舰船电力系统体系框架构想

赵大成，肖杨婷，赵跃平

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

现行的《舰船通用规范》（3组-电力系统）（后续简称《通规3组》）编制于20世纪90年代，于2000年颁布使用，至今已过去21年。在这20多年的发展过程中，《通规3组》为各类低压舰船电力系统的科研设计、装备制造和试验验证等工作提供了重要的规范指导作用。同时，在这20年的海军舰船装备建造过程中，也出现了大量的新型电力系统形式，如采用低压交流或中压交流电制的综合电力系统和中压直流的新型综合电力系统。在船舶电气设备方面，随着新技术、新材料、新工艺的应用，各类供电、配电、变电和岸电等设备的性能和功能也发生了较大的变化。

由此可见，在《通规3组》颁布后的20年时间内，舰船电力系统的设计、建造、试验和使用等情况在不断发展变化，而《通规3组》的内容还停留在20年前，出现了标准规范严重落后于装备建造的现象。而事实上，《通规3组》的发展与舰船电力系统的设计、建造、试验和使用等全过程环节应相互促进，同步发展。

迫于上述现状，急需对《通规3组》进行修订，实现标准规范与时俱进，适应于现行的各型舰船电力系统的层次划分，覆盖各型电力系统及电气设备的通用性要求，以指导后续的科研设计与制造工作。因此，现行《通规3组》的整体框架和规范内容都存在不足，需要调整各分章节的划分原则，以符合电力系统的逻辑框架。同时，补充综合电力系统通用性设计要求，补充中压供电、配电、变电、岸电等设施的通用要求，补充综合保护装置、新型自动化技术等通用要求，以契合新时代的海军建造需求。

1 我国舰船电力系统现状分析

在常规动力舰船中，电力系统主要为生活保障设施、辅助泵组、舰船操作和通信保障等电力负荷提供电力保障。其中，为满足不同类电力负荷的供电需求，电力系统设置了正常供配电装置和应急供配电装置。应急供配电装置可保证在事故情况下，重要负荷的不间断供电，从而保障舰船重要使命的顺利实施。随着舰船吨位的上升，以及电力推进负载、先进高能负载等新型用电设备的增加，电力系统的容量不断提升，电力系统在舰船中的重要性也更加突出，直接关系到舰船机动性和战斗力。

可以看出，随着技术的不断进步，舰船电力系统的形式和功能在不断发生变化，电力系统在舰船中的地位和作用日益提高，促使舰船电力系统的电压等级和功率等级不断突破，从低压AC 390 V到AC 690 V，再到中压交流和中压直流4 kV～5 kV，未来甚至会达到更高电压等级。站在时代发展的角度，从我国第1代舰船开始，舰船电力系统正在经历从常规电力系统、低压交流综合电力系统、中压电力系统、新型综合电力系统的演化。

在现行《通规3组》编制时期，我国水面舰船只有1种形式的电力系统（潜艇电力系统除外），即AC 39 0V的低压电力系统，且电力系统容量较小，单机最大容量为1 MW左右，系统最大总容量约4 MW。电力系统的网络结构也比较简单，一般采用前后电站的形式，通过干馈式结构向负载供电。

进入21世纪后，我国海军进入高速发展时期，先后建造具有大容量、中压以及复杂供电网络等技术特征的舰用电力系统，无论是单机容量，还是电站数量都得到了大幅提升，用电负荷的类型也变得更加多样化。由此也带来了电力监控技术的发展，监测网络规模、自动化控制水平也都得到较大提升。“十二五”期间，马伟明院士及其团队攻克了舰用中压直流综合电力系统技术，进一步拓展了我国舰船电力系统的类型。

这些变化都标志着我国舰船电力系统的类型、规模和组成都已经远远超过现行《通规3组》的内容，出现了标准规范严重落后于工程实际的矛盾。为了进一步提升舰船电力系统建造的标准化水平，提升技术、设备的通用化程度，提升备品备件的互换性，有必要从近20年的装备建设实际成果中汲取标准化、规范化的有益因素，优化完善通规中的相应内容，实现标准规范与工程应用的协调发展。

2 国内外标准现状分析

无论是在国内民用标准领域，还是在国外标准领域，船用电力系统及配套设备的相应标准已形成了比较完善和成熟的标准体系。目前，我国船舶电力系统标准包括 GB、GJB、CB，以及中国船级社规范（CCS）。国外船用电气相关标准主要包括英、美、德、挪威等国的船级社规范、军舰建造规范，以及IEC/TC18电气设备委员会发布的一系列标准。

2.1 国内标准现状

据不完全统计，我国船用电力系统及设备标准已制定标准近200项，包括了电力系统综合标准、电池标准、电动机标准、电线电缆、配电设备、发电设备、变电设备、照明设备及其他电器等各类标准。其中，GB/T 13030—2009、GB/T 22190—2008和GB/T 2948 4—2013都属于电力系统综合标准。CCS钢质海船入级规范分别在第4篇《电气装置》和第7篇《自动化系统》中规定了船舶电气装置及其监测控制系统的一般性设计要求，以及制造和试验的基本要求。

