2025年《船舶电气》课后习题参考答案

2025年《船舶电气》课后习题参考答案一、船舶电力系统基础参数计算1.1某沿海货船采用两台相同的同步发电机并联供电，单台发电机额定容量为1200kVA，额定电压400V，功率因数0.8，次暂态电抗X''d=0.15（标幺值）。若主配电板母线发生三相短路，忽略电缆阻抗，计算短路电流周期分量有效值。解答：（1）确定基准值：取发电机额定容量为基准容量S_b=1200kVA，额定线电压U_b=400V，则基准电流I_b=S_b/(√3U_b)=1200/(√3×0.4)=1732A。（2）计算短路回路总电抗标幺值：因两台发电机并联，总电抗X''∑=X''d/2=0.15/2=0.075（标幺值）。（3）短路电流周期分量标幺值I''=1/X''∑=1/0.075≈13.33。（4）实际短路电流有效值I''=I''×I_b=13.33×1732≈23100A（23.1kA）。1.2该船需增设一台300kW的电动锚机，额定电压380V，效率0.85，功率因数0.8。若主发电机总备用容量为20%，判断现有两台发电机（总容量2×1200×0.8=1920kW）是否满足新增负载需求。解答：（1）锚机输入功率P_in=P_out/(η×cosφ)=300/(0.85×0.8)=441.18kW。（2）现有发电机总可用功率=1920×(1+20%)=2304kW（考虑20%备用）。（3）原负载总功率假设为P_old，新增后总功率P_total=P_old+441.18。若原负载未超过1920kW（额定功率），则P_total≤1920+441.18=2361.18kW。由于2361.18kW＞2304kW（备用容量限制），因此需校核原负载实际运行功率。若原负载长期运行功率≤1920×0.8=1536kW（经济运行区间），则新增后总功率=1536+441.18=1977.18kW≤2304kW，满足要求；若原负载接近额定功率（如1800kW），则1800+441.18=2241.18kW≤2304kW，仍可容纳。因此在合理负载分配下，现有发电机可满足需求。二、主配电板功能与故障分析2.1简述船舶主配电板的核心组成部分及其功能。解答：主配电板是船舶电力系统的中枢，主要由四部分组成：（1）发电机控制屏：集成发电机的电压调整（AVR）、频率调节（调速器）、同步表、功率表等装置，实现发电机起励、电压/频率调整及运行参数监测。（2）并车屏：配备同步指示灯、整步表、并车按钮及连锁保护，用于两台发电机的同步并车操作，确保并车时频差≤0.5Hz、压差≤5%、相位一致。（3）负载屏：包含各分支电路的空气断路器（ACB）、电流表、电能表，负责向动力负载（如泵类、锚机）、照明负载及应急负载分配电能，具备过载、短路保护功能。（4）汇流排：采用铜排或铝排结构，表面经绝缘处理，作为发电机输出与负载输入的公共连接点，需满足动热稳定性（如承受25kA短路电流不形变）。2.2某船航行中主配电板突发“逆功率”报警，分析可能原因及处理措施。解答：逆功率故障指发电机从电网吸收有功功率（即电动机运行状态），可能原因：（1）原动机（柴油机）故障：如燃油供应中断、调速器卡滞导致转速骤降，发电机输出功率低于电网需求，转为电动机运行。（2）并车操作失误：并车时未准确同步，待并发电机频率低于电网频率，合闸后被电网拖动。（3）功率分配不均：多机并联时，某台发电机调差系数设置不当，导致有功功率反向流动。处理措施：（1）立即检查柴油机运行状态，恢复燃油供应或调整调速器；若故障无法排除，断开该发电机主开关，解列后检修。（2）若因并车失误，需重新调整待并发电机频率（略高于电网频率），待同步表指针缓慢顺时针转动（频差≤0.2Hz）时重新合闸。（3）校核功率分配器参数，确保各发电机调差系数一致（通常取3%-5%），避免负载分配失衡。三、船舶电力推进系统原理与优势3.1对比传统轴系推进与电力推进系统的核心差异。解答：传统轴系推进通过柴油机直接驱动螺旋桨，动力传递路径为“柴油机→离合器→减速齿轮箱→轴系→螺旋桨”，依赖机械连接；电力推进则采用“原动机（柴油机/燃气轮机）→发电机→变频器→电动机→螺旋桨”的电传动模式，核心差异体现在：（1）动力传递方式：前者为机械硬连接，后者为电能软传递，消除了长轴系的振动与磨损。（2）布局灵活性：电力推进的发电机、电动机可分舱布置（如发电机布置于机舱前部，电动机靠近船尾），优化船舶重心与空间利用（如邮轮可腾出更多客舱空间）。（3）调速性能：传统推进依赖柴油机转速调节（调速范围有限，最低转速≥30%额定转速），电力推进通过变频器（如IGBT控制的AC-DC-AC变换器）实现电动机宽范围调速（0-100%连续可调），适应船舶进出港、低速巡航等场景。