舰船电力系统网络结构分析

冒如权

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

0 引 言

舰船电力网络是舰船电力系统的一个组成部分。在舰船电站配置确定的条件下，电力网络结构型式的选择对保证供电的可靠性和生命力［1］起着决定作用；特别对于战斗舰艇来说，舰船电网设计要求供电连续性强、可靠性高。确保当某处发生故障时，电力系统应能通过网络的迅速调度，切除或隔离故障部位，最大限度地满足所有剩余负载的正常连续供电，将故障影响降到最低。因此，选择高可靠性电力网络结构和重要负载多路供电措施，对舰船电力系统设计至关重要。根据装舰负载容量，舰船总体设计依据的规范和生命力、可靠性要求，舰船电站设计有单主电站、两主电站和多主电站电力系统方案。下面分别对以上三种舰船电力系统的设计及特点进行分析，并计算几种常用典型系统供电通路的概率，提供设计选型建议。

1 单主电站电力系统

单主电站电力系统指全船数台发电机组组成一个主电源。油船、拖船及各类工程船等执行非直接战斗任务的辅助舰船，考虑到采购成本和运行经济性，常参照民船规范设置一个主电源，即一个主电站。主配电板汇流排之间设置隔离开关，将主配电板分成独立的两段或数段，一是当一段主配电板及连接负载线路故障切除故障部分，确保剩余负载的连续供电，二是对影响航行安全和人命安全负载从主配电板沿两舷两路供电，提高供电可靠性。

根据舰船吨位大小和装舰负载数量，配电系统有主配电板直接向负载分电箱直接供电和主配电板经分配电板向负载分电箱供电两种型式。小型舰船因负载容量小、数量少，一般采用主配电板直接供电（见图1）；负载数量多的舰船，一般除重要负载由主配电板直接供电，其余负载由设在各负载集中区域的分配电板供电，可减少穿舱电缆的敷设（见图2）。当主电源失电时，为保证航行安全设备和人命救生设施的正常工作，只设有一个主电站的舰船一般还设置应急电站；在正常情况下，应急配电系统作为主配电系统的一部分，主电源经主配电板向应急配电板供电；主电源失电后，由应急电源通过应急配电板向应急负载供电［2］（见图 3）。

图1 直接供电

图2 经分配电板供电

图3 应急负载供电

单主电站电力网路的特点是电力网络结构简单、层次清楚，配电系统设计中合理分配负载连接，可以保证重要负载的供电可靠性，自动化要求不高，在航行安全和人命安全得到充分保障的前提下，可有效降低采购成本。

2 两主电站电力系统

两主电站电力系统是指全船数台发电机组组成前、后两个主电源。执行战斗任务的大、中型舰船，为保持较强的电力系统生命力和供电连续性，设置前、后两个主电站，当船体相邻舱室破损仍能保持不沉时，有一个主电站保持完整，可供使用，为全舰最大用电工况提供电力。

根据前、后电站之间跨接线连接型式可分为单跨接网络和双跨接网络。采用单跨接线连接前、后电站主配电板，形成半环型网络，控制跨接开关的开闭，前、后电站可分区和联网供电（见图4）；前、后主配电板分两舷采用双跨接线连接，形成电源型环网，双跨接线互相联锁，一用一备，提高供电线路可靠性，可分区和联网供电，实现电站多模式组合运行（见图5）。

图4 单跨接线网络

图5 双跨接线网络

为了降低战损对电力系统供电连续性的影响，跨接线分别沿舰两舷尽可能远的敷设，设置在左舷、右舷的上部和下部，连接舰船各电站发电机组，两路电缆应尽最大可能地拉开在横向和纵向上的距离，提高供电生命力。前、后电站采用跨接线连接，通过前、后主配电板、区配电板、分电箱向负载供电，对于重要负载由前后配电两路两舷直接供电，在一个主电站故障情况下，仍能提高全舰电力供应，确保重要负载供电的连续性和可靠性。

两个主电站电力网路的特点是层次清楚，通过合理的电站运行模式组合，用电负载能从两个电站获得电能，供电可靠性高。但这种方式结构较复杂，采用冗余的电站设置，建造成本高，在管理和保护上比较复杂，技术水平要求高，一般采用自动电站实现。

3 多个电站电力系统

多主电站电力系统是指全船数台发电机组形成多个独立主电源。随着舰艇大型化、任务多样化，装船负载数量多、容量大，可靠性要求高，以及受保护设备能力限制，在发电机组容量较大、数量较多的舰船，一般设置多个主电站。设置前、中、后三个独立主电站，三个电站通过敷设在两舷的跨接线连接起来，形成网格型电力网络，在一个主电站出现故障时，剩余的两个主电站可保证全舰最大工况供电需要。重要负载可从两个电站获得供电，提高了设备的供电可靠性和连续性。根据供电负载与主配电板的连接关系可区分为：一是通过主配电板经分配电板至负载或重要负载主配电板直接供电（见图6）；二是负载通过舷侧区配电板供电两种（见图7）。前者连接方式是两个电站的拓展，后者每台发电机组分两路向两舷区配电板供电，再通过两舷跨接电缆将区配电板连接。此种方式供电电源生命力高，敷设电缆较多，但区配电板设置在舷侧，增大了战损几率。

