣板子19顺时针转动一个角度，具备了分闸的条件，因此当给分闸信号时，脱扣指20拔动脱扣掣子19顺时针转动一个角度，脱扣杠杆13也顺时针向下转动。自由脱扣机构被瓦解，断路器脱扣，此时为图4-2-5的位置。由于再扣弹簧7的拉力作用连杆14和15之间的转轴受力，如图4-2-6所示，即机构再扣复位，为再次闭合准备了条件。手动闭合是由于手柄逆时针向下转动，手动合闸连杆8带动合闸连杆9逆时针转动，推动合闸连杠11顺时针转动，推动连杆机构完成闭合操作手柄闭合仅作为检修、维护、调整之用。电磁铁合闸是由铁心导杆10向上运动，直接推动合闸连杆11，完成闭合操作。 图4-2-4 闭合位置 图4-2-5 脱扣位置 图4-2-6 机构复位图4-2-7 电磁铁合闸机构示意图2.2.6 储能机构对于部分型号的船舶主开关带有电动或手动的储能机构，作用是在主开关分闸后为下次合闸作好准备。下面就以DW914(AH)型主开关的储能机构为例作简单介绍。DW914(AH)型主开关的储能机构由图4-2-11和图4-2-8的闭合位置,图4-2-10储能再扣位置来表示,其自由脱扣机构和电磁铁合闸原理相同。如图4-2-11所示，手动储能手把向下转动，带动手动储能连杠向上，（图4-2-11的30、31），同时带动手动储能杠杆和棘抓，使棘轮顺时针转动。在图4-2-8的位置为储能弹簧释放后，断路器闭合位置，图4-2-11中储能弹簧的释放使凸轮带动连杆26，上升到最高点，从而推动合闸连杆10向上运动，使合闸连杆9顺时针转动推动连杆机构快速合闸，达到闭合位置，当接收到脱扣信号后，掣子19顺时针转动，由于分闸弹簧和触头弹簧力，也使脱扣杠杆13顺时针转动，连杆机构瓦解，成分闸位置，如图4-2-9。手把逆时针向下运动，带动棘轮顺时针转动，连杆26向下运动，使合闸储能杠杆也顺时针转动，使储能弹簧拉伸，当脱扣杠杆13复位到再扣位置，弹簧储能完毕，为再次合闸准备了条件，其位置如图4-2-10所示。 图4-2-8 闭合位置 图4-2-9 分闸位置 图4-2-10 储能再扣位置图4-2-11 储能合闸机构示意图电动储能杠杆23为电动储能用，其工作原理与手动储能相同，当断路器断开后，电动机马上储能。储能以后断路器慢合闸为机构调整用。将机构右侧的小方拨块向上抬起，顶在合闸弹簧杠杆32的缺口处，按手动合闸按扭，然后将手动储能手柄逆时针向下扳动，触头将慢合闸。2.2.7 电磁铁合闸操作电路的原理各种万能式自动空气断路器的机械原理基本接近，主要区别在电气控制部分，下面分别就常见的DW95、DW98、DW914(AH)三种类型的万能式自动空气断路器的电磁合闸操作电路的原理进行分析：1. DW95电磁合闸操作电路的原理图4-2-12是DW95电磁合闸操作电路原理图，其工作原理是：(1) 发电机建立电压。(2) Us经V10、R42、R43对C10进行充电。(3) 合闸时，按下SB1，使继电器KA通电，KA的常开触头闭合自保，KA的常闭触头断开，切断电源对C10的充电，KA的另两个常开触头闭合，接通整流电路电流输入，整流电路有直流输出，使电磁铁YA通电。(4) 电磁铁YA通电后，拉伸弹簧储能。(5) C10放电完毕，又使KA释放，KA的常开触头断开，切断整流电路的交流输入，使已储能的弹簧复位，释放能量，使断路器主触头闭合，实现合闸。(6) KA常闭触头闭合，接通C10的充电回路，为下次合闸做好准备。图4-2-12 DW95电磁合闸操作电路原理图2. DW98电磁合闸操作电路的原理如图4-2-13所示：(1) 发电机建立电压。(2) Us经R、Z对C进行充电。(3) 合闸时，按下A，使继电器KA通电，KA的常开触头闭合自保，KA的常闭触头断开，切断电源对C的充电，KA的另两个常开触头闭合，接通整流电路电流输入，整流电路有直流输出，使电磁铁CD通电。(4) 电磁铁CD通电后，拉伸弹簧储能。(5) C放电完毕，又使KA释放，KA的常开触头断开，切断整流电路的交流输入，使已储能的弹簧复位，释放能量，使断路器主触头闭合，实现合闸。(6) KA常闭触头闭合，接通C的充电回路，为下次合闸做好准备。图4-2-13 DW98型主开关电磁合闸操作原理图3. DW914(AH)电磁合闸操作电路的原理，如图4-2-14所示：(1) 发电机建立电压后，按下电磁控制开关，KA1通电。(2) KA1通电后，常开触头闭合，KA2吸合，合闸控制线圈KM通电，快速将动衔铁吸上，利用动衔铁的质量与速度，通过电磁合闸柱销，对四连杆机构产生较大冲力，推动合闸机构合闸。