董 蕾,黄顺杰,李 诚,余振华
(1. 海军装备部驻上海地区军事代表局驻上海地区第二军事代表室,上海 200135;2. 中国舰船研究设计中心,武汉 430000;3. 上海船舶设备研究所,上海 200231;4. 浙江海威电气有限公司,浙江温州 325000)
岸电装置将分别来自左舷和右舷的二路岸电电缆并接,经相序转换电路后连接至主配电板,用于船舶日常供电[1]。
1)设备的组成尽量简单、可靠,力求操作维修方便。充分利用国内外成熟的技术,对岸电装置性能参数、结构及维护进行适应性设计。
2)在设计中突出功能性能和生存能力,同时考虑可用性、机动性、稳定性和安全性,兼顾配置的现实性、继承性、经济性、可行性,充分利用现有成熟技术和研究成果。
3)岸电装置的设计满足船舶总体设计要求,其接口与船舶总体要求匹配。
岸电装置主要由柜体、断路器、汇流排、相序转换电路、相序检测模块、电量测量模块、控制器、辅助控制电路、触控显示屏和必要的测量仪表、控制元件及指示灯等组成[2]。
岸电装置将分别来自左舷和右舷的二路岸电电缆并接,经相序转换电路后连接至主配电板;具有断相、过载、短路保护、岸电相序指示及手/自动转换等功能,见图1[3]。
图1 岸电装置功能流程图
1)相序检测模块。对岸电输入相序进行判断,检测是否为正序。
2)辅助控制电路。通过继电器等器件控制相序转换及输出,并将一些状态信号传输给控制器。
3)相序转换电路。岸电输入正序时直接输出,岸电输入逆序时进行相序转换输出。
4)电量测量模块。对输入电压、电流进行采样并显示。
5)控制器。对采样到的电压、电流及工作状态信号进行处理,对输出进行报警保护,并传输给显示屏。
6)显示屏。显示必要的参数及状态信息,记录岸电输入电压及报警信息。
7)岸电装置还需要具备岸电供电/对外供电2种工况,岸电供电工况时具有手/自动相序转换功能。
1.2.1 相序检测及转换功能
首先,岸电装置的主要功能为在岸电供电工况下具有相序检测及转换功能,确保岸电对舰船安全供电。左、右舷为岸电输入经汇流排并接后的三相电。一路断路器作为岸电输入正序时的输出通断,另一路断路器作为岸电输入逆序时的输出通断。输入电相序判断由相序继电器KVS实现。
1.2.2 手/自动相序转换功能
通过转换开关实现手/自动相序转换。转换开关正常为0°时,继电器闭合,为自动相序转换模式。当需要进入手动模式进行相序转换时,先用仪器检测输入岸电相序,若为顺序,将万能转换开关打向左45°,按动SB1启动开关,断路器合闸,岸电正序输出。若输入岸电为逆序,将万能转换开关打向右45°,此时按动SB1启动开关,另一断路器合闸,岸电正序输出。
1.2.3 供电模式
岸电装置既要具备岸电对舰船供电功能,同时具有舰电对外供电功能。通过转换开关实现此功能。
当万能转换开关正常为0°时,继电器得电,通过联锁线路,进入岸电供电模式。当需要对外供电时,将万能转换开关打向45°,退出岸电供电模式,通过联锁线路,此时按动SB1启动开关,则正序断路器合闸,由舰电对外供电。
1.2.4 状态检测及显示
岸电装置需检测工作状态及电压、电流参数,进行计算和相应保护,并通过显示屏显示。
岸 电 装 置 的 整 体 外 形 尺 寸 为1 000 mm×1 650 mm×650 mm,内部由断路器、汇流排、相序转换电路、相序检测模块、电量测量模块、控制器和辅助控制电路外形走线槽等组成,见图2[4]。岸电装置电气原理设计主要包括主回路、控制回路、测量回路和PLC控制回路4个部分。
图2 岸电装置外形尺寸图(单位:mm)
岸电装置主回路为相序转换电路和一次回路,相序转换回路主要由断路器Q1、Q2及其附件组成,为供电线路提供过载和短路保护。主回路原理见图3[1]。
图3 主回路电气原理图
岸电装置配置相序检测模块及其辅助控制回路,用于实现断相检测、相序检测和相序转换功能及供电模式转换功能。
当岸电向舰船供电时,可通过相序检测模块自动检测岸电输入相序,并由辅助控制回路控制断路器完成岸电相序自动转换,即当检测岸电输入顺序时,操作“供电”指令后自动判断Q1断路器合闸输出顺序电源,当检测岸电输入逆序时,操作“供电”指令后自动判断Q2断路器合闸输出逆序电源。当舰电对外供电时,由辅助控制回路切除相序检测回路,操作“供电”指令后Q1断路器直接合闸向外输出电源。原理见图4[3]。
图4 辅助控制回路原理图
岸电装置内部配置电量采集模块,用于采集三相工作电压、电流参数,通过通信接口传输到PLC控制器,PLC控制器设置I/O接口,采集断路器状态、供电指令模式、岸电换相控制指令模式、供电状态信息,经逻辑分析判断,实现岸电输入电压超限报警、过流报警保护、电源输入状态与供电模式选择联锁报警保护、供电联锁报警保护、断路器故障脱扣报警和相序继电器故障或岸电断相报警功能。
PLC控制器通过通信接口将工作状态和报警信息传输至触摸屏,由触摸屏的人机界面实现模拟图的直观显示,人机界面提供工作电压、电流和报警记录查询功能。原理见图5。
图5 测量、PLC 控制回路
根据相关要求,岸电装置需满足舰船B级抗冲击振动要求。岸电装置的抗振动、冲击性能主要从元器件、柜体强度和减振措施3个方面来实现。
1)元器件选型
岸电装置的主要元器件为断路器,选用舰用塑壳断路器,断路器本身已满足舰用抗振动、冲击要求,其他器件均选用应用成熟的常规器件,在公司其他类似结构的产品中均得已验证。
2)柜体强度
岸电装置主要结构件采用通用C型型材,其主要材料为国标GB/T 709—2006 Q235优质碳素钢板,屈服强度大于235 MPa,弹性模量200 000 MPa,柏松比0.3,密度7 835。在结构设计中确保柜体主体部件及其附件的抗冲击基本要求,该结构已成熟应用于各类舰用配电设备。
3)减振器
岸电装置底部和背部设置不锈钢钢丝绳减震器,通过岸电装置的质量重心和减振器性能参数分析以及以往类似产品的实际应用情况,合理选型和布置减振器,实现减振器对冲击振动具有良好的的隔离和吸收作用,其隔离率可达80%以上,有效地起到保护设备的作用,以满足GJB 150A—2009中对舰载设备的冲击和振动的要求。
岸电装置汇流排需要承受短路耐受电流75 kA/s,峰值电流165 kA情况下不变形,按此要求进行汇流排规格选型,通过理论计算,计算出相间中心距及绝缘支撑件跨距,以满足动热稳定要求。
岸电装置总体功能设计的结果将直接影响岸电供电功能的实现,岸电装置的功能设计借鉴常规码头岸电设施,立足国内现有成熟技术展开,充分考虑岸电装置布置的科学性、合理性、安全性和可靠性,采取合理有效的计算论证,充分化解质量、技术风险,通过研究应用岸电装置,对船舶靠港后采用岸电供电,对于环境保护,起到积极作用,具有重要的现实意义。