船舶电力系统的设计与研究

顾爱武

［滁州市地方海事（港航）管理服务中心，安徽 滁州 239000］

0 引言

船舶属于一种活动在水域的交通运行工具，其电力系统是保障船舶航行稳定性的必要基础，对供电质量以及船舶经济指标等均具有十分重要的影响。随着社会发展与时代进步，现代化船舶电站操作对专业性要求变得越来越严格，船舶电站的自动化水平也在不断得到提升，对电站管理人员的专业水平提出了更为严格的要求。早在20 世纪70 年代之后，我国船舶电力系统就已经形成了具有完善功能且性能比较稳定的控制系统，而在20 世纪80 年代后微机控制系统的出现，为后来的PLC 技术应用铺垫了良好的基础条件。PLC控制技术在船舶电力系统设计应用中变得尤为常见，而在此之间船舶电力系统现代化水平越来越高，现阶段的船舶自动电力综合管理系统具有极其丰富的管理功能，所以提高电力系统设计规范性质量，是船舶总体设计工作中的重要内容，更是保障船舶航行稳定性的必要前提[1]。

1 船舶电力系统特点分析

与其他电力系统相比，船舶电力系统相对比较特殊，甚至存在着更为明显的差异。从整体上来看，船舶电力系统特点主要分为3 个方面：①在大多数船舶电站中，实际容量较小，少部分大功率用电设备的实际功率相当于发电机功率，极易引起电网冲击影响，一旦出现误操作、局部故障现象，则很有可能导致全船产生断电事故，此外随着船舶工况复杂性越来越突出，对电力系统的可靠性具有十分严格的设计要求。②船舶内部空间相对比较窄小，所有的电气设备处于集中摆放的状态，各自之间的影响十分明显，一旦在操作处理过程中存在不规范问题，则很有可能导致给船舶整体航行安全带来威胁影响。③船舶内部电气设备工作环境往往比较差，比如内部环境温度较高，且具有较大的湿度，在船舶内部所产生的振动、冲击、倾斜等现象，均有可能对电气设备的运行可靠性带来影响，如电气设备绝缘体老化、开关接触不良或者误触报警等故障问题。

2 船舶电力系统的组成及设计内容

2.1 船舶电力系统组成

在船舶电力系统的组成结构中，一般分为电源装置、配电装置、船舶电力网以及负载装置等4 个部分[2]。

2.1.1 电源装置

在船舶电力系统中，电源装置指的是发电机装置，一般以发电机组、蓄电池组比较常见。一般可以结合船舶功能需求状况的差异，对电源装置设计内容提出一定的要求，比如可以结合电源装置数量与容量、所在位置的差异，对电源装置的设计提出相关要求。尤其在大型船舶电力系统中，其中的电源装置普遍被安装于机舱内部当中，等同于发电站。船舶电力系统的电源装置除发电机组与蓄电池，还包括配电板、辅助电源装置。

2.1.2 配电装置

配电装置的应用目的是为了满足船舶电力的合理配电需求，一般会有多种类型的配电装置设备，在设计工作中应当结合船舶负载需求容量的实际状况，提高设计工作的合理性与科学性，而在部分配电装置中，可在应急状况下提供二次电源功能。

2.1.3 船舶电力网

船舶电力网指的是对船舶所有供电设备所用到的电缆、电线共同组合而成而馈电系统，其目的是为了使电源电能得以顺利传输至船舶内部的所有用电设备当中。就目前的船舶电力网来看，需求场景的不同，在电力网选择中具有不同的选择，比如应急电网、低压电网、动力电网、弱电电网、照明电网等。

2.1.4 负载装置

负载装置指的是所存在的用电设备，这些用电设备可以将电能得以转化为各种热能、光能或者机械能等能量，如在船舶电力系统中的照明设备、电动机设备、电炉或加热器、通导设备等。在负载装置设计过程中，需要做好对用电设备的保护设计工作，能够充分考虑电力系统运行过程中的系统协调性以及整体功能保护需求，促进电力系统负荷水平得到进一步提升，对电力系统运行稳定性具有极其重要的意义，可以有效延长电力系统的使用寿命[3]。

