船舶电气配电系统方案设计探究

王森 陈涛

【摘要】船舶电气是以电能、电气设备和电气技术为手段，利用电工、电子技术维持与改善船舶室内空间的电、光、热、声环境的一门科学。在船舶物内部人为创造并保持理想的环境，以充分发挥船舶物功能的电工、电子设备系统，统称船舶电气。由于电能具有配置灵活、控制简便、污染小等优势，人们一直希望在舰船上广泛采用电力作为能量传输的方式。随着大功率电力电子技术和永磁、超导等新材料的迅速发展，使得电力设备的功率密度不断提高，促使电力推进技术在商船上广泛应用，并逐渐向军用舰船领域扩展。本文介绍了现代船舶电气配电系统的一些合理性设计方案和建议，充分利用资源，合理的设计符合可持续发展的科学方针。

【关键词】船舶;配电系统;电气;设计

1.引言

近几年，电子技术、计算机技术发展迅速，新技术、新器件层出不穷，越来越多地应用到船舶行业中，已成为推动行业发展的重要因素。大型施工机械、照明控制、监控、报警、对讲等智能化工程施工与管理，急需既懂专业知识又掌握电子技术的复合应用型人才。电气工程专业的教学改革和教材建设应主动适应市场变化，开拓创新，反映时代特色，面向经济建设和社会发展，有鲜明的行业特色，突出高职教育的特点和培养目标。本文也从多角度分析了船舶电气配电系统的方案设计，为广大同行作参考。

2.负荷等级及供电要求

2.1 负荷等级分类

电力负荷应根据供中断供电及电可靠性在经济、政治上所造成的影响或损失的程度，分为一级、二级和三级负荷。对于某些特等船舶，需要一级负荷。一级负荷中的特别重要负荷是指中断供电将影响中断供电或计算机网络正常工作甚至将发生火灾、爆炸以及严重中毒的灾难性后果所需要的负荷标准。其他用电配备情况可以酌情降低负荷等级。

2.2 供电要求

根据《船舶电气规范》，一级负荷应当由两个电源供电，当一个电源发生故障或受到损坏时，另一个电源可以应急在正常情况下工作”。二级负荷“宜由两回线路供电”，即当发生线路常见故障或电力变压器故障时不致中断供电，也可以说中断后能迅速恢复。设计中常采用一路高压电源供电或者采用一用一备两路高压供电。三级负荷对供电无特殊要求。此外，根据《船舶设计防火规范》以及《船舶设计防火规范》对消防用电设备进行负荷等级划分，对于二类高层船舶的消防用电按二级负荷要求供电并且消防用电设备应采用专用的供电回路。火灾事故照明和疏散指示标志可采用蓄电池作备用电源，其配电设备应明显标志。

3.计算负荷的有关参数及公式

3.1 确定用电设备组或用电单位计算负荷的公式：

a.无功计算负荷Kvar

Q30=P30/tanψ

式中tanψ是指设备给定功率因数角与用电单位或用电设备组功率因数角的正切值

b.有功计算负荷（KW）

式中：为用电单位或用电设备组的需要系数;为用电单位或用电设备组的总容量;

c.负荷视在（KV·A）

S30=P30/cosψ

d.电流计算（A）

I30=S30/UN

式中为用电设备组或用电单位供电电压额定值（KV）

3.2 确定多组用电设备组或多个用电单位总计算负荷的公式

a.有功计算负荷（KW）

式中，为各组的计算负荷（KW）;为有功负荷同时系数，由设备组计算车间配电干线负荷时可取=0.85～0.95，由设备组直接计算变电所低压母线总负荷时可取=0.8～0.9。

b.无功计算负荷Kvar

式中，为各组无功计算负荷（Kvar）;为无功负荷同时系数，由设备组计算车间配电干线负荷时可取=0.9～0.97，由设备组直接计算变电所低压母线总负荷时可取=0.85～0.95。

c.视在计算负荷（KV·A）

d.计算电流（A）

I30=S30/UN

式中为用电设备电压额定值（KV）

e.无功补偿公式

补偿前

补偿后

4.基于直流区域配电系统的舰船综合电力系统方案

设想的核商船的主要设计要求为：采用汽轮/电力混合推进;电力推进功率2200kW左右;其他全船用电负载最高达2800kW左右，并要求满足1B1备用原则。

4.1 发电机配置

由于尾部空间和总体重量平衡的限制，推进电机采用高功率密度的永磁电机。永磁电机一般采用变频调速方式，考虑到核商船应急航行时以蓄电池作为电源，电力推进采用直流供电。又由于断路器分断能力的限制，发电机单机功率不宜超过2000kW。根据负载功率的要求和备用原则，有3种发电机的配置方案可供选择。

