船舶区域配电技术浅析

杜智慧，陈海金，刘茂辉，王 洋

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

1 前言

船舶配电系统，由柴油发电机组、主配电板、区配电板、变压器、配电箱及相应的供配电网络组成[1]。船舶电力系统对供电稳定性要求较高，在船舶电力系统出现故障或者存在局部破损时，仍能保持对负载提供稳定连续的电力供应，同时将故障的范围和影响减少到最小。

为了提高舰船供电的生命力，舰船电网通常采用区域配电技术，通过左右舷两根主母线输送电能，并把各个舱室的负载按配电量分成几个区域进行配电；两根主母线中的一根布置在高于水线，另一根低于水线，两者之间有两层甲板相隔，提高了供电的可靠性；两根主配电母线经过各分区域的负载中心，重要负载接在各分区域的负载中心上，通过电源转换装置接在左右舷主配电母线上。在船舶大型化、自动化和智能化的发展趋势下，区域配电技术向着更先进的直流母线技术方向发展。

2 舰船电网结构形式

舰船电网，是指在船舶电站和电气设备之间传输和分配电能的装置和供电网络的总称，船舶电站通过电网将电能输送到全船各个负载上。船舶电网类型有很多，其中大多是环形供电式网络和馈线供电式网络[2]。

2.1 馈线式供电网络

馈线式供电网络结构呈树枝状，是主配电板向区配电板、分配电板和重要负载等各支路直接供电的输配电方式，其结构如图1 所示。

图1 馈线供电式网络结构图

在馈线式供电网络中，所有用电设备均由一个主配电板供电，其优点是方便对用电负载的集中控制，同时增加负载也比较方便，与环形式供电网络相比，价格便宜、投资少；缺点是当船上用电设备较多时，支路数量就会很多；当支路上出现短路时，相应支路保护装置会动作，造成用电设备断电，因此供电可靠性较差。

2.2 环形式供电网络

环形式供电网络是指供电主干线是闭合的环路，环形供电回路为所有负载提供电源的输配电方式。在环形式供电网络中，船舶发电机与用电设备之间为纵向连线，而发电机之间或用电设备之间为横向连接，纵横连接网络汇总形成闭合供电回路，可以提高供电网络的可靠性和稳定性[3]。

环形式供电网络结构，如图2 所示：供电主回路通过船舶的左右两舷，同时连接前后的两个电站和发电机组，形成一个闭合的供电回路；在左右两舷的供电主干线经过水密舱室时，两根主干线分开布置于水线以上和以下，以提高船舶供电系统在船舶破损时的供电能力，其结构如图2 所示。

图2 环形式供电网络结构图

2.3 两种电网形式对比分析

馈线式配电方式在商船上非常普遍，其保护装置及开关较少，选择性保护方便且整定容易；电缆的总长度比较短；投资少，非常适合商船，但不适合在高强度对抗的舰船上使用。

环状式供电网络比馈线式供电网络可靠性更高，电网功率损耗较小，但环状式供电网络维修保养较为复杂。近年来，随着计算机在船舶电力监控上的发展，环状式供电网络被认为是未来军用舰船的发展方向。

两种电网形式的比较分析，如表1 所示。

3 区域配电技术

为了把用电设备的故障控制在最小范围内，避免故障影响电网并满足未来船舶模块化和电气化对船舶电网稳定性的需求，提出了区域配电的概念。区域配电是将船舶电网分为多个独立的区域，每个区域都有自己的区域配电板或者分电箱，在各区域设置了两路电源转换装置，各区域同时由左右两舷母线供电，当某一个区域的母线出现故障时，断开该区域的断路器就可以避免故障扩大。

舰船区域配电是环状布线和树枝状结构的复合体，干馈复合结构：主干配电网采用环状布线，各区域内部采用树枝状结构；通常设置双电站，前后两个电站互为备用，对称分布，供电量为100%冗余，前后主配电板负载屏连接至各区配电板，区配电板也是主配电板的延伸，在区配电板内设置两路电源转换装置，实现前后主配电板配电的冗余；在区域内是树枝状结构，区域内重要负载直接连在区配电板上，非重要负载通过分电箱和组合启动箱连接在区配电板上，其结构图如图3 所示。

