船-舶-电-力-系-统-设-计PPT课件

1 船舶电力系统设计 江苏科技大学电信学院 进入 2 船舶电力系统设计教程 前言 第一章概述 第二章船舶电源设计 第三章船舶电网 第四章船舶电力系统保护 第五章短路计算 退出系统 3 前言 随着现代船舶电气自动化程度的日益提高 使得船舶对电力供应的依赖性也越来越强 因此电力系统已成为现代船舶不可缺少的重要系统之一 4 船舶电力系统不仅要在最恶劣的情况下保证不中断对船舶重要设备的供电 又要在工况变化复杂的条件下 维持较高的供电品质 这样就给船舶电力系统的设计带来很大的挑战 为了满足供电要求 船舶不但要配备性能优良 工作可靠的发电设备 而且更应该注重整个船舶电力系统的总体的研究和设计 只有把整个电力系统看作一个整体 综合分析系统中各个环节相互作用和相互依赖的关系 从船舶总体要求的角度出发 合理选择电力系统的配套方案 周密加以协调 并对可能存在的问题采取具有针对性的措施 才能使船舶可靠运行 这就是船舶电力系统设计最主要的任务 5 船舶电力系统是船舶电气系统的之一 其电气系统主要包括以下几大部分 1 船舶电力系统 电源装置 配电和电力保护 2 电力拖动系统 船舶辅助机械电力拖动 起锚缆机电力拖动和起重机等 3 舵机电力拖动系统 4 照明系统 照明系统和航引信号灯系统等 5 电力推进系统 电力推进系统主电路 励磁系统单元及控制和保护 6 船内通信系统 电话操纵信号设备 广播和收音系统等 6 7 无线电通信和导航系统 如无线电通信及雷达 计程器 测探仪和自动驾驶仪等船舶导航设备 8 机舱自动化 如机舱监视报警 主机遥控和自动电站等 9 特种船舶专用设备电气系统 如渔业加工船 海洋调查船 汽车渡船和控泥船等所用设备的电气系统 7 第一章概述 第一节船舶电力系统的组成 第二节设计内容 第二节设计步骤 第二节设计遵循的规范和标准 返回 8 第一章概述 在这一章中 主要介绍船舶电力系统的组成 设计内容 设计程序以及设计应遵巡的规范和标准 第一节系统组成船舶电力系统 是指由一个或几个在统一监控之下运行的船舶电源及与电源相连接的船舶电网组成的 以向负载供电的整体 换言之 船舶电力系统是由电源装置 配电装置和负载三部分组成 是船上电能产生 传输 分配和消耗的整体 如图1所示 9 10 电源装置主要是主发电机 支流或交流 和主配电板 为便于管理 发电机通常集中布置在一个或几个舱室中 住发发电机的控制和监测等功能均由主配电板完成 具有船舶电站的特性 发电机组的控制 配电板及辅助装置称之为电站 11 12 配电装置 网 与电网密切相联的 其主要任务是依据各用电设备 负载 的性质和容量 选择合理的供电方式 合适的配电开关和供电电缆 即配电装置中一般包括供电电缆 配电开关和相关的电气器械等 另外 配电装置中通常还包括一些电力变换器 如变压器 变频器和整流器等 作为电网的二次电源供特殊负载使用 保护装置 对用电设备 负载 加以保护 同时对系统进行协调保护 以提高供电电网的连续性和电力系统的生命力 13 第二节设计内容1 设计过程一般船舶电力系统的设计是采用分阶段的方法来完成 主要分为以下三个阶段 如图2所示 1 初步设计初步设计主要确定总体概貌 解决方案中存在的各种技术关键问题 由于初步设计从根本上确定了以后各阶段的设计方向和轮廓 因此又对总体设计的成败起关键的作用 这一阶段的主要内容是初步估算全船的电力负荷 确定电力系统的主要组成 运行功能以及重要设备的选型意见 并落实主要电力设备的总体布置等 14 15 2 技术设计技术设计是初步设计和施工设计两个阶段之间必要的衔接和过渡 主要是充实初步设计方案 使之在技术细节上得以进一步肯定和落实 并协调电力电网中所有的技术问题 落实主要的电力设备 3 施工设计施工设计是将技术设计付诸实实施而进行的面向建造的设计 因而偏重于生产细节设计 这个阶段需要绘制施工所需的全部图纸 提供电力设备型号和材料的订货明细等 16 2 具体设计任务主要有以下五个 1 决定船舶电力电网的电压 频率和配电系统 2 选择电源装置 如发电机台数和容量的选择 应急发电机容量的选择 电力和照明变压器容量的选择和蓄电池容量的选择等 3 设计配电装置 如主配电板 应急配电板和蓄电池充放电板的结构设计以及配电开关的选择等 4 设计船舶电力网 如供电系统和全船配电系统的设计 电力设备的布置和电缆的选择等 5 船舶电力系统的保护设计 如发电机的保护 电力照明变压器的保护 电动机的保护和系统保护的协调等 17 第三节船舶电力系统的设计步骤 电力系统的设计总体上较为复杂 但一般可归纳为以下几点 1 根据所要设计的船种 船型和主机以及设计规范和船东设计任务书的要求 决定电力系统参数 2 根据轮机专业等业已确定的辅机装置明细 进行全船电力负载计算 确定发电机的容量和台数 有应急发电机的还要进行应急负载计算 并确定应急发电机的容量 3 一般船舶 除发电机作为电源装置外 通常还要通过变压器供电给相应等级的用电设备 如照明 通讯等 所以还要进行变压器容量的计算 并确定台数 18 第三节船舶电力系统的设计步骤 4 一般船舶设有蓄电池组 以供电给临时应急照明或船内通讯设备等 因此必须考虑蓄电池组的容量和充放电方式 5 电源装置确定后 根据船用电器的特点和性质 并根据各具体设备提出的安装位置和要求 进行全船供电系统和电力网络的设计 