基于柴电推进技术的船舶电网的设计

苏梦梦+卢黄城+王进东

摘要：船舶电网是船舶电力系统中的输配电装置，直接影响全船的供电质量以及设备的运行安全。柴电推进是主流的电力推进方案，因此对于柴电推进船舶电力系统的设计分析和研究有着重要意义。本次设计主要完成了基于柴电推进技术的船舶电网的设计，论文首先分析设计准则、电机启动器和器件设计所有材料，然后对设计的基本参数和短路电流进行计算。设计属于船舶电网的初步设计，具有一定实际参考价值。

关键词：柴电；船舶；电网；短路电流

船舶航行区域广阔特别是远洋船舶，其电气设备的工作环境往往比陆用设备要差，所以对船舶用电气设备的设计要求也往往比陆用电气设备要高。在设计柴电推进系统船舶电网时，应以运行连续性，操作人员高度安全，安装简单、及防腐蚀抗震动为主要设计准则，并兼顾较低建造成本，预留一定扩展空间。

电机起动器

所有电动机起动器应为能承受高潮湿环境和船舶振动的船用型。功率大于0.5kW的起动器均采用接触器控制形式，控制电压采用220V。480V主配电网络中功率大于55kW小于110kW的电机采用星三角起动，功率110kW及以上的电机采用软起动形式[1]。

船舶辅助设备的起动器尽可能以组合起动单元的形式布置在组合起动屏柜内。不同的单元之间应有良好屏蔽，且具备防弧功能。冗余设备的电机起动器应分别安装在不同的组合起动屏上。采用组合起动屏起动的电机配备就地起动/停止按钮和运行指示灯，停止按钮应可以锁定（禁止误操作），或在电机附近安装一个独立的安全开关。起动器应包括：塑壳断路器、接触器、热继电器、起动/停止按钮、用于控制电路的变压器 400V/220V、运行指示灯、电流表、运行计时器、电机空间加热器指示灯和起动/停止开关[4]。

电站、推进辅助系统和安保系统电机，应能在集控室进行远程遥控。所有重要泵均需要进行冗余设计，当泵出口压力下降至某一设定值时或有电气故障发生时，备用泵应具备自动起动功能；若电网故障消失并恢复供电后，主电站的辅助泵以及与船舶主推进相关的重要泵应按顺序重新自起动。

控制设备材料和材质

低压元器件（包括接触器，继电器等）采用ABB或西门子等欧洲知名品牌产品。PPU及仪表采用DEIF产品或等同的欧洲知名品牌产品。PLC均采用ABB或西门子等欧洲知名品牌产品。指示灯采用LED。

安装在室外的接线盒，控制箱及控制箱的壳体和螺栓采用316L不锈钢，并满足船级社规定的外壳防护IP等级要求。

主配电板采用双层柜体，第一层用于安装所需要的元器件，第二层上部用于安装进出线母排。母排的材料为铜，所用电线和开关元器件不含卤素。主电缆和控制电缆进出线位于柜子底部。柜门、柜体和底板采用1.5mm厚的覆铝锌钢板。柜子前后门板都要安装手柄。

基本参数

设备在机舱的环境温度：+50℃

相对湿度：80%

尺寸单位：国际单位

电制：采用交流480V60Hz 三相三线绝缘系统，220V60Hz单相双线绝缘系统，24V直流系统。

船舶电网具体负载电压要求如下：

推进电机采用变频驱动交流660V

其他通用交流电动机及风机采用交流480V60Hz

正常照明，应急照明等采用交流220V60Hz

助航仪器、内部通讯、无线电通信等采用交流220V60Hz和直流24V

临时应急用电设备采用直流24V

短路電流计算

在船舶电力系统中，可能发生的短路故障有单相短路、两相短路及三相短路故障等。作为船舶电力系统中最严重的故障，短路故障将直接影响到船舶正常航行，甚至危及人身安全。短路时供电电压的大幅降低会使设备停止运行，同时巨大的冲击电流产生的电动力和热效应可能造成重要设备的损坏。严重的短路故障若不及时切除，有可能使并联运行的发电机失去同步，破坏并联运行的稳定性，扩大成为系统性事故，以使整个电力系统失电[3]。