图3 区域配电网络结构图

将配电系统进行区域化设计，从而提高系统的生命力。将全船由主隔壁分成若干个独立区域，隔壁一直延伸到上层建筑，在每个区电力系统沿垂向分隔成一个独立区域；与以往船舶采用电缆通道沿着船舶艏艉方向纵向布置不同，独立区域的电缆通道采用垂直结构形式，因此在船舶受到攻击导致船舶破损时，最多有一个到两个独立区域受到破坏，其它区域仍然可以保证稳定供电，从而提高全船的生命力。

舰船根据防火主隔壁，将全船分成多个损管区域，根据负载的集中布置情况，还可以区分出不同的功能区、如垂直发射武器功能区、直升机保障功能区等；结合这些损管分区及功能分区，也可以将全船分成不同的配电区，从而将损管分区的思想融入到配电设计中。

4 国外区域配电技术应用

区域配电技术是欧美等发达国家研究开发的，可提高船舶供电可靠性和生命力。该技术具有灵活的运行模式和良好的运行经济性[4]，欧美国家海军舰船电力系统的设计已全面贯彻区域配电理念。其中，英国45 型驱逐舰、美国的“阿里伯克”级驱逐舰是当前世界上比较先进的具有代表性的先进战斗舰艇，在配电系统方面采用了最先进的设计[5]。

45 型驱逐舰作为全球首艘采用全电力推进的驱逐舰，采用中压交流电制，除用推进电机驱动螺旋桨外，还供给电力给各个作战及辅助系统使用，这些系统都连接到全船综合电力系统中。全船电力系统包括4 台主发电机，发电机的电压是4.16 kV，通过日用变压器将电压降低到AC440 V，满足作战及各辅助设施的使用。

45 型驱逐舰分为两个完全独立的电站，每个电站包括1 台WR-21 燃气涡轮驱动的21 MW 级交流发电机和1 台单机功率2 MW 的Wartsila 12 V200 柴油交流发电机组，与1 个高压配单板相连；两个高压配电板之间设置并联母线，可以并联使用，也可以分开供电；同时，设置2 台2 MW 4.16 kV ∕440 V 变压器、2 个低压主配电板、13 个区域负载中心的低压配电设备，通过这些设备组成了全船的区域配电系统；左舷和右舷的4.16 kV 配电板都各自连接到一个4.16 kV ∕440 V变压器上，每一个440 V 主配电板都可以向13 个区负载中心供电。

美国的“阿里伯克”级（DDG-51）驱逐舰，配置了3 台AG9 140 燃气轮机发电机组，单台发电机功率达到3 000 kW，采用了非常有代表意义的交流区域配电设计，由多台发电机组、主配电板及区配电板组成，重要负载直接接至主配电板，其余负载通过各区域的负载中心配电。目前，正在研究和开发直流区域配电系统，作为下一代水面舰船综合电力系统的核心。全舰结合防火区段和水密隔壁划分成了若干个区域，如图4 所示。

图4 “阿里伯克”级驱逐舰配电区域划分示意图

5 区域配电总体设计

5.1 配电区域的划分

舰船配电区域的划分，首先以损管区划为基础，结合船体总段、防火区段和水密隔壁来划分。为提高船舶生命力，减少船舶建造成本，电力区域的划分界线最好与防火隔壁、水密主隔壁及建造区域分隔线三者统一。然而，电力区域的划分是综合权衡后的结果，如果电力区域穿过较多的水密主隔壁，则在船舶破损时船舶生存能力就会降低；如果电力区域穿过较多的建造区域，则会增加船舶建造成本；如果将电力区域划分较小，则增加了负载中心和元器件数量，导致设备成本增加。

配电区域尽量与水密主隔壁为界，配电区域内的电缆尽量在一个主竖区内配电，电缆可竖向穿越甲板，避免区域配电的电缆穿越主水密主隔壁，可以减少穿越水密主隔壁电缆的数量，提高抗沉能力。

5.2 区域配电中心的设置

区域配电中心，尽量布置在破损水线以上，以降低船体破损进水后区域内配电设备泡水的可能性；区域配电中心尽量布置在靠近船中位置，提高生命力；区域配电中心周界要设置A0 级以上防火隔壁，具有一定的防火能力；区域配电中心设置在配电区域中心位置，可以考虑临近供电设备多的位置，减少电缆敷设数量；

