船舶电网重要负载顺序启动的设计

杨　璟

(上海船舶研究设计院， 上海 201203)

0　引　言

船舶电网失电后恢复供电时，船上重要设备必须重新自动启动。此时若负载同时启动，将产生较大的突加负荷，对电网造成很大的冲击，并对船舶电网的瞬态电压波动及瞬态频率波动均有很大的影响，更严重者可能会导致发电机保护装置动作及发电机停车、飞车等严重后果，影响电力系统的可靠性及安全性。为此，常规船舶自动电站在电压恢复后采用重要负载分级顺序启动的方式来解决该问题。

1　突加负荷对电网的影响

1.1　电压波动及控制

同步发电机的电势简化矢量见图1，发电机端电压数值的计算公式[1]为

Ug=E0-jIgXd

(1)

式(1)中：Ug为发电机端电压；E0为发电机空载电势；Ig为发电机定子电流；Xd为发电机同步电抗。

由式(1)及图1可知，当发电机负载电流Ig的大小发生变化时，若要保持发电机端电压Ug一定，只有随之相应地改变发电机的电势E0，即调节发电机励磁电流的大小。在实际运行中，Ig及φ的值是经常变动的，导致发电机端电压Ug也经常随之变动。要维持电压恒定，必须采用自动电压调整方式，所以同步发电机一般均配有自动电压调整器。

图1　同步发电机的电势简化矢量图

图2　电压调整过程曲线

1.2　频率波动及控制

发电机组在运行时，其能量平衡关系可用式(2)表示

(2)

式(2)中：PM为柴油机的机械功率；PE为发电机的电功率；ΔP为机械和电气损耗；TC为机组的惯性时间常数；dn/dt为机组转速的变化率。

柴油机输出的机械功率PM取决于柴油机的供油量，发电机产生的电功率PE为电网负载消耗的功率。当PM=PE+ΔP时，柴油机输出功率与发电机负载功率和机电损耗平衡，dn/dt= 0时，说明发电机组转速是恒定的，电网频率不发生变化。当电网负载突加时，此时PM

图3　发电机动态调速特性

柴油发电机的动态调速特性见图3，为保证供电质量，当发电机在空负荷状态下突然加上50%额定负荷，稳定后再加上余下的50%负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%；发电机稳定调速率不大于额定转速的5%；恢复稳定时间(即转速恢复到波动率为±1%范围的时间)不超过5 s。如采用高增压四冲程柴油机作为驱动发电机的原动机时，其调速特性试验可按多于二次的加载方式进行加载。

2　重要负载顺序启动的设计方法

从上述分析可知，突加负荷会使船舶电网产生电压及频率的波动。因此，为提高重要设备供电的连续性，在船舶失电后恢复供电时重要负载采用带延时顺序自动启动方式，有利于船舶航行的安全性及可靠性。顺序启动的设计通常按以下步骤进行。

2.1　顺序启动的分级

顺序启动中重要设备的分级应该根据负载的重要程度进行设定。通常，船舶推进和乘员安全有关的设备延时时间最短，如照明、通信导航、舵机和主机滑油泵等。

顺序启动各级的延时时间，应保证在下一级的延时时间内，基本完成上一级启动，至少应避开启动的峰值电流，故每级启动延时时间不得小于2 s，通常为5～7 s。

2.2　瞬态电压降的检验

电网突加负荷导致主发电机端电压下降时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%，即每一级重要负载顺序启动时的瞬态电压降数值不能超过15%。因此在完成顺序启动的分级后，需计算每一级设备启动时的瞬态电压降。采用运用负载启动电流的方法进行计算，具体的计算公式为

(3)

2.3　发电机调速特性检验

图4　突加负荷限值曲线

一般柴油发电机启动分4级进行，因此其调速特性对突加负荷值有一定的限制，某发电机厂家提供了突加负荷限值曲线见图4。

顺序启动分级后，需核算每一级负载突加时的最大启动功率，然后在发电机调速特性突加负荷限值曲线上找到对应的基本负荷与突加负荷限值进行比较，检验负载突加时的最大启动功率是否在发电机的调速特性限值范围内。

计算突加负载启动功率时，电动机负载的启动功率因数考虑为0.35，照明及其他负载按0.8进行计算。

3　实例分析

以某型船的电站设计为例，主发电机的相关参数见表1。

表1　主发电机电气参数

3.1　重要负载分级

参照船级社的有关规定，根据船上重要设备的配置及重要程度，设定顺序启动分级及启动时间如下。

第一级(0 s后)：舵机、供油单元、照明、通导、自动化设备及主空压机。

第二级(5 s后)：主机滑油泵及主机辅助鼓风机。

第三级(10 s后)：中央低温冷却淡水泵及主机缸套冷却淡水泵。

第四级(15 s后)：主冷却海水泵。

第五级(20 s后)：机舱风机。

3.2　瞬态电压降计算

顺序启动分级后，每级启动时的瞬态电压降不应大于发电机额定电压的15%。根据式(3)进行计算，计算结果见表2。

由表2中的计算结果可知，每一级顺序启动的瞬态电压降均小于15%，满足发电机瞬态电压波动要求。

3.3　发电机调速特性检验

表2　瞬态电压降计算

顺序启动每一级的启动负荷功率见表3，根据计算结果，以该级设备启动前基本负荷功率为横坐标，启动负荷功率为纵坐标，绘制顺序启动负荷曲线，并与发电机调速特性突加负荷限值曲线进行比较(见图5)。

图5　顺序启动负荷曲线

由图5可知，顺序启动负荷功率曲线均在限与值曲线范围内。

表3　启动功率计算

4　结　语

对于船舶自动电站，重要负载自动顺序启动的方法已得到广泛采用。因此，设计人员在进行船舶电站的设计时应充分考虑负载自动启动对于电网的影响，利用分级延时的方法使其对电网的冲击降至最低，保证船舶电站的安全性及可靠性。