(3) 合闸后，自动开关的辅助触头DW闭合，继电器KA3通电吸合，其常闭触头KA3断开，继电器KA1失电，造成KA2失电，从而使合闸控制线圈KM失电，电磁吸力消失，合闸动衔铁恢复原样，为下次合闸作好准备。4-2-14 AH型主开关电磁合闸原理图2.2.8 万能式自动空气断路器脱扣器的工作原理脱扣器是万能式自动空气断路器的保护元件，可实现失压、过流、手动分励脱扣等功能，其原理示意图如图4-2-15所示：脱扣器可分为过流脱扣、失压脱扣和分励脱扣。过电流脱扣器有电磁式和半导体式，目前船舶所用万能式自动空气断路器一般使用半导体分立元件或集成电路。图4-2-15 脱扣器原理示意图 图4-2-16为DW95万能式自动空气断路器所使用的脱扣器的原理框图。图4-2-16 DW95电子脱扣器原理框图关于过电流脱扣器的整定值，我国的钢质海船建造与入级规范规定：1. 过载小于10，可设一以延时继电器控制的音响报警装置，它可整定在小于发电机额定电流的1.1倍，经小于15min的延时发出报警。2. 过载1050之间，经小于2min的延时，自动开关应分断。建议整定在发电机额定电流的125135延时1530s自动开关分断。2.2.9 万能式自动空气断路器的维护要求做好万能式自动空气断路器的维护工作，可以保证其工作的可靠性，延长其使用寿命。主要的维护工作建议如下：1. 每六个月活络部件加润滑油，固定部件紧固螺丝检查收紧。 2. 每六个月动、静触头检查表面光洁度，测量厚度，为原厚1/3时动、静触头同时更新。3. 每六个月灭弧室及栅片清除灰尘，检查栅片间有无熔接并处理，灭弧室烘潮。4. 每六个月检查合闸控制器和合闸线圈及分闸线圈，内部清洁。5. 每六个月对各保护电路板检查，清洁，如有备件则更换使用。6. 每一年对开距和超行程测量，如超过说明书要求则调整。7. 每二年对脱扣器的电流整定值和延时时间进行校调。8. 对超过34机械寿命或电气元件寿命的，对脱扣器的电流整定值和延时时间每年进行校调，其保养周期也应相应缩短。2.2.10 万能式自动空气断路器的常见故障及处理方法故障现象故障原因处理方法手动操作合不上闸失压脱扣器无电压或线圈烧坏检查线路，施加电压或更换线圈贮能弹簧变形，导致闭合力减小更换贮能弹簧反作用弹簧力过大重新调整机构不能复位再扣调整再扣接触面至规定值电动操作合不上闸操作电源电压不符更换电源电源容量不足增大操作电源容量电磁铁拉杆行程不够重新调整或更换拉杆电动机操作定位开关失灵重新调整控制器中整流管或电容器损坏更换整流管或电容器有一相触头不能闭合一般为自动开关的一相连杆断裂更换连杆限流开关脱开机构的可折连杆间的角度变大调整至原技术条件规定要求分励脱扣器不能使开关分断线圈短路更换线圈电源电压太低更换电源或升高电压再扣接触面太大重新调整螺丝松动拧紧螺丝失压脱扣器不能使开关分断反力弹簧作用力变小调整反力弹簧如为贮能弹簧，贮能弹簧变小调整贮能弹簧机构卡死消除卡死原因带负载后立即分断过电流脱扣器瞬时动作整定值太小调整整定值使用一段时间后自动分断过电流脱扣器长延时整定值偏小重新调整热元件或半导体电路元件变质更换热元件或半导体延时电路元件失压脱扣器有噪音反力弹簧压力大重新调整铁芯工作面有油污清除油污自动开关温升过高触头压力过分降低调整触头压力或更换弹簧触头表面过分磨损或接触不良更换触头或清洁接触面两个导电件连接螺钉松动拧紧螺钉辅助开关发生故障辅助开关动触头卡死或脱落拨正或重新调整装好动触头辅助开关传动杆断裂或滚轮脱落更换传动杆和滚轮或更换整个辅助开关半导体过电流脱扣器误动作在查明故障后，确认半导体脱扣器本身无损坏时，大多情况可能是外界电磁干扰如附近有大的电磁铁工作或电焊2.3 配电板的维护配电板是用来接受和分配电能，并对发电机和电网进行保护、测量调整的设备，它是由调节设备、信号装置、测量仪表各种开关和保护电器等设备组合而成。2.3.1 配电板的基本要求和与功用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（原动机转速），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的工作状态进行信号显示。2.3.2 配电板的维护周期及技术要求1. 检查配电盘表面测量仪表是否完好，指示是否正常，每2年应校验一次；检查地气灯是否完好，各种报警装置是否可靠正确报警；日常注意检查各指示灯指示是否正常，如有异常或损坏及