区配电板、日用照明变压器、通风油泵组合启动箱、电力分配电箱，可集中布置在区域配电负载中心内，便于配电设备的集中管理。

5.3 两舷电源转换装置的设置

区域配电中，重要的用电设备要配备两舷电源转换装置，用来保证两路电源的转换。因动力类负载在电源转换过程中可能会产生较高的瞬态电流，因此转换装置要设置延时，一般转换时的断电时间为0.5～20 s；两舷供电转换装置根据动作方式进行分类，可以分为自动转换型和手动转换型，为确保电源供电的自动化水平，一般选择自动转换型；两舷供电转换装置一般布置于区域负载中心或区域配电板的供电入口端。

5.4 配电母线的设置及布置

区域配电系统通常采用左右两舷两条供电母线的方式。两条配电母线之间要分甲板布置，考虑一舷布置在水线的上方，另一舷布置在水线的下方，两条供电母线尽可能远离敷设，一般船舶供电的主干电缆纵向布置应为四方形走向，以便最大程度地扩大两个回路电缆在船舶横向和艏艉方向上的距离，从而提高船舶破损时的生命力。

6 区域配电技术发展趋势

当前，全球的船舶电力系统大多采用的是交流电制，但随着综合电力技术的应用和发展，交流区域配电在电磁兼容方面不佳；无功功率影响电网品质、电压及其损耗；不能满足大功率脉冲负载供电需求等；当采用直流电制，这些问题迎刃而解，近些年正在研究和开发直流区域配电系统，其中美国海军DDG1 000驱逐舰应用的直流区域配电网络非常有代表性[6]，其区域配电结构如图5 所示。

图5 直流区域配电结构示意图

图5 中：发电机组输出三相交流电，经过整流模块PCM-4 将三相交流电AC4 160 V 整流成直流DC1 000 V，输送到直流母排；PCM-1 模块将DC1 000 V 降压至DC800 V，再经过逆变模块PCM-2，将DC800 V 逆变为三相AC450 V 交流电，供电至区域内的交流负载；PCM-3 将DC800 V 直流电降压至DC270 V，供电至区域内的直流负载，满足区域内各类型负载的供电需求。

直流区域配电系统中，发电机组发出的交流电经过整流和降压等电力变换模块后，再输出给各区域的电气设备和逆变器，具有一定缓冲作用[7]。与交流区域配电相比，直流区域配电有以下优势：

1）船舶发电机组经整流装置输出直流电力，再逆变输出交流至负载，船舶发电机组与船舶用电设备的电压、频率等要求互不相关，因此可以降低发电机和整流器的成本、尺寸、质量，原动机也可以设计成在最经济的转速下运行，以降低发电机组的燃油消耗量；

2）直流区域配电系统各区域包含了由电力电子器件组成的变电模块，这些模块具有快速开关特性，可以隔离故障和起到保护作用，因此可以免去交流配电系统中大型机电式开关装置；

3）在直流区域配电系统中，通过逆变器，泵和风机等辅机可实现调频调速，也同时减小了电动机启动瞬间的冲击电流，有助于保护汇流母排的电压稳定；

4）在直流区域配电系统中，电力变换模块可以提供电气设备所需的各类电制，从而减少了电力变换的级数，具有减小质量和空间的优点；

5）直流配电技术是开放式母线结构，便于各种储能装置的并联，可以提高大功率脉冲负载供电的稳定性。

综合电力系统是国内外船舶电气发展的主流，大功率储能装置及大功率脉冲负载应用是未来发展的趋势，大功率装置的关键技术是采用直流区域配电技术，因此直流区域配电技术是未来舰船的技术发展趋势。

7 结束语

综上所述，区域配电系统具有提高舰船的生命力、减少故障蔓延的优势，符合舰船模块化、自动化、智能化发展要求。随着现代舰船电气化的发展，对船舶电力系统的容量需求不断增加，同时也提高了舰船生命力的要求，区域配电技术正在应用集成电路技术、网络技术、固体半导体技术而高速发展，区域直流配电技术越来越成熟，支撑未来全电气舰船和智能舰船的发展。