以及各辅机控制线路设计 6 为进行电力系统短路电流计算和大电动机起动和发电机瞬态电压降计算 7 电力网的电压降计算 校核所选用的电缆是否满足系统电压降的要求 以保证用电设备电源电压合乎要求 19 第三节船舶电力系统的设计步骤 8 电力系统图设计后可进行电力设备布置图设计 对电气设备较多的舱室 驾驶室 机舱集控室 和有特殊要求的舱室 蓄电池室 应绘制其舱室布置图 9 编制技术文件 如设计说明书 设备明细表和备品备件明细表以及试车试航大纲等 上面只是简略的说明了船舶电力系统设计的工作内容和展开设计工作的先后顺序 对不同的船舶 在设计阶段内容会有所增减 由于电力系统是整个船舶电气系统设计的组成部分 因此和其它相关专业有着密切联系 所以设计时应充分考虑与有关专业的联系 否则会影响设计质量 甚至造成返工 其结果将事倍功半 20 第四节设计应遵循的规范和标准 产品的标准化 通用化和系统化是现代化生产的一个重要标志 同样船舶电力系统采用标准化和规范化的设计 对提高船舶电气系统的设计质量 保障使用的安全性和可靠性都起着很重要的作用 因此电力系统的设计人员必须通晓有关船舶规范和标准的要求 关心其新的规定和发展动态 我国在建国以来 在船舶研究 设计和建造方面也制定了一系列的规范和标准 逐步形成来了一个完整的标准体系 下面分别简单介绍国内外有关船舶的规范和标准 21 第四节设计应遵循的规范和标准 1 国内规范和标准我国现行的船舶规范和标准主要包括以下三个部分 国防科工委 国防科学技术工业委员会 批准发布的 中华人民共和国国家军标准 GJB 与电力系统有关的如下 GJB13 84船舶电气规范 GJB14 1 84轮机规范 水面舰船 GJB174 86舰用交流柴油发电机组通用技术条件 GJB75 85舰用三相同步发电机通用技术条件 GJB37 1 85船舶自动控制规范 动力装置 GJB5 83舰用低压电器基本标准 上述标准和规范是对军用船舶研究 设计和建造技术的要求和规则 除主管部门批准外 军用船舶设计不应与其相抵触 22 第四节设计应遵循的规范和标准 2 中华人民共和国船舶检验局制定和发布的规范和技术规则主要是对民用船舶及其设备的基本要求 违反这些规范是船舶入级所不允许的 电力系统有关的如 钢质海船建造规范 长江船舶电气设备规范 除特殊和专门要求外 上述二部分规范和标准在原则上是一致的 可相互参考与借鉴 23 第四节设计应遵循的规范和标准 3 船舶专业标准此标准又分为国家标准 部标准和企业标准三级a 国家标准是由国家计量局发布的在全国范围内统一使用的标准 JB 如 GJB755 81电机基本技术要求GB1497 79低压电器基本标准b 部标准是由主管部门制订 发布个专业范围内的全国性技术标准 如船舶专业部标准 CB 机械专业部标 JB 等 c 企业标准是由企业制订和实施的技术标准 一般来讲 这些规范和标准间隔一定时间就需修改或更新 设计时应参考最新版本 24 第四节设计应遵循的规范和标准 2 国外较先进标准国外先进标准是国际上有权威的区域性标准 一般是世界主要经济发达国家的标准和著名的社团标准 在船舶电方面有参考价值的先进国家标准有 美国国家标准ANSI 英国国家标准BS 德国国家标准DIN 法国标准NF 日本国家标准JIS其中美国国家标准基本上选自著名社团标准 如美国电气与电子工程师学会标准 IEEE 等 这些标准比较简捷 能及时的反映工业社会的要求和动向 内容更详细 具体 具有一定的先进性 25 第四节设计应遵循的规范和标准 另外为了船舶及其设备和系统的入级检验 还必须遵守各船级社的规范 世界上主要的船级社有 英国劳氏船级社LR 美国船级社ABS 法国船级社BV 德国劳氏船级社GL 挪威船级社NV DNV 日本海事协会NK 前苏联的船舶登记局PC 中国船级社CCS 26 第五节船舶电力系统的发展概况 20世纪初开始用电作照明20世纪40年代商船全用上直流电50年代后 大量采用交流电制 部分采用中压降低成本60年代后开始电站自动化 27 第五节船舶电力系统的发展概况 1 电站自动化的四点优势 1 维持船舶电力网系统供电的连续性和提高可靠性 增强船舶运行的生命力 2 提高船舶电站供电质量 使各用电负载处于良好的工作状态 3 大大改善了船员劳条件 减轻值班强度 使船工能有更多的时间和精力从事设备的维护工作 船员级别的分类 船长大副二副轮机长 老鬼 电机长水手长 4 减少船员 提高劳动效率 提高船舶运行的经济指标 28 第五节船舶电力系统的发展概况 2 电站自动化发展过程60年代 单元自动装置70年代 电子计算机控制的超自动化 29 第五节船舶电力系统的发展概况 3 船舶电站全自动化的功能有 1 柴油辅机起动前的预润滑 2 柴油辅机起动前的暖机 3 柴油发电机的自动启动 4 自动切换 5 发电机自动并车 6 发电机自动调频 调载和自动转移负载 7 根据功率的要求 自动控制机组的起停 8 重载询问 9 自动分级卸载 10 柴油辅机和电气故障的自动保护 11 故障时自动停车 12 自动监视 30 第二章电源设计 本章主要介绍船舶电力系统电制的选择 电力负荷的计算及电站发电机组的选择 31 第一节电制的选择 船舶电力系统的电制 即对系统电流的种类 限制 额定电压和额定频率进行选择 电制涉及到船舶电气设备的生产和供应 还会涉及到它与停靠港口码头及协同工作的其它船舶相互间的电气接口问题 