船舶电力系统及其自动控制
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1.4 船舶电力系统的基本参数

船舶电力系统的基本参数包括电流种类(电制)、额定电压和额定频率和线制。正确选择船舶电力系统的基本参数,可以保证整个系统的可靠性、稳定性和经济性。

1.电制的选择

由于电源有直流电源与交流电源之分,所以船舶电力系统也相应有直流船舶电力系统与交流船舶电力系统之分,习惯上把它们称为直流船与交流船。20世纪50年代以前建造的船舶绝大部分是直流船,而后随着科学技术的发展,从20世纪60年代以后建造的船舶主要是交流船,20世纪70年代后除特种工程船舶外,几乎都采用了交流电力系统。

交流船的电气设备在维护、保养等方面的工作量比直流船要少得多,且交流电机结构简单、体积小、质量轻、运行可靠,其相应控制设备也简单。交流船又分成单相交流电系统、三相三线绝缘系统与三相四线系统等几种形式。当采用三相三线绝缘系统时,照明网络与动力网络没有电的直接联系,因此对地绝缘电阻低的照明网络基本上不影响动力网络。采用交流电制后,船舶的造价和维修费用也有明显的降低。

2.额定电压的选择

船舶电力系统额定电压的大小直接影响到电力系统中所有电气设备的质量和尺寸、价格等技术经济指标和人身安全问题。提高电压主要是使电缆网络的质量减轻、外形尺寸减小,但对电力系统中的其他元件的质量、尺寸特性影响并不大,且中压设备价格贵。

我国《钢质海船入级规范》规定:一般交流电网采用50Hz,380V;固定安装的电气设备采用380V或220V;可携电气设备一般采用24V。目前运行中的或正在建造中的远洋船舶主电站动力电网的额定电压不是采用的380V就是采用的440V,照明电网的额定电压不是采用的220V就是采用的110V(100V)。临时应急照明电网与弱电电网一般采用24V。

由于船舶电站容量的增加,在一些大型船舶、工程船舶及舰船上电站容量已达数万千瓦,这时仍采用低压系统标准显然已不合理,所以这类船舶大多采用陆上相应的3300V或6600V中压等级标准。

3.额定频率的选择

交流船舶电力系统的额定频率均选用陆上的标准等级,有50Hz和60Hz两种标准,通信导航设备除外。提高频率在一定范围内可提高自动化系统动作的快速性,还可减轻电机、变压器、换能器、自动化元件的质量并减小它们的尺寸,但对电缆及电力系统中的其他元件却有相反的作用。

频率的提高还存在一些问题,如与之相配套的中频电机、电器和仪表,需要制造高速机械装置和高速轴承与电机配套;交流阻抗增大,损耗也就增大等。另外,由于高速运行,机械噪声也就较大。

4.线制的选择

我国船级社的钢质海船入级与建造规范、钢质内河船舶入级与建造规范规定船舶电力系统可采用的线制有直流、交流单相、交流三相。其中交流三相最常用的是三线绝缘系统。三线绝缘系统是系统的中性点不接地的线制,其特点是AC 220V照明电源由AC 380V或440V电网经变压器获得,照明系统与动力系统是经过变压器相联系的。由于在照明与动力两系统间只有磁路的关联,而没有电路的直接联系,相互间的影响小,所以照明系统一旦出现绝缘故障时对动力系统的影响将大为减小。

1)直流

(1)双线绝缘系统,如图1-2(a)所示。

(2)负极接地的双线系统,如图1-2(b)所示。

(3)利用船体作为负极回路的单线系统,如图1-2(c)所示。

图1-2 直流线制

2)交流单相

(1)双线绝缘系统。

(2)一线接地的双线系统。

(3)一线利用船体作为回路的单线系统。

3)交流三相

(1)三线绝缘系统。如图1-3所示为三线绝缘系统,它是将系统的中性点不人为接地的线制。其特点是照明系统和动力系统是通过变压器相联系的,在两系统间只有磁的联系而没有电气的直接联系,因此相互间的影响小,尤其是使得易出现绝缘故障的照明系统对动力系统的影响大为减小。当系统中发生单相接地时,不会因单相短路而产生短路电流使系统保护跳闸,这样,系统即使发生单相接地故障仍然能继续工作,可最大限度地保持供电的连续性。另外,当系统中发生单相接地时,不会影响三相线间电压之间的对称关系,只是使接地相电压变为零,而非接地相的电压升为线电压值(3倍),这时系统仍可供电。但必须在短时间内寻找出接地点并予以排除,以免长期使非接地相工作在线电压下,造成绝缘损坏。因此,中性点不接地的三线绝缘系统一定要有绝缘监视装置的配合,以保证在出现单相接地或绝缘下降时,能及时发出警报,通知人员尽早地处理,从而防止电力系统演变成破坏性故障或造成人身伤亡。

图1-3 三线绝缘系统

(2)中性点接地的四线系统。如图1-4所示为中性点接地的四线系统,它是将系统的中性点人为接地的线制。其特点是电力系统和照明系统可由同一电源供给不同的电压,省去了变压器。该系统的过电压倍数小,且维护方便,不需要经常检查电网的绝缘电阻,但当单相接地时便形成短路,必须马上切断故障,因此其供电的连续性难以得到保证。在中性点接地的四线系统中,具有较大的中线电流和三次谐波环流,这与三相负载的不对称及两台并联发电机的有功和无功负载分配不均有关,因此发电机组要加接均压线,以把不均匀度限制在规范的规定范围以内。

图1-4中性点接地的四线系统

(3)利用船体作为中性线回路的三线系统。如图1-5所示为利用船体作为中性线回路的三线系统。由于利用了船体的铁壳作为回路的馈线,所以该系统可节省大量的电缆,简化配电装置。但当导线绝缘损坏时,可造成较大的漏电而引起短路,因此目前该系统仅用于少数小船上。

图1-5 利用船体作为中性线回路的三线系统

现代船舶绝大多数采用三线绝缘系统,但对于电力系统有较高安全和可靠性要求的船舶,则应采用中性点对地绝缘线制;只有兼有安全性和经济性要求,且允许单相短路又不会造成严重后果的船舶,才可以考虑采用中性点接地线制;以船体作为电气回路的接地系统应少用或不用。