船用电气设备可靠性分析

文/张允明 姚立权

在我国船舶事业不断发展背景下，船用电气设备也逐渐朝向自动化、节能化方向发展，提升了船用电气设备的设计难度，特备是在电气设备可靠性设计当中，必须要从细节层面出发，保障每个电气设备、电源都达到可靠标准。针对船用电气设备来说，需要选择符合船用条件的设备，生产厂家要有可靠的质量保证体系，经过检验部门通过的设备才能够投入使用。同时，船舶电气设备可靠性设计中还要有应急措施，严格按照行业标准与规范，对应急设备进行设计，适应船舶在各类工况下的适用性，确保船舶航行安全。电气设备可靠性需要从安全性层面考虑，为电气系统提供自动检测功能、报警系统、保护系统等，保证电气系统运行足够可靠。

1 电气系统可靠性及其评估相关阐述

1.1 电气系统可靠性

电气系统可靠性主要涵盖了两个方面，一是充裕度；二是安全性。充裕度是指电气系统在运行中具有足够的发电、输电容量，在任何时候都能够满足电气设备峰荷要求，确保整个电气系统的稳态性能；安全性是指在电气系统故障情况下的安全性，避免产生联锁反应造成整个系统失控或集体断电，代表电气系统动态性能。供电可靠性公式为：

供电可靠性=（1-电气系统故障时间/电气系统正常运行时间）*100%

1.2 电气系统可靠性管理与评估

电气系统可靠性涉及到两个领域，包括可靠性管理和可靠性评估。电气系统可靠性管理是对已经运行的电气系统与设备进行管理与统计，包括拟定可靠性管理标准、要求。对电气设备各项可靠性信息数据进行收集、统计、分析等，从而实现电气系统可靠性监督。可靠性评估是通过电气系统可靠性评价方法、模型，对电气系统拓展方案展开可靠性分析。

图1：电气系统单线运行图

2 船用电气设备可靠性分析

船用电气设备可靠性的影响因素非常多，主要是包括电源系统、电磁干扰、传输介质、设备减振等，只有全面消除负面因素，才能够有效提升船用电气设备的运行可靠性，确保船舶航行安全。

2.1 电源系统

2.1.1 电源供电连续性

具有关标准规定，如果是依靠主电源实现船舶推进、操作，则任何一台发电机产生了故障而停机，则其他可以保证船舶推进、操作的电气设备立即恢复供电。对于船舶来说，除了自航船外，几乎所有的船舶都是通过主电源实现船舶推进和操纵，因此要能够满足以上要求。想要实现这一目标，要重点考虑如何实现“立即恢复供电”。而“立即”并不是一个明确的概念，所以执行起来需要考虑多种因素，为了能够对“立即”提出一个标准，可以考虑应急发电机的启动时间，也就是将“45s内恢复供电”作为“立即恢复供电”指标。但后续执行这一方法时，也出现了很多问题，因此将国际船舶提出的“30s恢复供电”作为“立即供电指标”。30s是非常严格的指标，考虑到我国大部分传播发电机配备状况，可以采用以下3种方法保证电源设备的可靠性。

（1）在船舶正常供电的基础上，1台发电机负责供电，一旦该发电机产生了故障问题，系统会在30s内自动切换成备用发电机供电，并保证备用发电机具备足够容量。采用该方法的多数都是小型船舶，总吨位通常在1600t以内。通过调查发现，即使是采用自动投切方案，在30s之内实现立即恢复供电也是十分苦难的。所以对于有限航区航行的船舶（国内海域），且发电机总容量不足400kW时，可以不要求自动切换电源。

（2）船舶由2台或2台以上发电机供电时，如果一个发电机因故障无法运行时，要设有将非重要设备自动卸载功能，将保证居住条件设备、次要设备自动卸去，从而确保整个系统的可靠性，避免影响船舶安全航行。

（3）IEC要求重要电气设备必须送审，分析设备运行的协调性。选择性保护可以划分为过载选择性保护、短路选择性保护形式。过载保护是结合电流大小来控制断电器动作参数。短路选择性保护主要是根据时间理论实现相关功能。其中，短路选择性保护要从以下三个方面出发。如图1当中，想要让断路器K1、K2、K3的进行动作选择保护，单台发动机最大电流要比断路器动作电流更小。也就是保障K1可以正常工作。再者，想要实现短路选择保护，需要由主汇流给重要设备供电，图1中的K5、K6、K7间要协调运作，从而实现选择性保护目标。