因此规定电制也是船舶电力系统标准化的重要内容 32 第一节电制的选择 一般确定电制要坚持以下三个原则 第一 必须保持船舶电力系统电制的统一 不宜采用两种或多种不同的电制 以免引起混乱 第二 所采用的电制应与今后可能协同工作的其它船舶的电制保持一致 以保证相互间的配合和在紧急情况下实施救生 相互应急供电的需要 第三 船舶电力系统的电制 原则上应与陆用电制或经常停靠的地区的陆用电制相一致 33 第一节电制的选择 1 电流种类的选择船舶电力系统常采用交流两种电制 由于交流电制具有许多优点 其重量 体积 电性能 操作和维修等指标占有很大的优势 因此目前一般船舶 不论是货船 集装船还是客船和调查船 都优先使用交流电制 特殊船和小型船舶 可考虑使用直流电制 以照明为主的船 甚至可以采用蓄电池组作为电源设备 我国从30年代开始首先在军舰上使用交流电制 以后逐渐应用到各种船舶 到50年代 大部分船舶完成了向交流电制的过渡 34 第一节电制的选择 2 船舶电力系统线制船舶电力系统采用的线制大致有以下几种 35 第一节电制的选择 绝缘制双线绝缘系统直流负极接地双线系统接地制利用船体作回路的单线系统 36 第一节电制的选择 绝缘制双线绝缘系统单相交流一极接地的双线系统接地制利用船体作回路的单线系统 37 第一节电制的选择 三相绝缘系统绝缘制不接地的四线系统三相交流中点接地的四线系统接地制利用船体作中线回路的三线系统 38 第一节电制的选择 从上可知 一般电力系统的线制分为对地绝缘系统和接地系统两大类 对绝缘系统是指三相系统的中性点 直流或单相的一极 不人为接地的线制 这种线制 在一定的条件下 即使发生单相 单极 接地故障仍能继续工作 可保持供电的连续性 发电机或D d型变压器并联运行可防止内部环流 减少损耗 但发生接地故障时其它非故障相的电压上升较高 通常可达到系统的额定电压的2 5 7 5倍 因此使用此线制时 应提高电力系统绝缘的耐压能力 耐压实验的电压也要提高 39 第一节电制的选择 接地系统是将三相系统中性点 直流或交流的极 人为接地的系统 包括直接接地和在中性点与地之间串入限流电阻或电抗器以及以船体为回路的系统 这种系统的相电压对中性点固定 电网绝缘要求较低 在故障情况下 可检测接地电流 准确切断故障点 防止事故扩大 另外还可消除电弧接地造成的过电压 但是这种系统往往会产生很大的接地故障电流 容易引起火灾 即使一相接地 也应立即切断故障 使供电连续性得不到保障 一般我国的舰舶规定采用对地绝缘线制 而民用船舶可采用各种线制 但油轮只能采用对地绝缘制 40 第一节电制的选择 3 交流电力系统的额定频率人体对30 100HZ最易触电 铁磁材料又以50HZ磁损最小 船舶供电系统的频率 在各种规范中均以50HZ和60HZ作为标准频率 这一规定不包括弱电设备所需的特殊频率以及海上平台等特殊设备的频率 60HZ电制具有较高的同步转速 50HZ具有较低的电磁损耗 二种频率在使用中并无明显的差别 使用50HZ电制的国家主要有 中国 俄罗斯和前东殴国家等 使用60HZ电制的国家主要有 美国 日本 西殴等国 另外船舶上的导航设备 雷达中的电子设备以及微机所使用的电源一般都采用中频 如330HZ 400HZ 500HZ 1000HZ等 我国的舰船规范优先推荐用400HZ世界各国也都在向400HZ靠拢 41 第一节电制的选择 4 额定电压选择国际电工委员会 IEC 推荐的船舶电力系统交流电压等级为 三相 120V 220V 240V 380V 415V 440V 660V 3000V 3300V 6000V 6600V 10000V 11000V 单相 120V 220V 240V 直流供电系统的电压等级有 动力 110V 220V 最高500V炊具电热 110V 220V 250V照明插座 24V 110V 220V 250V 42 第二节负荷的计算 船舶电力负荷是由船上形形色色的用电设备所构成 船舶在远行工况不断变化的条件下 各种用电负荷在运行功率 起动次数或工作持续时间上都带有随机的性质 这些变化因素反映在发电机上 就使得船舶发电机的功率成为一个随机的变量 43 第二节负荷的计算 1 计算电力负荷的目的 1 计算船舶处于各种工况下的平均电力负荷值 并以其中负荷变化最大而波动又小的工况负荷值作为选择主发电机组的依据 2 计算最小负荷工况的平均电力负荷值 以检查发电机组低负荷下的工作情况 3 计算应急工况下的平均电力负荷 作为选择应急发电机组的依据 4 计算停泊工况下的平均电力负荷 作为选择停泊发电机组的依据 计算出来的电力负荷 按照这个数值可以确定发电机的容量 这样既能满足各个工况的供电要求 又能获得最经济和高效率的运行 44 第二节负荷的计算 2 船舶电力负荷的分类及特点船舶电力负荷种类繁多 但大体可划分以下几种类型 1 航行所需负荷航行状态下的电力负荷主要包括主机辅助设备 导航设备 舵机 通风机 机修设备等 这类负荷的大小常为推进主机的功率有关 在运行的过程中变化不大 2 机动工作所需负荷当船舶处于进出港 离靠码头 备航等变工况状态下 各种设备 包括空压机 主动舵 侧推器 系缆绞车 应急消防设备等 工作所需的电力负荷一般较大 而且随机性强 45 第二节负荷的计算 3 船舶泊港所需负荷当船舶处于停泊状态下 各种设备 甲板机械 