改装船增设大功率电动机对船舶电站容量的影响

孙瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400)

改装船增设大功率电动机对船舶电站容量的影响

孙瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400)

船舶电力负荷计算是选择船舶电站容量的依据，但大功率电动机的启动电流会对发电机组产生很大的影响，必须对电站容量进行验算。文章结合本公司74 000 DWT系列自卸改装船项目、使用启动电压降法和瞬时启动电流法来验算船舶电站容量，对今后船舶改装时电站容量的选择或大功率电动机启动方式的选择有重要借鉴意义。

船舶电站容量；瞬态电压降；瞬时启动电流

在改装船项目中，经常会遇到船东要求更换船舶电站，或在原电站的基础上增加艏侧推等大功率电机的改装任务。遇到这种情况，船厂一般都会依据设计院的《电力负荷计算书》来进行发电机容量与电力负荷的对比。但是，仅考虑发电机功率是不完整的，电站容量还必须依据侧推电动机的启动电压降和启动电流重新进行验算，避免因电站容量偏小而造成侧推电动机启动失败，使船厂蒙受损失。

笔者结合自身实践，并以74 000 DWT系列自卸改装船为实例，介绍在电力负荷计算的基础上，同时使用瞬时电流法和电压降法来验算船舶电站容量的步骤。

1 船舶电站容量的选择

1.1 电力负荷计算

电力负荷计算是一项较为复杂的工作，这是因为全船用电设备的实际负载和具体使用工况受多种因素影响，且部分数据需根据统计计算或经验获得，难以准确地定量计算。对于改装船项目，可在原电力负荷计算书的基础上，加入新增负荷并选取合适的系数，来获得完整的电力负荷计算结果。

在进行电力负荷计算时，通常要考虑船舶运行工况，大致可分为：海上航行、进出港、停泊、装/卸货、应急工况。分别把新增负荷加入到计算书中，如果是更换电站的改装，必须更新计算书中发电机组的数据。

以下为74 000 DWT自卸改装船的相关参数。

1)发电机。型号，1FC5 556-8TA83；数量，3台；功率及电制，900 kW AC440 V 60 Hz；额定电流，1 443 A。

2)艏侧推电动机基本参数。型号，ARN630d-6；功率及电制，1 500 kW，AC440 V 60 Hz；额定电流，2 365 A；直接启动电流，15 136 A；侧推电动机直接启动电流曲线见图1所示。

图1 启动电流曲线图

在对原电力负荷计算书中的数据进行更新后，加入艏侧推1台，功率1 500 kW,连续负载，用于进出港工况。若取使用系数0.8，此时3台发电机并联运行，计算出电站负荷率为83.1%，该结果满足总负荷对电站功率的要求。

1.2 大功率电动机启动对发电机电压波动的影响

大功率电动机启动时，发电机瞬态电压降低。其瞬态电压降与发电机的基本参数和电动机基本参数有关。IEEE No.45中规定: 消防泵、锚机等在1 h内启动次数少的设备，在配电板处的启动时电压降应低于18%；而空调、空压机和冷藏装置等在1 h内经常启动的设备，在配电板处的启动时电压降应低于10%。

《船舶设计手册》中提供了3种计算发电机瞬态电压降的方法[1]，分别介绍如下。

1)根据突加的感应电动机电抗计算。对于自励同步发电机，当直接启动感应电动机时，其瞬态电压降Δu为：

(1)

式中：Δu为发电机瞬态电压降，%；x′d为发电机直轴瞬态电抗(标么值)；x″d为发电机直轴次瞬态电抗(标么值)；xL为突加负载电抗(标么值)。

2)根据根据感应电动机启动电流计算。当忽略电路阻抗时，可以利用感应电动机的启动电流等参数计算方式：

Δu=

(2)

3)对于鼠笼式电动机，可以根据启动时的视在功率计算。其公式如下：

(3)

式中：Δu为发电机瞬态电压降，%；x′d为发电机直轴瞬态电抗(标么值)，当发电机为自励时，用(x′d+x″d)/2代替x′d；PO为 给负载供电的发电机额定容量之和，kVA；PM为负载启动时的视在功率，kVA。

除此之外，还可以利用瞬态电压降曲线图解计算，其它一些公司也有自己的计算方法。但是不论何种计算法都比较复杂，并且需要提取发电机的详细参数，这在修船项目中都比较难以取得。笔者选择了可以代入明确数值的启动电流法尝试计算，其结果为11.56%。用启动视在功率法计算，其结果为9.72%。