2.1.2 设备供电与工作连续性

为了能够保证电气设备供电、工作连续性，整个系统要选择并联形式。根据船舶设备对航行安全性的影响，可以将电气设备分为重要设备、非重要设备。中重要设备还分为主要设备、次要设备。主要设备负责传播推进、操作连续工作设备；次要设备是船舶推进、操作不连续设备，无论是主要设备还是次要设备，都是保证船舶安全航行的重要设备。电气系统设计中要重点保护重要设备连续性运行。供电连续性当中，断路器②供电设备产生故障后，此时断路器②脱扣，断路器①不脱扣，这样即可确保断路器③实现连续供电，所以在断路器①和②；①和③时间采用选择性保护方案。电气设备工作连续性当中，如果产生上述故障问题，此时断路器①脱扣，合上断路器①即可实现断路器③连续工作。所以在开关选择当中，要确保开关的闭合性能、分断性能达到标准。

2.2 电磁干扰

船舶空间十分有限，特备是对于空间狭小的船舶，电气设备布置非常紧凑。再加上船用电气设备使用频繁，在开启、断开中会产生一定的电磁干扰问题。通过静电场、交变电磁场以及传输电路耦合到被干扰电源。如果在电气系统设计当中没有考虑到电磁干扰问题，后续调整要投入大量的人、财、物，甚至要重新设计。导致电磁干扰的条件有干扰源、敏感体、耦合通路。电磁兼容设计只要能够破坏其中一个因素，即可避免电磁干扰。常见的电磁干扰解决方案有电磁屏蔽、滤波、接地。

2.2.1 隔离变压器

对于船用电气设备电磁干扰来说，主要的干扰源就是交流电源，会对计算机控制系统造成很大的影响。最好的解决方案就是电气设备单独供电，但很多中小型船舶空间小，无法做到这一点，通常是将控制系统、强电装置独立设置，采取隔离措施解决。如图2所示，电网电源交流变压器通过滤波装置将高频干扰信号过滤掉，之后经过变压器为自控装置提供有效电源。通过隔离变压器即可将干扰源去除。

2.2.2 RC吸收装置

船用电气设备当中国的继电器、开关设备、接触器数量非常多，在触头闭合、断开时会产生一定的抖动情况，严重会出现电弧，从而引发出电磁干扰问题。针对此类问题可以采用RC吸收电路，将其安装到触头位置。由于电容C两端电压无法突变，因此可以有效降低抖动带来的干扰问题。C值越大，抖动抑制效应越好。此外，电容也能够起到消弧效应，结合公式：

R*C≥（3～5）*T/2（T为放电时间）

电容C释放电流可以通过电阻R限制。通过RC电路消除电弧，这样即可避免产生电磁干扰问题。

2.3 消除传输介质

图3：屏蔽滤波装置

图4：光电耦合器

电磁屏蔽可以采用2种方法，如图3所示，包括屏蔽干扰源、屏蔽干扰设备。电磁屏蔽法可以有效切断干扰传输路径，对空间干扰性尤为明显。结合船用电气设备的特点，信号输入到信号接收电路较长，例如在主机系统中，驾驶室为输入电路，机舱是接收电路，二者之间传输线路非常长，所以会受到加大的电磁场耦合干扰。针对此类问题主要是采用屏蔽线缆，这样即可避免干扰信号通过馈线耦合传输到电气设备中。

开关量输入和输出通常都是应用光电耦合器，如图4所示。该方法能够起到输入和输出电路的隔离作用，从电信号转变为光信号，切断联系。还能够分开输入、输出接地，从而可以有效防治地线串入造成的干扰问题。

2.4 电子设备减振

考虑到传播机舱中振源数量非常多，包括主机、辅机、各类泵等，这些都会提升振动率，所以在安装在机舱中电子仪表会遭受干扰，影响电子仪表数据的精准性，严重会导致仪表损坏。这就要重点考虑减振问题。

为了降低或消除电子仪表振动问题，可以在电子设备上增设减振器，这样即可降低振动频率，确保设备可以正常运行。需要在电气设备系统k-m基础上增加1个动力吸振设备ka-ma系统，对该系统的固有频率进行调节，和外界扰动频率相同，理论上即可实现k-m系统振动消失。

3 结束语

综上所述，加强船用电气设备可靠性研究是一个系统的工程，会直接影响船舶运行的安全性，这就需要全面加强船用电气设备可靠性分析和研究工作，通过稳定系统电源、屏蔽电磁干扰、减振处理、优化电气系统使用环境，这样才能够有效提升电气系统运行质量，降低负面因素的影响，提升电气系统的可靠性，这样才能够保证船舶运行安全。