起货装置和日常生活设备等 工作新需负荷 除靠岸停泊需要开动起货机装卸货外 负荷通常较低 另外靠岸停泊时 应尽可能使用岸上电源提供动力 节省发电机工作时间 4 船舶生活新需负荷日常生活所需负荷 包括照明 烹调 空调 冷藏 船内通分设备等 这类负荷与船舶的性质和季节以及气候有密切关系 46 第二节负荷的计算 3 船舶电力负荷的计算方法目前船舶电力负荷计算方法较多 各有其特点 即使是同一方法在不同用途的船舶上使用也有一些差别 尽管计算方法千差万别 但其基本构思是一样的 即计算船舶各工况下用电设备所需的功率 常用的计算方法有 需要系数法 三类负载法 日夜负载法 概率分析计算法 算式计算法和以某项特重负载为基数的计算方法等 在以上方法中 目前应用较多的是需要系数法和三类负载法 如果系数 负载系数或同时系数选取恰当 则能够得到较准确的计算结果 47 第二节负荷的计算 4 需要系数法1 需要系数概念负载实际需要的功率是由设备的种类及其使用方法决定的 其值可用需要系数计算 所谓需要系数 就是设备使用时的最大需要功率与其额定输入功率之比 即 48 第二节负荷的计算 需要系数随船舶运行工况不同而不同 如对于一般商船 可以取下列各值 一般辅机60 95 舵机20 30 电热设备50 100 一般照明70 80 航行 50 70 装卸货 50 60 停泊 工作灯100 装卸货 有关负载的分类及其需要系数K值可从有关的设计手册中查到 49 第二节负荷的计算 2 同时系数各间断性负载 如电动起货机 不会都在同一时刻使用 所以在确定的条件下 可能运行的各间断性负载的最大需要功率之和 总比所有间断负载所需的最大功率之和要小 日本海事协会将其称为不等系数 我国将其倒数称为同时系数同时系数 1 不等系数 50 第二节负荷的计算 船舶在不同运行状态 其值是不同的 同时还受船舶装载状态 航区和季节影响 通常根据经验和实际试验结果确定 无精确计算值时 同时系数可在0 3 0 5范围内选定 51 第二节负荷的计算 3 负载计算全船电力负载的计算 可按下述方法和程序运行 1 计算各用电设备的额定输入功率 2 选择计算工况 并确定各工况下所需使用的电气设备 并按连续负载和间断负载加以区分 3 确定各用电设备的需要系数 4 计算各用电设备的所需功率 并计算各工况下所需总功率 5 选用间断负载时的同时系数 并计算总需要功率 52 第二节负荷的计算 上述计算可用下式计算 式中 PG 计算总功率 Pci 各连续负载确定输入功率 Pli 各间断负载确定输入功率 Ki 需要系数 K2 同时系数 当间断负载有较大负载时 为计算精确 可采用连续负载所需功率之和 加上最大的间断负载所需功率 再加上其它间断负载所需的功率之和 53 第二节负荷的计算 6 考虑5 左右的网络损失 计算所需的总功率 7 根据上述总功率 选择发电机组容量和数量 并计算各工况下使用发电机的负载率 一般计算负载时 要分类列出各种负载在不同工况下的负载表 或计算书 54 第二节负荷的计算 5 三类负载法如果电气设备具有较充分的数据时 则可采用三类负载法进行全船电力负载计算 由于数据充分 能较准确的求得各用电设备的负载系数 也可以较准确的确定同时系数 因此三类负载法可以求得较精确的计算结果 1 负载分类根据负载的使用情况 将负载作如下分类 55 第二节负荷的计算 1 第一类负载 连续使用负载 如舵机 起货机 照明设备等 2 第二类负载 短时或重复短时使用的负载 如舱底泵 润滑输去泵等 3 第三类负载 偶然短时使用的负载 以及按操作规程规定可以在电站尖峰时间外使用的负载 如机舱起吊机 车床 电焊机等 负载的具体分类也通过有关手册以实际经验确定 56 第二节负荷的计算 2 电动机负载系数计算电气设备的负载系数 是用某一期间内的负载平均需要功率与同一期间内的负载最大的需要功率的比值来表证的 即 对电动机 每台辅机选配的电动机有一额定功率P1 其最大轴输出功率为P2 则电动机的利用系数K1为 K1 P2 P1 57 第二节负荷的计算 而每台辅机又有一实际使用功率P3 由此可求得机械负载系数K2 K2 P3 P2这样电动机负载系数为 K3 K1 K2 P3 P1由于电动机效率 不等 所以电动机额定需要功率P4为 P4 P1 因此 电力负载计算中 电动机实际需要功率P5为 P5 K3 P4 K3 P1 对于交流异步电机 由于在低负载时效率变差 所以实际上电动机在实际使用功率P3下运行的效率并不等于电动机的额定效率 58 第二节负荷的计算 3 负载系数的确定可以根据辅机的轴功率 机械负载系数和电动机的额定功率求得电气设备的负载系数 如 主机冷却泵负载系数变化范围为 0 6 0 9主机循环水泵负载系数变化范围为 0 7 0 9绞车负载系数变化范围 0 3 0 8照明负载系数变化范围 0 6 1 0等 59 第二节负荷的计算 4 同时系数确定第I类负载 有时考虑到各辅机和用电设备最大负载的不同时性 可取其同时系数为0 8 0 9 第II类负载 可按该负载的平均工作时间和工作周期之比来估算 如无确切资料 可从相关手册中查找 第III类负载 在电力负载计算时 通常可以不计 但对于小型船舶或考虑高峰负载时 应予以注意 60 第二节负荷的计算 5 负载计算可按下列方法和程序进行 1 根据有关专业提供的数据 确定全船电气设备 并计算各电动机和用电设备的额定输入功率 