（4）节能效果：传统推进在低负载时柴油机效率下降（如负载＜50%时效率≤80%），电力推进可根据负载需求启停部分发电机（如两台大发电机+一台小发电机的组合），保持发电机运行在高效区（负载70%-90%时效率＞95%），综合节能15%-25%。3.2某大型LNG船采用AC-DC-AC变频电力推进系统，简述其主电路结构及各环节功能。解答：主电路结构分为三部分：（1）整流环节：发电机输出的三相交流电（如6.6kV、50Hz）经二极管整流桥转换为直流电，滤波电容（C）平抑电压波动，形成稳定直流母线（电压约9000V）。（2）逆变环节：IGBT模块组成的三相逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电（0-120Hz），输出至推进电动机（通常为同步电动机或永磁同步电动机）。（3）电动机控制环节：通过矢量控制（FOC）或直接转矩控制（DTC）算法，根据螺旋桨负载需求调整输出频率与电压，实现电动机转矩与转速的精准控制（转矩响应时间＜50ms）。四、船舶电气设备绝缘检测与维护4.1简述船舶电气设备绝缘电阻的测量方法及标准。解答：测量方法：（1）设备停电并放电：断开被测设备电源，对电容性设备（如电缆、电机）短接放电5-10分钟，防止残余电荷损坏兆欧表。（2）选择兆欧表电压等级：低压设备（≤500V）用500V兆欧表，中压设备（1-10kV）用2500V兆欧表（如船舶6.6kV系统）。（3）接线与测量：单相对地绝缘测量时，L端接被测导体，E端接地（设备外壳或船体）；相间绝缘测量时，L、E分别接两相导体。匀速摇动摇把（120r/min），1分钟后读取稳定值。标准（参考船级社规范）：（1）低压设备（380V/220V）：新安装时绝缘电阻≥1MΩ（相对地），运行中≥0.5MΩ；若低于0.2MΩ需停机检修。（2）中压设备（6.6kV）：新安装时≥100MΩ（每千伏额定电压≥10MΩ），运行中≥50MΩ；吸收比（R60/R15）≥1.3，表明绝缘未受潮。4.2某船航行中发现主电动机绝缘电阻降至0.3MΩ（380V系统），分析可能原因及处理措施。解答：可能原因：（1）绝缘受潮：船舶机舱湿度大（相对湿度＞90%），电动机防护等级不足（如IP54以下），导致绕组表面凝露。（2）绝缘老化：长期高温运行（超过绝缘等级允许温度，如B级绝缘＞130℃），绕组漆包线漆膜开裂，绝缘性能下降。（3）机械损伤：船舶振动导致绕组与机壳摩擦，绝缘层破损，出现局部接地。处理措施：（1）初步干燥：对受潮设备，采用外部加热（如红外灯烘烤）或内部通低电压电流（10%-15%额定电流）进行烘干，每小时测量绝缘电阻，直至稳定在0.5MΩ以上。（2）绝缘修复：若因老化或机械损伤，需拆除电动机端盖，检查绕组外观（如有无焦痕、磨损），对局部破损处涂覆绝缘漆（如环氧漆），严重时需重绕绕组（需符合船级社认证的绝缘材料）。（3）加强防护：检查电动机密封情况，更换老化的密封圈（如采用硅橡胶密封圈），确保防护等级不低于IP56；在机舱增设除湿机（控制湿度≤70%），定期（每月）检测绝缘电阻并记录趋势。五、船舶电气保护装置配置与配合5.1说明船舶低压断路器（ACB）的三段式保护功能及整定值原则。解答：三段式保护包括瞬时保护（I段）、短延时保护（II段）、长延时保护（III段）：（1）长延时保护（III段）：模拟热脱扣功能，用于过载保护。整定值Iset3=(1.1-1.3)×Ie（Ie为线路额定电流），延时时间t3=10-30s（根据负载启动特性调整，如电动机启动时间长则延长延时）。（2）短延时保护（II段）：用于短路电流较小的场景（如分支线路）。整定值Iset2=(3-5)×Ie，延时时间t2=0.2-0.5s，确保与下级断路器（如MCCB）的选择性配合（下级先动作）。（3）瞬时保护（I段）：用于大短路电流（如母线短路）。整定值Iset1=(8-15)×Ie（发电机出口断路器取高值，如15×Ie），无延时，快速切断故障。整定值配合原则：上下级断路器的Iset需满足Iset上＞Iset下×1.2，延时时间差≥0.2s，确保故障时仅最靠近故障点的断路器动作，避免全船停电。5.2某船照明分电箱断路器频繁跳闸，分析可能原因及排查步骤。解答：可能原因：（1）过载：照明负载总电流超过断路器额定电流（如新增LED灯具但未校核总功率）。（2）短路：线路绝缘破损（如穿线钢管毛刺划伤电缆）导致相线与地线或相线间短路。（3）断路器故障：脱扣机构卡滞、热元件老化（双金属片变形）导致误动作。排查步骤：（1）测量负载电流：用钳形电流表检测分电箱总电流，若超过断路器额定值（如100A断路器测到120A），需减少负载或更换更大容量断路器（需校核导线载流量）。（