因该型船配备的艏侧推是可变螺距螺旋桨侧推，一次启动完成后可以通过调节螺距来调节输出功率和推力方向，不需要重复多次启动，属于在1 h内启动次数少的设备，计算出的电压降符合IEC的要求。

1.3 大功率电动机的启动电流

受船舶电站容量限制，船用大功率电动机通常不选择直接启动的方式，而采用降压启动。常见的降压启动方式有如下几种。

1)Y-△降压启动，启动电流为直接启动的1/3。

2)自偶变压器降压启动，启动电流根据自偶变压器的抽头而定。

3)软启动器启动，启动电流根据所采用的软启动器。

4)变频启动，启动电流一般为额定电流的1倍多，但价格昂贵。

本例采用的是价格相对较低，灵活可靠的自偶变压器降压启动方式。查找设备工作资料，可以明确得到侧推厂家选配的启动器的启动电流Ist(约3 548 A),不高于电动机额定电流的1.5倍,启动时间在10～15 s。

从工程估算的角度出发，若要确定该电站容量是否满足侧推电动机启动的要求，可以从侧推电动机的启动方式和发电机主开关的选择性保护来综合考虑，就能得到比较明确的答案。

2 发电机的负载特性及主开关的过流保护[2]

并联运行的发电机首先必须具有大致相同的负载特性，即外特性曲线斜率基本相同，才能够保证在突加大负载时每台发电机分配的功率基本一致，不至于出现某台发电机过载而跳闸，造成发电机组并联运行失败。按照船级社规范，同时要求每台发电机具有一定的过电流特性。

2.1 发电机允许运行的过电流范围

引起发电机损坏的主要原因是短路或过载电流产生的热量和电磁力。长时间过电流运行产生的热量会使绝缘老化。发电机允许过电流运行的范围主要由流过定子(电枢)绕组的电流决定，而该电流值将直接反映在主配电板上发电机主开关的选择性保护整定值上。

2.2 发电机主开关的过流保护

在船舶电力系统中，把发电机的较小的过电流称为过载，严重的过电流例如短路才称为过电流。有些地方把1.1倍IN称为小过载，1.5倍IN称为较大过载，短路称为严重过载。而相对应的主开关的保护跳闸称为长延时脱扣、短延时脱扣、瞬动脱扣。

按照船级社规范和发电机的新旧程度，以及船东对发电机充分保护的考虑，发电机主开关过流保护的设定可能略有不同。我们在此重点关注的是长延时脱扣的设定值，因为该时间段与侧推电动机的启动时间重合，是决定侧推电动机能否成功启动的关键。该船船东最后确定的长延时脱扣设定为1.2倍IN,延时20 s。

3 船舶电站容量或侧推电动机启动方式的确定

至此，我们已经知道了侧推电动机启动需要的电流以及船舶发电机组能够提供的短时过载电流值。从电力负荷计算书中可以看出，艏侧推的使用是在海上航行工况，此时已运行的船舶辅机和其它负载的总功率约是591 kW,考虑功率因数cosφ=0.8,通过计算得出，此时消耗的电流Im约为969 A。由此，可以对电站允许短时过载电流Io和艏侧推电动机启动时整船所需电流Is进行比较。

Io=∑1.2IN=5 194.8 A,

(4)

Is=Ist+Im=3 548+969=4 517 A。

(5)

该电流Is小于电站允许短时过载电流Io，即IsIs作为验算船舶电站容量的依据被认为是有效的。

由此可知，解决问题的方法有2种：一是选择更大容量的电站；二是为侧推电动机选择更小启动电流的启动器，需根据改装工程的实际情况而定。

4 结束语

综上所述，如果船舶配备了较大功率的电动机负载，确定电站容量时，还应考虑到最大电动机启动时瞬态电压降、瞬态电流需求等因素，避免因考虑不周发生设计失误、造成不必要的经济损失。

[1]陈可越.船舶设计实用手册-电气分册[M].北京：交通科技出版社,2007.

[2]林华峰.船舶电站[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998.

According to the electrical power balance calculation,ship power-station capacity can be achieved,but when an increased high-power motor is installed,its heavy start current will affect the power balance.In this paper,an instance is referred in the modified ship projcet of the 74 000 DWT self-unloading vessel,and the momentary starting current calculation and instantaneous voltage drop calculation will be applied to confirm both the power station capacity and the starting method of high-power motor.

ship power-station capacity;instantaneous voltage drop;momentary starting current

孙瀚文(1978-)，男，河南荥阳人，高级工程师，大学本科，主要从事电气系统的实船制造、调试技术工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.008

2015-07-14