2 根据船舶类型选定所需计算工况 按负载分类确定各工况下所需使用的电动机等电气设备 3 计算负载系数 并计算各用电设备在各工况下的实际使用功率 4 计算各工况下各类负载的实际使用功率的总功率 61 第二节负荷的计算 6 考虑5 网络损失 计算所需的总功率 7 根据上述总功率 选择发电机组的容量和台数 并计算各工况下使用发电机的负载率 一般在进行负载计算时 要编制负载表 以便随时调整和查阅 62 第三节电站发电机组的选择 选择发电机组及确定其容量的基本原则 机组发电量应确保船舶在各种工况下对所有负荷的供电要求 即机组的发电量既要满足最大负载工况的供电需要 又要合理地满足其它较小负荷工况的供电需求 因此船舶应设置多台发电机组 机组的台数和容量可根据船舶各工况电力负荷的功率来确定 63 第三节电站发电机组的选择 最好有一台主发电机保证船舶上最大交流异步电机的顺利启动 主发电机组的单机功率P 应满足以下关系 一般情况下 希望不要采用两台或多台发电机组并联运行来起动大功率负载 这样会带来船舶操作不便 64 第三节电站发电机组的选择 如果船舶只设置一个主发电机组时 应配置备用发电机组 保证主发电机组发生故障或平时维修保养时的机动性 通常至少增加一台发电机组作为备用 且需满足以下关系 式中 P 发电机总功率 PbF 一台备用发电机组的功率 Pj 船舶电力负荷计算结果中 功率最大工况的负荷值 65 第三节电站发电机组的选择 发电机组应有一定的容量储备 最好选用同类型发电机组 便于维护 管理和减少备件数量 发电机组的容量和台数 应能在任一发电机组停止工作时 仍能继续对正常推进运行 船舶安全以及具备冷藏级船舶的冷藏货物所必须的设备供电 同时基本生活条件应得到保障 如适当的炊事 取暖 食品冷冻 机械通风 卫生和淡水等设备 当以柴油机作为原动机时 在连续运行条件下 希望其额定输出功率有10 左右的余量 同时不应使柴油机明显地运行在低负载状况 66 第三节电站发电机组的选择 主发电机组至少应为两台 如果发电机组台数为n 则各工况下发电机组使用的台数一般作以下考虑 航行时 一台 二台 进港时 二台 n台 装卸货 二台 n台 具体使用几台 应附加种种条件后确定 由于船舶电站容量小 单机容量与某些大的船舶负载差不多 大功率电机启动时对电网影响很大 所以一般有以下较高的要求 船用发电机组调压器动作时间要快 有强励磁 发电机有较大的承受过载能力 船舶工况变化频繁 船用并车装置要简单可靠 67 第三节电站发电机组的选择 船舶发电机组通常有以下五种 1 柴油发电机组 效率高 机动性强 起动快 2 蒸汽发电机组 基本淘汰 3 汽轮发电机组 4 轴带发电机组 5 核电发电机组 实际参考的例子如下 1 对柴油机船 可考虑下例方案 a 3 D G 或2 D G b 1 ET G 2 D G 3 D G c 1 ET G 1 S G ZD Gd 1 S G 2 D G 68 第三节电站发电机组的选择 2 对涡轮机船 可考虑下列方案 a 2 T G 1 D Gb 1 T G 2 D G其中 D G 柴油发电机 ET G 废气 轮发电机S G 轴带发电机T G 涡轮发电机 目前我国船上应用较多的国产船用发电机有T2H TFHX系列以及引进的DKBH系列 IFC5和IFC6系列 69 第四节应急发电机容量确定 一般规范中规定客船和500总吨位以上的货船均应设独立的应急电源 应急电源即可以是发电机也可以是蓄电池组 应急发电机应该由具有独立的冷却装置和燃油供给 并要求有起动装置的柴油机驱动 1 急发电机容量确定船舶吨位不同 种类不同 应急发电机供电的电气设备范围也略有不同 通常根据下述用电设备所需电功率确定其容量 1 船引灯 信号灯 照明灯设备 2 应急报警和信号装置 3 火灾探测和报警装置及防火门的固定和释放系统 70 第四节应急发电机容量确定 4 紧急状况下所需要的船内通信设备 5 应急消防泵 自动喷水器泵 应急舱底泵及其电动遥控设备 6 应急时使用的舵机 动力操作水密门及其指示器 报警器 7 应急用无线电设备和导航设备等 如有较大的电动机负载 如舵机 由应急发电机供电 确定其容量时 还应考虑到最大电动机起动时瞬态电压降 只要不引起任何电机失速和其它设备失效即可 71 第四节应急发电机容量确定 2 电池容量确定蓄电池作为应急电源 其容量应保证承载规定的供电负载而不必再充电 并在整个放电期间蓄电池组的电压变化应保持在其额定电压的 12 范围内 蓄电池的容量 是指充满电的蓄电池用一定的电流放电至规定放电终止电压的放电量 即 安时容量 放电电流 放电时间 或瓦时容量 安时容量 平均放电电压 72 第三章船舶电网 本章主要介绍船舶电力网的电网类型及选择 电缆截面的计算及选择以及电压损失的计算 第一节概述1 船舶电力网的概念 船舶电力网简称船舶电网 系指介于船舶电源和用电设备之间的传输 分配电能的全部配电装置和网络的总称 它是船舶电力系统主要的组成部分 主要配电装置和配电网络两大部分组成 73 第三章船舶电网 2 船舶电网分类根据供电电源 负载性质和用途不同 船舶电网可分为 主电网 由主发电机通过主配电板供电的网络 应急电网 由应急发电机通过应急配电板供电 或由蓄电池通过蓄电池充放电板供电的网络 一次网络 由主电板直接向区配电板 分配电板和负载供电的网络 二次网络 