方案一：2台1200kW/1000V高速整流发电机给推进电机供电，2台3000kW/390V交流发电机给全船其他负载供电。该方案中电力推进电源不能给其他负载供电，不能称其为综合电力系统。更为不利的是，需要研制难度很高的低压、大电流交流开关。

方案二：采用直流区域配电系统构成综合电力系统。设置2台2000kW/1000V高速整流发电机和2台2000kW/390V交流发电机，交流功率不足的部分由整流发电机经逆变器供给。该方案可以解决交流开关分断能力限制问题，但是由于难以采用合适的配电方式，系统极为复杂，同时面临交、直流2种系统中的困难：交流系统仍存在故障隔离差，难以实施模块化建造的缺陷;直流系统需要采用大功率逆变，并且需要解决大功率逆变器并联运行问题，如果采用变压器进行隔离/滤波，则会使逆变器的尺寸/重量相当可观。此外，原动机如何配置也面临两难：4台汽轮机的尺寸/重量较大，并且冷凝器难以设计;2台机则会使系统稳定性大为降低。

方案三：采用直流区域配电系统。全船设置2台4000kW/1000V高速整流发电机，向包括推进电机在内的全船负载供电。

4.2 系统方案

以舱室作为区域，每个区域都可以设置1台或多台区域配电模块，与直流干线进行连接，其原理相当于脉宽调制（PWM）式DC/DC变换器。功率电子器件采用绝缘门双极型晶体管（IG-BT），兼作区域故障保护。区域中还设置电力变换模块，完成DC/AC变换，用于驱动交流负载，并提供故障保护。重要负载采用两路供电，两路供电分别来自左舷和右舷干线，利用直流电的单向性，可以十分方便地实现自动切换。

大功率交流负载（50kW以上），主要有反应堆一回路循环泵、主循环泵、给水泵、制冷机、螺杆压气机、液压泵、海水泵等，传统上都是采用鼠笼式感应电机，只能定速运行。但是实际上，这些负载都有调速运行的需要，都希望能根据负载的情况对电机转速进行调节，而不是靠阀门来消耗多余的能量。因此可以给这些负载设置专门的电力变换模块，应用PWM技术将区域配电模块提供的直流电逆变成直接驱动电机的三相交流电，同时起到软启动、调速和保护的作用。也可应用永磁电机技术，采用启动、控制、保护、散热机电一体化的驱动方式。永磁电机的尺寸比传统电机小30%，其驱动部分可以和电机集成，不必占用额外的空间。如果采用热管、水冷等先进技术，还可进一步减少体积/重量。

小功率交流负载，无论是400Hz中频设备还是50Hz异步电动机，都可采用区域逆变器集中供电。与传统系统和方案二比较，可以取消交流主配电板、直流主配电板、可靠配电板、主变流机组、主变控制屏等大型电气设备，隔离滤波变压器的体积/重量大大减小，甚至可以取消。通过简化热力系统和电力系统的配置，足以换取区域配电模块和电力变换模块所需空间，且布置更为灵活。美、英等国的研究经验表明，基于现代电力电子技术的直流区域配电系统的全系统尺寸/重量明显低于传统的交流辐射式系统。

5.结束语

本文浅谈了部分船舶电气配电系统设计以及安装的参数分析及合理化建议，符合现代可持续科学性发展观，为电气学术领域提供有效资源，充分利用资源，合理的设计符合可持续发展的科学方针，希望在此基础上能够提出更多合理性意见和方案。

参考文献

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[2]王士政编.工矿企业电气工程师[M].中国水利水电出版社，2002，9.

[3]刘介才编.供电工程师技术[M].机械工业出版社，2008，1.

[4]电力工业部西北电力设计院编.电力工程电气设备手册（电气一次部分）上、下册[M].中国电力出版社，2007，4.

[5]刘介才.工厂供电简明设计手册[M].机械工业出版社，2009，6.

作者简介：王森（1988—），男，山西运城人，硕士，现供职于海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，研究方向：电力集成技术。