2.2 船舶电力系统设计内容

在船舶电力系统设计过程中，需要结合设计任务书、明确船舶总体设计意图，在遵循相应的设计标准基础上，合理制定船舶电力系统的功能要求，并且选择相应的设计方案与规范设备选型工作。因此在船舶电力系统设计内容中，可以分为如下3 个部分内容。

2.2.1 设计过程

在初步设计期间，需要及时计算电力系统的总负荷大小，了解电力系统的负荷需求状况以及运行功能信息，以便于合理选择相应的电力设备、总体电网等。而技术设计指的是在完成初步设计之后进一步充实、完善技术设计内容，以便于合理解决船舶电力系统设计细节问题，如优化电力系统与电网协调性设计问题等。最后在施工设计当中，通过在船舶建造阶段的设计工作，提高船舶建造质量、加强对生产环节的细节内容绘制设计工作，在确定施工设备与材料型号、材质等内容基础上，保障船舶整体设计质量的有效提升。

2.2.2 设计任务

船舶电力系统设计任务一般分为多种内容：①在配电系统中的电压频率设计内容；②在电源装置上的设计内容，比如所选择电源装置设备的数量、质量以及要求等；③在船舶配电板、蓄电池充放电以及开关等方面的设计内容；④在船舶供配电系统的设计内容中，如对电力设备、电缆的布置工作；⑤在电力系统的保护设计当中，通过对发电机、电动机、电力照明系统变压器的保护设计，以提高保护设计效果。

2.2.3 设计步骤

在船舶电力系统的设计工作中，需要确定基本的设计要求，在了解设计任务与设计参数基础上，提高船舶电力系统的整体设计规范性。同时还要及时计算出船舶对电力系统的负载量要求，以便于合理确定电力系统设计中的电源装置设计、配电装置设计容量等。在实际设计工作中发现，船舶电力系统往往比较复杂，对变压器数量与供电分级具有一定的要求，因此在结合不同需求基础上，合理确定用电设备数量以及容量。另外还要做好对船舶电力系统的应急需求分析工作，掌握其中的临时照明系统、无线电设备的实际负荷量，并确定蓄电池组的充放电形式、电池容量大小等。最后加强对电力电网控制线路的设计工作，计算船舶电力系统的负载量，确定瞬态电压降能否满足电源装置要求以及配电装置需求等内容，在保障负荷规范要求基础上，将电力系统布置图在设计完毕后及时编制至船舶电力系统的设计说明书以及试车大纲当中。

3 船舶电力系统的设计实践研究

3.1 船舶电站设计

在整个船舶电力系统中，船舶电站可以说是其中的关键部分，对合理配置主电源具有十分重要的意义，属于整体船舶电站设计的重要环节。在规范设计要求中明确规定，船舶电站必须要设计两套动力源，一套动力源用于带动主机运作，船舶在安全航行过程中所用到的助航设备、照明装置以及通讯设备等，可以应用蓄电池供电以提供动力源。此外由于船舶重量设计具有较为严格的要求，因此在电站设计过程中，原动机驱动交流发电机可以在发电机中体现出应有的主电源功能，在船舶辅机设备、航行设备以及其他设备的正常供电。另外在蓄电池机组设计当中，一般以两组蓄电池机组为宜，用于应急电源之用，方便在助航设备、照明设备以及通导设备方面的供电需求，可以有效减少船舶重量[4]。

3.2 配电系统设计

在船舶电力系统的配电系统设计过程中，一般以交流三相配电系统为主，交流三相一般分为三种配电系统。

3.2.1 三线绝缘系统

该系统的主要特点在于，在变压器的作用下，照明系统和动力系统相互连接。因此该系统之间仅有磁联系关系，并不存在电气联系，所以之间的影响作用比较小，如果某一相对船体出现短路事故，也不会出现单相短路电流，因此在电力系统出现单相接地故障的情况下，也不会中断供电的连续性与可靠性，因此在现如今的船舶配电系统设计中多以三相绝缘系统为主。

3.2.2 中性点接地四线系统

这类系统的照明系统和电力系统尽管由同一电源提供电能，但是电压大小并不同，也不需要装置变压器，可以有效减少系统净重量，具有维护便捷、操作方便的优势，但是问题在于，如果需要一相接地，应及时切断电源，因此很难保证在实际供电过程中的连续性与可靠性。