图6 普通多电站电力网

图7 舷侧区配电板供电网络

为了提高电网可靠性，负载采用两路或多路供电。不过，过多的备用，增加了系统的复杂程度，反之，则会降低整个系统的可靠性。增加敷设电缆，不仅使采购与建造成本增加，并且贯穿各个区域的电缆（尤其是穿过水密舱壁的电缆）也影响了舰船的生命力，因此，又提出区域配电技术［3］（见图 8）。 通过在负载集中的区域设置独立电站，设备由该区域内电站供电，并在两舷设置两根母线，可以通过跨接方式由其他区域的电站供电。

图8 区域配电网络

网格型电力网络结构是两个主电站电力网络结构的拓展，其特点与其基本相同，只是电站的容量有所增加，管理和控制更加复杂。区域供配电方式特点是大量配电板的馈线电缆无需穿过水密舱壁，因此，既能降低敷设电缆的数量和价格，更好地适应现在区域造船需要，并且大部分电缆和电站可以在各区段完成安装调试，提高施工效率。不足之处是电站分布于多个独立舱室，管理复杂且自动化要求较高。

4 典型电力网络结构供电概率分析

舰船电力系统的生命力和供电可靠性与电力设备和负载到电源通路密切相关［4］。在不考虑设备故障的情况下，供电通路的多少直接关系到供电可靠性［5］，而供电通路的多少则由选择的电力网络结构决定。根据大、中、小型舰船电力系统设计情况，以下述四种常用典型电力系统网络结构为例，计算对某一负载的供电概率，并加以比较。为计算方便，不考虑系统中设备和节点的故障，只考虑电缆供电线路的概率，其受损概率由电缆长度和敷设位置的影响［6］。

反之，供电电缆保证供电的概率P［L］为：

（2）舷侧方向供电电缆保证供电的概率P［S］，取决于供电线沿舷侧方向的敷设位置。

若沿两舷船体敷设P［S］取0.5；若沿船中线面敷设P［S］取1；若在中线面和舷侧船体壳板之间敷设时，则根据其离船体中线面的距离取：P［S］=0.5～1。

（3）供电电缆保证供电的总概率

根据以上公式和某型船供电电缆敷设情况，计算各线段保证供电的概率，计算结果见图9～图12。

设n根供电电缆，其保证供电概率分别为P［1］、P［2］…P［n］，其损坏概率分别为

将此n根供电电缆串联，只要有一根供电电缆损坏，整个串联线路将不能保证供电。故n根供电线串联后，保证供电概率P［SE］为：

将此n根供电电缆并联起来，则只有当所有供电电缆都损坏时，整个并联线路才不能保证供电。故供电线并联式保证供电的概率P［PA］为：

图9 单电源单路直接供电

对于图9，单电源单路直接供电，电动机M的供电只有一条通路，其保证供电的概率为：

P［A］=P［A1］P［A2］P［A3］=0.95×0.8×0.95=0.722；保证供电的总概率

图10 两电源两路供电

对于图10，两电源两路供电，电动机M的供电有两条通路，其保证供电的概率为：

同理，P［B］=0.95×0.8×0.95=0.722

电机供电总概率为：

图11 两电源单跨接线两路供电

对于图11，两电源单跨接线两路供电，电动机M的供电有四条通路，其保证供电的总概率为：

图12 两电源双跨接线两路供电

对于图12，两电源双跨接线两路供电，电动机M的供电有六条通路，其保证供电的总概率为：

通过以上计算发现，图12保证供电的总概率最高，正是因为供电通路的增加，供电的可靠性也不断增加，所以在电力系统网络设计时，应权衡考虑经济性和可靠性，选择电力系统网络结构。

5 结 论

电力系统设计时采用的电站数量和电力网络形式，主要由依据设计参照的规范标准和对电力系统生命力要求决定。单电站主要应用于不直接参与战斗，遭受战斗损伤几率小的舰船，如救援、打捞、拖带等辅助舰船；两电站主要应用于对电力系统生命力和可靠性要求高的战斗舰艇；多电站主要应用于电站容量较大、机组数量多、供电可靠性要求高的大型战斗舰艇。电力系统设计时，应综合考虑生命力、可靠性、经济性、技术可实现水平等多方面情况，提高负载供电通路，实现高可靠性供电。

［1］李红江，鲁宗相，朱凌志，等.舰船电力系统生命力评估研究［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版）.2007（3）：533-536.

［2］王东鹤.船舶电力系统的设计与研究［D］.大连海事大学，2006.

［3］冀路明，张怀亮.舰船配电网络结构研究［J］.船舶工程，2009（2）：35-38.

［4］黄巧亮，刘国海，刘维亭，等.船舶复杂配电网络结构可靠性评估［J］.船电技术，2009（3）：20-24.

［5］喻浩，焦绍光.舰船电力系统可靠性研究初探［J］.船电技术，2006（4）：21-24.

［6］孙诗南.舰船电力系统的研究与设计［M］.北京：国防工业出版社，1991.