当电力系统内某一点发生短路时，在短路的瞬时，接入系统内所有运行的发电机和电动机都是短路电流供给源。为了计算总短路电流，应该对每个供给源产生的短路电流分别计算，然后再将各个分量进行合成或叠加，这是短路电流计算最基本的方法。

短路电流计算方法种类繁多，有 IEC 电工委员会规范，JP 日本协同研究会和 GB 中国国家标准等规定的计算方法。各计算方法虽然在发电机绕组电阻和瞬态短路电流衰减、短路计算精度以及等效电动的合成等方面存在着不同，但究其本质而言，所有计算方法并没有较大的差别，所基于的原理都是相同的，在下文将对其部分做简要介绍。关于船舶电力系统的短路电流计算，现在各大型船级社都有自己的计算软件和计算修正标准。

本文在此仅介绍短路发电机馈送的短路电流以及短路电动机馈送的短路电流的计算原理。

1.短路发电机馈送的短路电流计算

计算中使用的参数包括：Ur--发电机额定线电压；Ir--发电机额定电流；Xd”，Xd[--发电机直轴超瞬态和次瞬态电抗；Ra--发电机定子绕组电阻；Ik--发电机稳态短路电流；t--短路时间；Re”，Te[--发电机超瞬态和次瞬态时间常数；Tde--发电机直流时间常数；

发电机超瞬态相电动势Eq”如式1所示：

（1）

发电机次瞬态相电动势Eq"如式2所示：

（2）

发电机超瞬态短路电流Ik"（忽略电缆的阻抗）如式3所示：

（3）

发电机超瞬态短路电流IK"（忽略电缆的阻抗）如式4所示：

（4）

短路点短路电流的交流分量Igac如式5所示：

（5）

短路点短路电流的直流分量Igdc如式6所示：

（6）

短路发电机馈送的峰值短路电流Igp如式7所示：

（7）

2.短路电动机馈送的短路电流计算

计算中使用的参数包括：Ur--电动机额定线电压；--电动机转子绕组电阻；--电动机定子绕组电阻；Xm"--电动机直轴超瞬态电抗；--短路时间；--电动机超瞬态时间常数；Tde"--电动机超瞬态直流时间常数；

电动机超瞬态短路电流Im"（忽略电缆的阻抗）如式8所示：

（8）

短路点短路电流的交流分量Imac如式9所示：

（9）

短路点短路电流的直流分量Imdc如式10所示：

（10）

短路电动机馈送的峰值短路电流Imp如式11所示：

（11）

在船舶设计的实际工程应用中，通常都是选择该船舶所入船级社认可的软件进行短路电流计算。本平台供给船入级ABS美国船级社（American Bureau of Shipping），采用ABS认可的SKM Power Tools仿真软件进行短路电流计算。

SKM Power Tools是基于 IEC61363标准开发出的计算软件，强化了发电机和电动机短路电流计算功能，适用于船舶和石油平台等此类独立电力系统的仿真分析。其软件内的计算程序在此不再赘述，下面仅研究实际工程中船舶短路电流的计算过程和结果。

首先根据船级社相关规范要求和系统继电保护设计的要求，即在进行短路点的选取时应使通过所要选择和校验的电气设备的短路電流值达到最大，结合平台供给船电力系统单线图，需要计算以下主要结点处短路电流：

1.主发电机出线端S1；

2.440V/220V配电变压器二次侧 S2；

3.440V应急配电板进线断路器输出侧 S3；

4.440V/220V应急配电变压器二次侧 S4；

然后根据软件操作流程在SKM Power Tools计算程序中输入发电机、电动机、变压器等相关设备参数。

参考文献：

[1]. 赵玲，周徐达电网谐波滤波新技术研究上海电力学院学报，2006（4）.

[2]. 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功补偿[M].北京：机械工业出版社，2005：17-63.

[3]. Alf Kare Adnanes. Maritime Electrical Installations and Diesel-Electric Propulsion[M]. Finland： ABB Oy， 2003.5：12-18