由区配电板或分配电板向负载供电的网络 动力网络 船舶电网中向动力设备供电的网络 照明网络 船舶电网中向照明设备 电风扇及小容量电热设备供电的网络 弱电网络 船舶电网中向各导航 通信及无线电设备等供电的网络 74 第三章船舶电网 第二节电网类型及选择电网类型及选择即所谓的船舶电网的配电方式 所谓配电方式 是指主配电板和区配电板 分配电板及用电设备之间的电缆和电线的连接和布设方式 通常根据各用电设备的具体要求 并考虑整个电力系统的可靠性 灵活性 经济性及操作管理方便等因素后 选择合理的方式 船舶电网的类型有很多种形式 但基本上都是由以下五种基本类型复合而成 即 75 第三章船舶电网 干线式 mainroutedistribution 如图3所示 76 第三章船舶电网 馈线式 branchdistribution 如图4所示 77 第三章船舶电网 3 干馈混合式 routeandbranchdistribution 4 环路式 loopdistribution 5 网形式 networkdistribution 但目前应用较多是干馈混合式和环路式 1 干馈混合式供电方式所谓干馈混合式是指各区配电板 分配板和重要负载分别由各回馈电电路直接从主配电板获得供电的方式 如图5所示 78 第三章船舶电网 79 第三章船舶电网 这种馈电方式的主要优点是 可降低电缆数量 相对干线和馈线式 保护装置数量少 便于维护 主要供电开关均在一个控制场所 便于集中控制 增加用电设备比较方便 与环路式相比 设备价格便宜 缺点主要有 供电可靠性比环路式低 故主要设备须采用双路供电方式 稳定性和电压调整等指标比环路式差 运行中的灵活性较差 80 第三章船舶电网 2 环路式供电方式所谓环路式是指干线 主配电板 区配电板和分配电板 形式环路 所有用电设备均从该环路获得供电的输配电方式 如图6所示 其主要优点有 1 供电可靠性高 线路发生故障通常不会停止供电 2 系统稳定性高 3 可减少有功和无功功率损耗 提高设备利用率 其主要缺点 1 系统阻抗值减少 增加了短路电流值 2 保护装置动作整定困难 3 监视和调整困难 4 对保护装置的快速性 可靠性要求较高 5 价格较昂贵 81 第三章船舶电网 82 第三章船舶电网 第三节电缆截面的计算及选择1 船用电缆种类 1 种类 按用途可分为以下几种 照明和电力回路 移动设备 控制和通信设备回路 控制设备内部接线 电话 其它特殊装置 配电板用电缆 我国船用电缆的型号可从有关手册中查找 83 第三章船舶电网 2 电缆的芯数和截面我国船用电缆的芯数和截面规定如下表 84 第三章船舶电网 3 电缆允许电流选择电缆时 应保证电缆通过的实际电流低于其允许电流 电缆允许电流取决于电缆的绝缘材料 并以允许最高温度为基准来决定 以电缆的散热量和导体产生的热量平衡状态决定 单芯电缆允许电流计算公式为 85 第三章船舶电网 各种绝缘材料的单芯电缆连续工作电流可从有关手册中查到 如1 5mm2单芯聚氟乙烯电缆的连续工作电流为12A 双芯或多芯电缆的连续工作电流额定 须乘以小于1的修正系数 双芯的修正系数为0 85 三芯和四芯电缆的修正系数为0 70 以4mm2三芯电缆为例 其各种绝缘材料的连续工作电流为 聚氟乙烯绝缘 22 0 70 15 4A 丁基橡胶绝缘 35 0 70 24 5A 乙丙橡胶绝缘 38 0 70 26 6A 硅橡胶绝缘 42 0 70 29 4A 86 第三章船舶电网 4 电缆的短路容量当电力系统发生短路故障时 在保护装置切除故障的很短时间内 电缆将通过比额定电流大许多倍的短路电流 该电流使导体温度急剧上升 可能导致电缆绝缘变形和断裂 护套熔化 以及线芯熔断等故障 所以电缆的短路容量是电缆的很重要参数之一 短路电流 由引起电缆绝缘的电气和物理性质发生显著变化的温度以及能够维持短路电流的持续时来决定 如果知道电缆通过短路电流的持续时间和电缆绝缘材料短路时最高允许温度 那么就可以利用焦耳法求得电缆短路温升 也可以求得各种截面电缆的短路允许电流 根据焦耳法 电缆短路允许电流的计算公式如下 87 第三章船舶电网 88 第三章船舶电网 通常考虑电缆在通过连续额定电流状态下发生短路 因此Tn应考虑为电缆绝缘允许的最高温度 如对铜导体 对于乙丙橡胶绝缘 代入数值可得 89 第三章船舶电网 如4mm2的乙丙橡胶铜电缆 短路时间为0 42s时 最大允许短路电流为 90 第三章船舶电网 2 电缆负载电流的估算正确估算电缆负载电流 是选择电缆截面的主要根据 1 发电机主回路负载电流的估算目前有两种选择方法 按发电机额定电流的100 选择 按发电机长延时保护装置动作整定值选择 2 照明回路负载电流估算 最后支路按各设备的额定电流总和计算 如货舱照明 探明灯 电热器等 注意 灯头必须按能与其连接的最大负载电流计算 最小为60W 91 第三章船舶电网 照明回路的最大负载电流 应为下述负载电流之和 连续负载的额定电流总和 分配电板备用开关额定电流的50 分电箱备用开关的电流 3 电动机馈电回路负载电流的估算 单台电动机回路通常考虑为电动机额定电流的1 2 1 3倍 一般用交流电动机电力分电箱通常可采用下列公式计算 92 第三章船舶电网 式中 Ii 第i台电动机额定电流 A Is 备用回路容量 A 式中 Imax 最大电动机额定电流 A Ii 除最大电动机外的第i台电动机的额定电流 