3.2.3 以船体为中性线回路的三线系统

这种系统一般将船体铁作为回路回线，可以减少大量的电缆使用量，有效控制成本支出费用。然而一旦导线绝缘体出现损坏事故，则很有可能出现电流外漏事件，从而引发电源短路现象，这类系统在现阶段的船舶配电系统设计应用过程中十分少。

在上述的3 种配电系统当中，尽管三相绝缘系统可以有效提高供电稳定性与可靠性，然而在多数船舶中对重量控制具有严格的要求，三相绝缘系统往往需要应用到变压器设备，因此一般多以选择中性点接地四线系统。

3.3 配电装置设计

配电装置一般由主开关、变压器、指示仪表以及保护电器装置所组合而成，在接收电能、分配电能以及控制电能方面具有十分重要的功能作用。对于船舶电力系统的配电装置设计工作而言，在实际设计过程中，要确保主电路在系统运行过程中能够正常连接、断开，一旦系统出现故障现象，保护装置可以及时进行工作、切断相应的故障元件线路，并发出警报信号，同时可以有效测量各类电气参数指标，掌握电路状态、开关状态，在系统偏离正常工作状态的情况下，也可以及时发出相应的信号指示灯。对于船舶配电装置设计而言，可以结合安装场景的区别，使实际防护等级和安装方式选择变得更具合理性，以便于提高配电装置设计规范性质量。

3.4 船舶电网设计

在船舶电网设计过程中，主配电板和直接供电设备、分配电板之间的连接方式，即电网设计的重点内容，在连接方式选择过程中可以分为如下3 种。

3.4.1 馈线式

常用的大功率、重点用电设备由主配电板进行供电，而其余用电设备由所分配的电板进行供电，即馈线式供电电缆连接方式，可以有效提高对各类用电设备的集中控制效果，各个系统之间具有较强的独立性与可靠性，然而实际馈线电缆数量相对比较多，一旦某一用电设备出现故障现象，均有可能影响主配电板，甚至对电力系统供电可靠性带来一定的干扰作用。

3.4.2 干线式

将全部用电设备以主配电板在若干条干线的经分配电板进行供电，这类电网设计相对比较简单，对电缆数量要求比较小，然而很难集中控制全部用电设备，因此一旦某一用电设备产生故障现象，则很有可能导致全部干线设备无法正常工作，所以其可靠性难以得到有效保障。

3.4.3 混合式

在功率大、重要的负载装置中采用馈线式，而对于那些小型、功率小的负载装置以干线式为主，其优势在于某一局部线路出现故障，很难对整个电力系统产生负面影响，而提高配置合理性，可以有效保障供电可靠性与稳定性。因此混合式电网设计在船舶电力系统中十分常见。

3.5 船舶电力系统保护设计

在针对船舶电力系统的保护设计过程中，其重点内容一般分为短路保护与协调性保护等两部分。在短路保护工作中，选择性保护设计比较常见，尤其在主发电机保护设计中，一般以一级保护为主，故障延迟时间一般在6s 以内。而我国在船舶设计规范要求中明确规定，对于船舶交流发电机的稳点电流值，普遍为稳定电流的3 倍之上，而在短路延迟保护误差范围中，一般以15%内比较常见，在下一级电源装置的保护设计工作中，确保与发电机保护设计保持应有的设计协调性，能够针对各级线路预留一定的短路选择性保护，确保故障保护延迟时间以6s 内为宜。另外在配电网保护设计中，可以结合三级标准要求进行设计，将断路器保护装置设计于延时保护线路当中，将熔断器保护装置设计于照明系统末端区域，同时以塑料壳断路器保护动力网络，以提高电力系统保护设计质量[5]。

4 结语

综上所述，随着船舶电工领域的快速发展，船舶电力系统的自动化水平越来越高，而机电一体化设计使各个学科之间的界限变得越来越模糊，人工智能与模糊技术的应用使船舶电气自动化水平得到了长远发展局面，对整个航运业将会带来重大的变革性影响，在此之间必须及时跟进行业技术领域的前沿动态信息，以促进我国船舶电站真正走向综合自动化的高阶段发展方向。