为了适应中高压电制、电力推进等新技术的应用，CCS《钢质海船入级规范》采用补充规定的形式，如第4篇第2章第14节和第15节分别为“交流高压电气装置特殊要求”和“电力推进装置附加要求”。

2.2 国外标准现状

美军在舰船电力规程的研究、制定和使用方向上走在世界前列。目前，美军没有制定舰船电力系统通用规范，但制定了电力设备基本技术要求MIL-DTL-917F《电力设备基本技术要求》以及电力系统界面标准MIL-STD-1399-300B《交流电力系统界面》和MIL-STD-1399-680《高压交流电力系统界面》。

与CCS规范不同，国外船级社规范电气装置章节的内容不仅仅包括电气设备的一般要求，还包括系统设计的要求。如，挪威船级社（DNV）规范（2014版）第4部分第8章“电气装置”的第2节中就规定了“系统设计”的相关要求，包括设计原则、系统电压和频率、主供电系统、应急供电系统、电池系统、配电系统、保护、控制等系统级综合要求。在电气设备的规范性要求中，各国船级社规范都明确了电源、照明、旋转机械、半导体变流器（电力电子装置）、电缆、安装、蓄电池的相关要求及电力推进附加要求。

2.3 小结

根据国内外船舶电力系统的标准和规范的建设情况来看，电力系统标准的组成要素基本相同的，系统级层面包括系统设计类要求；设备层面包括设备设计、制造、试验、安装等要求；有些规范还包括自动化控制、通信的要求，以及新技术发展而增加的补充或附加要求。

但是各国标准或规范的框架体系存在较大差异，并没有统一的电力系统的层次和架构划分。这主要是因为各国船舶的建造模式存在差异，而标准和规范则主要是为船东、船厂、设备商和检验等角色服务的，需要适应于标准所应用的行业现状。

3 通规3组标准框架构想

舰船通用规范是一部关于舰船装备研制的基础性、通用性技术管理规定，它明确了舰船研制最低限度应满足的基本要求和原则。《通规3组》是舰船通用规范的重要组成部分，以“舰船电力系统”为对象，全方位、多角度、多层次全面约定了舰船电力系统及设备研制、生产、试验的通用化要求和原则。

3.1 构建原则

在制定标准框架的过程中，需要科学的方法论指导框架制定，从而形成具有完整核心内涵的舰船电力系统标准框架。在现行《通规3组》规范制定之时，我国海军的舰船数量和种类都远远少于当前的状态，《通规3组》的制定只能采用借鉴和沿用的方式，形成了低压舰船电力系统的通用设计规范。目前，我国海军已经实施建造了数量较多的各类新型舰船，形成了大量的新型电力系统设计、建造经验，正是将实践经验提炼形成通用规范的好时机。因此，《通规3组》的修订工作将以遵循现役舰船电力系统的架构为核心原则，符合管理部门、系统总体设计单位、设备承研单位、建造单位的工作模式，实现标准修订的继承性。

《通规3组》应全面覆盖舰船电力系统的各类要素，涵盖各类舰船需求，因此“全面性”是标准框架构建时必须考虑的重要条件，不能存在无法归类或覆盖的产品和技术类别，确保《通规3组》能够反映舰船电力系统的各主要技术领域，能够指导设计人员、检验人员、使用人员处理在不同环节面临的各类问题。

《通规3组》应具有较强的实用性，具有较好的可操作性，层次划分合理，使设计人员能便捷、快速、准确地获取规范性要求。

因此，《通规3组》标准框架将采用“继承性、全面性、实用性”的构建原则，指导构建舰船电力系统的标准框架。

3.2 层次设计

根据继承性原则，《通规3组》电力系统应符合现役舰船电力系统的基本层次划分。目前，电力系统是舰船的1级系统之一。在一级系统层次下，又根据功能的不同，划分为供电、配电、电气监测与控制、照明和机组保障等2级系统。

根据全面性原则，《通规3组》电力系统应涵盖综合电力系统、电场磁场防护系统等特殊系统的相关要求。因此，《通规3组》中新增“370综合电力系统”章节，包括了低压交流、低压直流、中压交流和中压直流等各类综合电力系统的通用性要求。同时，该分类方法也符合《船舶工业标准体系表（2012）》对综合电力系统的归属划分方式。

根据实用性原则，《通规3组》各章节的组成内容应与实际工作模式相协调，便于各类使用人员准确定位所需的规范性内容。如，在设备层框架中，原规范中采用“发电机组、应急机组、停泊机组”的划分与系统设计阶段对设备分类的方式不同，为保持一致性，在修订阶段将采用原动机分类的方式，划分为“柴油发电机组、汽轮机发电机组、燃气轮机发电机组”。

因此，《通规3组》的标准框架共分为3个层次，分别是“1级系统层”“2级系统或特殊系统层”以及“设备层”，见图1。

图1 《通规3组》层次划分

4 结论

本文初步梳理了我国海军舰船的发展脉络，以及国内外舰船电力系统、电气设备等相关标准的现状，参考各类标准规范的组成要素，以及我国舰船电力系统行业的工作模式，提出了新的舰船电力系统3组标准层次划分构想，为未来《通规3组》的补充、修改和完善等工作的顺利开展提供参考。