A 93 第三章船舶电网 工作机械用电动机电力分电箱 装卸货用的起货机回路a 用同规格的电机时 2台 总满载电流的100 3台 总满载电流的67 4台 总满载电流的62 5台 总满载电流的58 6台或6台以上 总满载电流的58 94 第三章船舶电网 不同规格电机时 2台 总满载电流的100 3 5台 最大电动机满载100 加上其余每台电动机满载的50 6台及以上 电动机总满载的58 4 蓄电池回路负载电流估算 一般是按最大充电电流计算 5 电力和照明变压器回路负载电流估算 一般可按额定电流的100 来选择 亦可按变压器过载保护整定值来选择 6 岸电回路负载电流的估算通常是根据岸电开关的整定电流来计算 7 区配电板回路负载电流估算 95 第三章船舶电网 区配电板是通过主电板上的馈电用装置式断路器供电的 其负载往往包括电动机负载和其他负载 应分为两种情况估算其电流 当电动机负载比其它负载少时a 电动机负载电流在50A以下时 则电缆的允许电流 电动机负载电流的总和 1 25 其它负载电流 b 电动机负载电流大50A时 则电缆的允许电流 负载电流总和 1 1 其它回路负载电流 96 第三章船舶电网 当电动机负载比其它负载多时 则电缆允许电流 负载电流总和 8 其他回路负载电流估算 直流发电机的均压线电流 按发电机额定电流的一半估算 相复励式自励恒压交流发电机 若采用转子均压线接法时 其均压线电流按励磁回路电流的一半估算 97 第三章船舶电网 3 船用电缆的选择 电缆选择的步骤和原则 根据电缆用途 敷设位置和工作条件选择型号 根据用电设备的工作制 电源种类 电缆线芯和负载电流选择截面 根据系统短路电流计算 判断电缆的短路容量是否满足要求 根据环境温度 对电缆的额定载流量进行修正 再判断电缆的允许电流是否大于负载电流 根据成束敷设修正系数的额定载流量进行修正 再判断电缆的允许电流是否大雨负载电流 校核线路电压降 判断电路电压降是否小于规定值 根据保护装置的整定值 判断电缆与保护装置是否协调 如不协调 判断是否可以改用合适的保护装置或整定值 否则应重新选择合适的电缆截面 98 第三章船舶电网 电缆型号选择应考虑的因素 电缆用途 动力 照明和无线电通讯等 电缆敷设位置 干燥 潮湿 低温 是否要求屏蔽等 工作条件 固定敷设 穿管敷设 可移动等 应遵守的原则 电缆额定电压应大于其所在电路的额定电压 电缆绝缘材料的额定运行温度至少高于环境温度10 在露天甲板 阴湿 潮湿 冷藏处 有蒸汽和出现凝结水的地方 均应具有不透性护套 如聚氟乙烯 氟丁橡胶护套等 应考虑电缆受机械力作用情况 外接电缆至少应为滞燃型 失火报警 探火 应急灭火和失火通信等电路 应考虑耐火型电缆 99 第三章船舶电网 修正系数 电缆的允许电流定额是标准环境温度下的值 如果环境温度高于标准环境温度 则应适当降低电缆的电流定额 须乘以温度修正系数 超过6根以上的电缆成束缚设时 应乘以0 85修正系数 对于短时或重复短时工作制的用电设备的电缆 应根据其实际发热情况 对电缆的电流定额进行修正 有关的修正系数值可通过有关手册查阅 100 第三章船舶电网 第四节线路压降计算1 允许值进行线路压降的计算 是为了核校所选用的电缆回路产生的电压降是否满足有关规范和规则要求 以确保电力系统的供电质量 线路压降的允许值一般为 电力回路 5 10 照明回路 3 6 24V回路 5 10 2 线路电压降计算计算方法很多 一般采用下述公式计算 1 直流二线制回路计算公式回路导线两端的电压降 采用下式计算 101 第三章船舶电网 102 第三章船舶电网 如无法知道R20值 可采用导体截面和导体电导率计算 铜的电导率r 54 m mm2 这时 2 交流单相二线制回路的计算公式 103 第三章船舶电网 104 第三章船舶电网 如忽略集肤效应和互感效应 则K2 1 如忽略电缆电抗 则X 0 于是有 如忽略温度系数影响 即KI 1 又无确切的R20值 则可根据导体的截面S和电导率r计算 则有 105 第三章船舶电网 交流三相三线制回路计算公式与交流单相二线制计算方法基本相同 但其电流应为负载电流的倍 即 106 第三章船舶电网 交流网络平均功率因数计算当计算分电箱干线的电压降时为计算简便 其干线负载功率因数可取分支线功率因数的平均值 即 式中 各支线的功率 各支线的功率因数 107 第四章船舶电力系统的保护 第一节保护的概念船舶电力系统的保护就是通过保护装置的动作 尽快切除故障回路 以使故障涉及范围最小 同时又要最大限度地保证非故障回路连续供电 增加电力系统的生命力 1 电力系统对保护的基本要求 快速切除短路故障 保护装置能自动快速动作 切除故障回路 故障时选择动作 保护装置具有选择性 仅切除故障回路 保证非故障回路的连续供电 108 对设备和回路的最大保护 保护装置应对较大范围的故障电流均能动作 以实现对设备和回路最大保护 保护方式的合理性 根据负载性质和重要程度 合理地运用选择性保护 非选择性保护或后备保护 选择合适的保护装置 保护装置必须具有适当的短路定额 短时额定电流和适当的热容量 合理选择电缆 电缆与保护装置特性要协调 系统保护的协调 整个电力系统保护装置动作协调 配合完好 109 2 保护的内容保护内容主要有如图7所示 发电机保护 馈电回路保护 电源变压器保护 电动机保护 蓄电池回路保护 照明回路保护 其它 如电缆 仪表和电力半导体等 110 111 第二节船舶电网的保护船舶电网保护 按可以实现的保护功能 通常分类如下 选择切断保护方式全定额保护方式保护方式非选择切断保护方式后备保护方式非选择切断保护方式 112 1 全定额保护方式是指电网内所有保护装置所具有的额定短路容量均大于其安装点的推算短路容量 根据选定保护装置特性 可组成选择切断保护方式和非选择切断保护方式 全区域选择保护方式选择保护方式部分区域选择保护方式 113 全区域选择保护方式 是指被串级连接的上位和下位保护装置的各自额定切断电流 在覆盖的整个过电流区域能够选择保护 部分区域选择保护方式 是指被串级连接的上位和下位保护装置的各自额定切断电流 虽然在整个过流区域内不能实现选择保护 但是在某一限定电流范围内 可以选择保护 114 2 后备保护方式系统中设置的保护装置 对于其安装点的最大推算短路电流 短路电流不够的场合 在该保护装置的电源侧 上位 设置对该最大推算短路电流具有足够短路定额的保护装置 以便安全地切断故障回路的保护方式 全区域后备保护方式后备保护方式部分区域后备保护方式 115 全区域后备保护方式 是指对因下位保护装置短路定额不够而设置的上位保护装置的短路定额内的整个过电流区域 能安全地进行后备保护 部分区域后备保护方式 是指对因下位过电流区域 不能安全实现后备保护 但是 在某一限定的过电流区域内 可以实现后备保护 116 第三节变压器的保护1 初级电路保护装置的选定变压器初级电路保护装置一般采用断路器和熔断器 通常采用断路器 一般采用下面三种装置式断路器 1 使用具有长延时和瞬时脱扣器的断路器 如按过载保护要求选择断路器 则瞬时脱扣器的动作电流一般为其10倍左右 117 2 使用只有瞬时脱扣器的断路器 此时 瞬时脱扣器动作电流是按选择性保护要求决定的 这样断路器的额定容量往往要提高 同时要另外设置过载保护装置 3 使用具有三级保护的断路器 具有长延时脱扣器 短延时脱扣器和瞬时脱扣器的断路器 可实现过载保护和短路保护的选择性 但断路器尺寸较大 价格昂贵 118 2 变压器初级电路保护装置整定首先保护装置的短路容量必须大于其安装点的预期最大短路电流 如图8所示 119 1 当采用只有瞬时脱扣器的断路器时 为保证在变压器初级发生短路时应瞬时切断 则 120 为保证变压器在空载状态接通时 瞬时脱扣器不动作 则 121 为保证变压器次级侧馈电负载端短路时 保证瞬时脱扣器不动作 则 122 2 当采用具有三段保护的断路器时 瞬时脱扣器的整定电流IINST应满足上述三式要求 短延时脱扣器的动作电流ISTD应保证 123 当时 应保证延时脱扣器的延时动作时间大于变压器次级馈电保护装置的瞬时脱扣器全切断时间 在满足 的前提下 短延时脱扣器的动作电流应比发电机短延时脱扣器动作电流越小越好 其动作延时时间必须小于发电机保护用短延时脱扣器的延时时间 124 3 变压器过载装置的整定 1 变压器一般过载能力较大 所以对过载保护要求不是太严格 一般过载保护装置的整定电流不大于变压器额定电流的 1 2 1 3 倍 2 通常在变压器初级电路用热继电器过载保护 如图8所示 125 热继电器选定整定电流按式计算 126 电流互感器选定一般选用额定一次电流接近并大于变压器初级额定电流时 电流互感器应达到饱和状态 常在互感器二次电路串一电阻R来调整互感器的饱和度 127 3 变压器回路的保护协调如图9所示 128 1 变压器初级回路保护与冲击励磁电流的协调当用断路器保护初级回路时 其瞬时脱扣器的整定值 必须保证因冲击励磁电流而产生误动作 因此脱扣器的整定值必须大于冲击励磁电流 2 变压器初级与次级保护装置的协调当次级发生短路故障时 次级保护装置应动作 而初级不应动作 当初级发生短路故障时 初级保护装置必须动作 129 3 发电机用空气断路器与变压器初级保护装置的协调变压器初级回路保护采用过电流继电器实现过载保护时 要注意过电流继电器动作特性与空气断路器动作特性应很好的配合 a 两条曲线不应相交 b 继电器特性曲线应位于空气断路器曲线的下侧或左侧 c 继电器曲线必须与变压器初级瞬时脱扣器动作特性相交 d 初级脱扣器整定值应选得小一些以便缩小非选择性保护区域 130 第四节电动机回路保护1 对电动机保护的一般要求 1 功率大于0 5kW和重要设备 电动机 均应设置独立的过载 短路和欠电压保护 2 重要电动机和舵机的过载保护一般应用报警装置代替 3 保护装置的电流 时间特性如与电动机起动周期不相适应 则在电机加速期间可暂时不用过载保护 但短路保护仍保持有效 4 对连续工作的电动机 过载保护的最大持续电流应整定为电动机额定电流的105 120 不应超过125 5 多相电动机用熔断器保护时 应有防止单相的保护 6 对顺序起动的电动机 应设有欠压保护 以保证电压恢复时电动机可以重新起动 131 2 电动机回路的保护方式电动机回路保护装置 通常与电动机的控制设备组装在一起 一般有三种方式 如图10所示 132 1 如图 a 过载保护由电热继电器K2完成 大于600 800 的过载保护和短路保护 由断路器MCB完成 K1用来控制电动机的起停等 2 如图 b 过载和短路保护均由MCB完成 K1完成起停等 3 如图 c 过载和短路保护由MCB完成 电动机起停也有MCB控制 一般用语起动不频繁